CC BY
65
heating coal centers and their local distribution in massif. This information uses for choosing self-heating coal fire-safe conditions.
Key words: autooxidation of coal, self-heating, autoignition, endogenous fire, random variable, local distribution centers.
Получено 17.02.2012
УДК 622.822.225
Е.И. Захаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
Г.Д. Овсянников, д-р техн. наук, проф. (Россия, Тула, ОАО «НИГП»), В.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
САМОНАГРЕВАНИЕ УГЛЯ И ПРОГНОЗ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ
Анализируется информация по аварийности угольных шахт Подмосковного бассейна. Предложено математическое описание процесса самонагревания угля. Предложен методический подход к прогнозированию последствий эндогенных пожаров.
Ключевые слова: самонагревание угля, подземный пожар, авария, шахта.
Разработка угольных месторождений практически всегда сопровождалась разного рода авариями, несчастными случаями, в том числе с летальными последствиями. Не являлись исключением и угольные предприятия СССР. Большая часть аварий была связана (вызвана) с подземными пожарами. Причем до 1946 - 53 гг. основная их доля приходилась на подземные пожары экзогенного происхождения: 63 % против 37% эндогенного вида. С 60-х годов прошлого столетия это соотношение резко изменилось в сторону роста пожаров, вызванных самонагреванием угля, последующего перехода в самовозгорание и пожар. Особенно большое количество указанных аварий происходило на угольных предприятиях Подмосковного и Челябинского бассейнов. Так, в Подмосковном бассейне только за 1960 - 75 г. г. произошло более 1000 аварий, на борьбу с которыми и ликвидацию последствий вызывались горноспасательные части (рис.1). 70 % указанных аварий приходится на подземные пожары, более половины которых вызвано самонагреванием угля.
Аналогичная обстановка складывалась и на угольных предприятиях Челябинского бассейна: в 1982 - 86 гг. на шахтах произошло более 50 крупных пожаров эндогенного происхождения, а более 100 случаев самовозгорания были ликвидированы на ранней стадии развития.
В целом, на шахтах Минуглепрома СССР в 1980 - 85 гг. (таблица) произошло более 800 крупных подземных пожаров, 65 % которых вызвано
самовозгоранием угля. На борьбу с ними, ликвидацию последствий привлекались значительные людские и материальные ресурсы. Ущерб достигал миллионных затрат, осложнялась работа предприятий, увеличились простои очистных и подготовительных участков, возросли потери угля, а, главное, были потери горнорабочих.
Многолетняя практика борьбы с этими авариями показала, что несмотря на большие объемы и трудоемкость выполненных работ, ежегодные миллионные затраты на профилактику и ликвидацию эндогенных пожаров, результаты работ оказались мало эффективными. Такое положение объяснялось, прежде всего, тем, что очаги самовозгораний угля в массивах и скоплениях угля, как правило, выявлялись на стадии эндогенного пожара, а не на начальном этапе развития самонагревания угля. Кроме того, выбор способов, средств и сроков проведения профилактических работ осуществлялся без должной оценки опасности самонагревания угля, анализа эффективности планируемых мероприятий по их предупреждению.
Динамика количества подземных пожаров, потерь угля и проходки из-за пожаров, травматизма с летальным исходом на шахтах
Мингулепрома СССР
Наименование Годы
показателей 1980 1981 1982 1983 1984 1985
1. Количество подземных 142 136 150 143 143 121
пожаров
2. Количество эндоген- 89 98 112 93 93 87
ных пожаров
З.Простой очистных и 9538 7167 45609 5817 5819 7754
подготовительных забоев
из-за эндогенных пожа-
ров, час.
4. Общие потери угля из- 282 111 301 670 168 145
за эндогенных пожаров,
тыс. т.
5. Потери проходки из-за 602 157 575 2158 418 1303
эндогенных пожаров, м.
6. Потери угля, приходя- 3,2 1,2 2,7 7,2 1,8 1,7
щиеся на один эндоген-
ный пожар, тыс. т
7. Потери проходки, при- 6,8 1,6 5.1 23,2 4,5 150
ходящиеся на один эндо-
генный пожар, м
8. Количество травмиро- 12 5 8 3 6 8
ванных с летальным ис-
ходом, чел.
Теоретической основой сложившихся подходов к системам прогноза и предупреждения самовозгораний угля явились работы проф. В.С. Ве-селовского (его школы), работы ВОСТНИИ (школа В.М. Маевской), рабо-
ты ВНИИТД (Донецк). Главным результатом этих исследований явился тезис о том, что решающая роль в процессе принадлежит сорбции кислорода углем как источника самонагревания угля и сформирования условий теплового баланса при переходе самонагревания в самовозгорание. Исходя из этого, определялись методологические подходы к прогнозу и способам борьбы с эндогенными пожарами.
На основе указанных выше теоретических представлений о процессе самонагревания сотрудниками Тульского политехнического института с 1963 г. начались широкомасштабные исследования на шахтах Подмосковного бассейна. Аналитические исследования подтверждались большим количеством лабораторных и шахтных экспериментов. В первую очередь исследовались сорбционные особенности бурых углей бассейна по отношению к кислороду. На основе этих исследований разработаны методы, способы и устройства, позволившие определить количественные показатели константы скорости сорбции кислорода углем в зависимости от различных свойств, в том числе петрографических, для углей Подмосковного, Челябинского, Донецкого, Кузнецкого и других бассейнов [1, 2, 3], получены количественные характеристики фильтрационных и диффузионных свойств углей для расчетов параметров массопереноса в породоуголь-ных скоплениях [1, 2, 3, 5], определены коэффициенты теплоотдачи горного массива в горные выработки [5] и др. параметры
В результате многолетних исследований [1, 2, 3, 5] получены количественные характеристики и зависимости, позволившие разработать методическое обеспечение - нормативные материалы (руководства, инструкции, методики), согласованные с эксплуатационниками и утвержденные органами Госгортехнадзора, согласно которым систематически осуществлялись оценка и текущий контроль температурного режима угольных целиков в шахтах, что позволило обнаруживать и предупреждать самовозгорание угля на ранней стадии развития и способствовало снижению общего количества пожаров [5, 6, 7]. Приоритетность подхода подтверждена а.с. 10609, 12346, 61 и пат. 1776326, 1234661.
Для угольных разрезов по просьбе эксплуатационников и при практически полном отсутствии базы данных по кинетическим параметрам те-пломассапереноса. был разработан способ профилактики самовозгорания пожароопасного объекта на основе ретроспективного анализа, включающий определение инкубационного периода самонагревания угля и периодичности проведения профилактических мер по профилактике самовозгорания угля. Для этого фиксируют ежемесячное количество эндогенных пожаров на объекте за период времени, принятый для ретроспективного анализа, и вычисляют математическое ожидание и дисперсию количества эндогенных пожаров за год.
Продолжительность инкубационного периода самонагревания угля определяют из математического выражения
Тинк= 365/Х, (1)
где Гинк - продолжительность инкубационного периода самонагревания угля, сут; X - математическое ожидание количества эндогенных пожаров за год.
Сроки, устанавливающие периодичность профилактики самовозгорания угля, определялись из соотношения
7 = 7^-365/(3^), (2)
где 3\ - дисперсия количества эндогенных пожаров за год на пожароопасном участке (решение на выдачу патента по заявке 4876609 и патент 17776326).
Результаты проведенных исследований привели к более обоснованным действиям по предупреждению и борьбе с самовозгоранием угля в шахтах и на угольных разрезах. Однако оставался не решенным главный вопрос - понимание природы самонагревания и его переходы в самовозгорание.
Понимание природы процесса самонагревания и последующего перехода в самовозгорание не является самоцелью. Назревшая потребность нового уровня теоретического обобщения обусловлена необходимостью решения целого ряда практических задач, в том числе более обоснованной оценки эндогенной пожароопасности. Качественно новых результатов в этом направлении не удается получить без пересмотра и научного обоснования методологии ее решения. Взгляд на указанную проблему под таким углом зрения предопределил необходимость выработки научно обоснованной методологии и разработки инструментария по оценке эндогенной пожароопасности объектов при эксплуатации угольных месторождений [2]. Результаты исследований были доложены на расширенном заседании Научного совета по программе «Уголь-Выброс», одобрены, рекомендованы к публикации и опубликованы [4].
Среди исследователей практически не вызывает разногласий тезис о том, что начиная с некоторой температуры определяющую роль в развитии самонагревания играют процессы тепломассообмена. Вместе с тем, предметом дискуссии остается вопрос об инициировании самонагревания, той «спичке», которая является первопричиной и «запускает» процесс самонагревания угля. Этот вопрос представляет интерес как с научной, так и с методической точки зрения, поскольку определяет обоснование подхода к решению проблемы предупреждения пожаров при разработке угольных месторождений.
Инициирование угля объясняется по-разному. Большинство исследователей и практиков придерживаются мнения о решающей роли взаимодействия угля с кислородом воздуха в зарождении процесса, высказывая, однако, при этом самые разные суждения о механизме этого взаимодействия.
120
100
80
60
40
20
-аварии
•подземные пожары
- эндогенные пожары -экзогенные пожары -обрушения горных выработок
- загазирования выработок
- прорывы воды, плывуна
1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
Рис. 1. Динамики аварийности шахт Подмосковного бассейна
за 1960- 1975 гг.
Однако немалое число авторов отстаивают принципиально иные точки зрения на природу самонагревания, объясняя его возникновение чисто химическими, биохимическими и другими процессами, протекающими в породоугольном массиве или скоплении.
По мнению авторов, исследователи не могут прийти к общей точке зрения на природу самонагревания из-за ошибки в методическом подходе к решению вопроса. Она состоит в том, что экспериментальные факты, устанавливаемые сторонниками одного направления, не принимаются во внимание их коллегами исследователями, придерживающимися других точек зрения.
Учитывая этот общий недостаток, автора подошли к решению задачи следующим образом: проанализировали результаты исследований, полученные разными научными школами, а также известные из практики эксплуатации шахт и разрезов закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания углей, выделили из них достоверно установленные экспериментальные факты, а затем сформулировали и обосновали механизм инициирования самонагревания угля.
В работе [4] впервые рассмотрены существующие альтернативные мнения разных исследователей по данной проблеме не с позиций их противопоставления, а с точки зрения различных проявлений единого химического процесса. Такой методический подход оказался удачным и весьма плодотворным, поскольку в его рамках нашли отражение и удовлетворительные объяснения, экспериментально установленные факты и известные из практики закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля.
В результате теоретического обобщения многообразных фактов установлены следующие закономерности низкотемпературного окисления и самонагревания угля.
1. Источником самонагревания является аутоокисление угля. Его механизм при подземном и открытом способах разработки угольных месторождений един.
Под аутоокислением понимают окисление органических веществ кислородом воздуха, протекающее по радикально-цепному механизму через образование перекисных соединений.
В пользу аутоокисления применительно к углям говорят следующие факты: 1) существует латентный (инкубационный) период в процессе окисления углей, которое протекает с образованием и участием радикалов и сопровождается образованием и распадом перекисей; 2) процесс инициируется различными добавками, радиацией, легко диссоциирующими веществами и тормозится ингибиторами.
Для большинства органических соединений радикально-цепной либо радикальный механизм окисления, проходящий через стадию образования перекисных соединений, доказан Н.Н. Семеновым.
Сложность привлечения теории применительно к углям заключается в том, что слабо изучены закономерности твердофазного окисления, до сих пор не поддаются расшифровке молекулярная и надмолекулярная структуры угля, неоднородным является как сам уголь, так и распределение неорганических примесей даже в рамках одного пласта.
2. Уголь в процессе аутоокисления представляет собой многокомпонентную окислительно-восстановительную систему. Процесс окисления угля сочетает ряд параллельно и последовательно протекающих реакций. Зарождение очага самонагревания возникает при реакциях, реализующих вырожденный радикально цепной механизм. Все иные реакции (химические, электрохимические, биохимические) и внешние воздействия подготавливают, инициируют этот процесс.
3. Низкотемпературное окисление угля представляет собой совокупность конкурирующих реакций, приоритетность и направление которых непредсказуемы и определяются составом и структурой угля, доступом кислорода к реагирующим поверхностям, внешним условиям протекания процесса (температурой, давлением и т.д.).
4. Возможность реализации низкотемпературного окисления по различным схемам определяет разнообразие физико-химических проявлений самонагревания. Это подтверждают применяемые на шахтах и разрезах способы обнаружения очагов эндогенных пожаров - по профилю теплового излучения на поверхности обнажения, по соотношению концентраций выделяющихся продуктов окисления, по изменению ЕЭП и т.д.
5. Склонность угля к самовозгоранию определяет его свойства, способствующие реализации вырожденного радикально цепного механизма.
Судить о склонности угля к самовозгоранию по одному признаку или свойству, отражающему какой-либо из этапов сложного многоступенчатого процесса, неправомерно.
6. Механизм низкотемпературного окисления обуславливает случайный характер зарождения очагов самонагревания и локальное их распределение в массиве или скоплении.
Предложенное теоретическое обоснование инициирования самонагревания с позиции аутоокисления хорошо согласуется со всеми экспериментально установленными фактами и закономерностями окисления углей, а также суммирует достижения авторов, занимающихся решением этой проблемы в различных аспектах.
Отличительная особенность предложенного подхода к решению проблемы инициирования самонагревания угля состоит в том, что известные экспериментальные факты и закономерности не противопоставляются друг другу, а интерпретируются с позиций единого физико-химического процесса. Это позволило до сего времени множество взаимоисключающих друг друга моделей инициирования самонагревания объяснить как разные
этапы и направления аутоокисления угля и найти место каждой из предлагаемых точек зрения на природу самонагревания в общей схеме процесса.
Основной вывод, сделанный из анализа механизма самонагревания угля, заключается в том, что аутоокисление угля, лежащее в основе процесса, обуславливает случайный характер зарождения очагов самонагревания и локальное их распределение в массиве или скоплении.
Ни тот, ни другой фактор не находят отражения в принятой сегодня методологии прогноза эндогенной пожароопасности.
Общепринятый традиционный подход к прогнозу исходит из детерминированной природы процесса самонагревания, обусловленной способностью угля сорбировать кислород воздуха, и сводится к ответу на вопрос: разогреется массив или скопление угля вследствие поглощения всем его объемом кислорода воздуха до критической температуры, по достижении которой самонагревание переходит в самовозгорание угля, что отождествляется с возникновением эндогенного пожара.
Случайная природа самонагревания и локальный характер распределения очагов определили принципиально иную постановку вопроса: разогреется массив или скопление угля до критической температуры, если в локальной его зоне сформировался очаг самонагревания.
Таким образом, по мнению авторов, принципиально невозможно дать ответ на вопрос: возникнет или нет на объекте эндогенный пожар, поскольку это событие объективно случайное и не может быть предсказано. Возможно прогнозирование состояния объекта (его эндогенной пожаро-опасности), то есть предсказания как поведет себя объект (угольная пачка, целик, склад и т.п.), если в нем возникает очаг самонагревания. Это определяется внешними условиями процессами (технологическими, вентиляционными и т.п. факторами), что и позволяет осуществлять управление объектом, рассчитывая и обеспечивая значения параметров, исключающих переход самонагревания в самовозгорание.
Следовательно, решение задачи определения пожаробезопасных условий разработки угольных пластов и хранения угля и породоугольной массы состоит из следующих этапов:
1) математическое моделирование развития возникшего очага самонагревания в локальной зоне при параметрах принятой технологии с целью прогнозирования факта перехода самонагревания в самовозгорание;
2) в случае идентификации ситуации как пожароопасной выбор параметров, допускающих их варьирование и установление границ этих изменений;
3) проведение вычислительных экспериментов на основе математической модели развития локального очага самонагревания при изменении параметров ведения горных работ в установленных пределах до тех пор, пока не будет идентифицирована пожаробезопасная ситуация;
4) в случае недостижения такой ситуации при заданном диапазоне варьирования параметров делается вывод о пожароопасности принятой технологии ведения работ.
Основу математической модели развития возникшего очага самонагревания угля составляет система уравнений тепломассопереноса в массиве или скоплении
и (Г)С;
У
ЩТ){ 1 Я)С,
(3)
с начальными условиями
Г(х,0) = /(*,), С(л-0) = /2 х, ; ипри X X,
'/(Г) ^
где Т(хи т), С(хь т) - температура угля и концентрация кислорода в массиве; хг, т - пространственные и временная координаты; ау, Ху - температуро-и теплопроводность угля; д - тепловой эффект окисления; Св-рв- объемная теплоемкость воздуха; V - скорость фильтрации воздуха; - коэффициент молекулярной диффузии кислорода; П - пустотность скопления или массива; ЩТ) - сорбции кислорода углем; хц9 ха - границы зоны очага самонагревания.
Функции Щт) имеют вид
1
(4)
где ко - скорость сорбции кислорода углем при температуре Т0; р - плотность угля; 8 - температурный коэффициент скорости сорбции; Ц, - коэффициент эффективной диффузии кислорода в поры углей; Я3 - эффективный радиус.
Адаптация модели (3) к конкретным типам пожароопасных объектов шахт и разрезов осуществляется варьированием составляющих теплового баланса и граничных условий.
Однако модель (3) является незамкнутой, поскольку неизвестно значение ио(Т) в зоне очага самонагревания [хгЬ х&]9 которое отличается от среднего значения по массиву или скоплению вне его, то есть при х{ < Хц
И Хг > Х/2-
Определение значения ио [хгь х^ выполняется на основе математической модели
ау 5т /-1 5х. Ху
(ТУ
(5)
ичт) при хп хп х/2,
ио(Т) при х, хШ9 х9 хП9
которая описывает идеальные с точки зрения самовозгорания условия тепломассообмена в массиве или скоплении, когда развитие очага самонагревания определяется только характеристикой источника С/^ в зоне очага.
Результаты расчетов, полученные на основе модели (5), показали, что, действительно, значение и^ в зоне очага самонагревания угля в несколько раз, в том числе и на математический порядок, выше, чем среднее измеренное значение и по массиву или скоплению. Так, например, для пачки угля мощностью 2,5 м, оставленной в кровле (ш. Западная), среднее значение ио, рассчитанное по формуле (4), оставляет 4,4-10' 1/с, а в очаге самонагревания - 1,3-10'5 1/с при Т0.
Таким образом, решена задача определения кинетических параметров локального источника самонагревания угля в массиве или скоплении. Получение этих данных делает исходную прогнозную модель (3) замкнутой.
В соответствии со сформулированной концепцией прогноза эндогенной пожароопасности реализация модели (3) дает ответ на вопрос: как будет развиваться процесс самонагревания и будет ли достигнута критическая температура угля Гкр, если очаг с расчетными параметрами ио(Т) возник в массиве или скоплении, но находящемся не в идеальных с точки зрения самонагревания угля условиях (модель 5), а в реальных условиях, где процессы тепломассообмена могут привести к торможению самонагревания как вследствие больших теплопотерь, так и вследствие дефицита кислорода в зоне очага.
Математическая модель (3) представляет собой систему нелинейных уравнений. Ее решение ищется конечно - разностным методом чередующихся направлений (метод Дугласа - Ганна). Решение, получаемое этим методом, всегда устойчиво.
Анализ данных, полученных в результате вычислительных экспериментов показал, что предложенная модель развития возникшего очага самонагревания отражает все возможные направления протекания процесса, характерный вид которых описан в научно-технической литературе (рис. 2).
Еще раз подтверждены известные закономерности самонагревания угля, в частности:
- характерные расчетные профили полей температур совпадают с получаемыми на практике при обнаружении очагов самонагревания угля:
- продолжительность развития самонагревания угля может составлять от нескольких суток до нескольких месяцев;
Т(х„0) |
- внешние условия, определяемые геологическими и технологическими факторами, оказывают существенное влияние на характер развития самонагревания;
- при отсутствии достаточного количества притока кислорода температура угля при самонагревании может повышаться до 100.. .150 оС без перехода в самовозгорание.
220
С 170
120
1 1 Г~
1
220 г„. С по
120
20
X / л
/
/ 7
8
\ уГ
I
20
О 7 » 7 ТОО 7 200 0 ~т 50 ЮО 7 200
'крЗ 'крк 'суп 'кр7 'суш
Рис. 2. Динамика изменения максимальной температуры угля
Поля концентраций кислорода и температуры в массиве (скоплении) угля взаимоувязаны (рис. 3), поэтому использование вместо системы уравнений тепломассопереноса одного уравнения теплового баланса с заданным распределением концентрации кислорода при описании источника будет, скорее всего, некорректным.
Тт, 150 И II (I
ЮО
!
/ \ 2 V
Рис. 3. Характерные профили полей концентрации кислорода и максимальной температуры угля: 1 - концентрация кислорода; 2 - максимальная температура угля
Местоположение и размер очага самонагревания угля в массиве (скоплении) (рис. 4, 5) при различных сочетаниях параметров оказывают влияние на динамику развития процесса самонагревания, поэтому при решении задач прогноза необходимо анализировать возможные сочетания местоположения и размеров очага.
Таким образом, анализ результатов вычислительного эксперимента, проведенный на основе предложенной методики и модели (3), позволяет осуществить расчет параметров, обеспечивающих пожаробезопасные условия ведения горных работ, в том числе и условия пожаробезопасного хранения угля на складах. Разработанный подход базируется на современных представлениях физико-химической сути процесса самонагревания. Предложенная модель адекватно описывает процесс развития очага в массиве (скоплении) и отражает основные закономерности самонагревания угля из практики эксплуатации шахт. Однако данная модель, безусловно, требует уточнения и корректировки с учетом основополагающего тезиса вероятностной природы события. Следовательно, дальнейшая задача состоит в построении прогнозной модели на базе предложенной, но учитывающей случайный характер зарождения очага самонагревания.
д 2у 5 3
0 50 ЮО Тт 200
Рис. 4. Влияние размера очага самонагревания на динамику
его развития: 1 -Х0н - Х0к = 0,5...2,0м; 2 -Х0н - Х0к = 0,5...1,0м; 3 -Х0н-Х0к = 0,5.1,0м; 4-Х0н-Х0к = 3,5...4,0м; 5 -Х0н - Х0к = 0,5.2,0м; 6-Х0н - Х0к = 3,5.5,0м
Из сформулированного выше взгляда на природу самовозгорания угля следует, что научно обоснованно можно судить лишь о том, в какой степени свойства угля, природные условия и техногенные воздействия способствуют инициированию самовозгорания угля. Ответ на этот вопрос трактуется авторами как оценка эндогенной пожароопасной ситуации или объекта.
Подход к решению поставленной задачи должен отвечать требованию использования всей базы знаний о самовозгорании угля без потери информации о закономерностях процесса на этапе его формализации.
Основную роль в инициировании самонагревания угля играют реакции, протекающие на уровне взаимодействия отдельных функциональных групп угля. Это определяет содержание базы данных о свойствах углей, необходимой для решения задачи.
±А х У
/ ^ 5
6
50 т т ¡50
'ая
Рис. 5. Влияние местоположения очага самонагревания на динамику его развития: 1 -Х0н-Х0к = 0,5...1,0м; 2-Х0н-Х0к = 3,5...4,0м; 3 -Х0н-Х0к = 0,5.1,0м; 4-Х0н-Х0к = 3,5...4,0м; 5 -Х0н - Х0к = 0,5.2,0м; 6-Х0н - Х0к = 3,5.5,0м
Природа процесса обуславливает существование значительной части знаний о нем на уровне качественных суждений. Поэтому способы и форма представления знаний, а также используемый математический аппарат должны допускать оперирование такого рода информацией.
Поиск возможных форм и методов практической реализации, сформулированных методических требований к решению задачи оценки эндогенной пожароопасности при разработке угольных месторождений показал, что в полной мере им отвечает инструментарий в виде экспертной системы. Для построения экспертной системы использованы нечеткие модели. В настоящее время они находят все более широкое применение в решении задач искусственного интеллекта, бизнеса, охраны окружающей среды, медицины, систем обеспечения безопасности и т.п. Их достоинством и преимуществом является то, что они позволяют на основе использования строгого математического аппарата нечеткой логики решать нечетко поставленные задачи при нечеткой форме представления знаний и нечетком описании входных и выходных параметров системы.
Для поиска решения в нечеткой среде при разработке экспертной системы использования дедуктивная схема вывода основана на нечетком правиле modus ponens. В этом случае решением является выбор такого множества значений выходного параметра, для каждого элемента которого схема вывода имеет наибольшую степень истинности правила modus ponens. Математически решение задачи сводится к расчету по заданному алгоритму максимальной степени истинности, определению соответствующего ей интервала выходного параметра и идентификации по его значениям состояния объекта (степени эндогенной пожароопасности).
Экспертная система включает два уровня: на первом рассматриваются самостоятельные подсистемы идентификации склонности углей к самовозгоранию, пожароопасности горно-геологических условий, технологии ведения работ и организационно-экономических условий работы объекта; на втором осуществляется построение обобщенной модели оценки эндогенной пожароопасности объекта или ситуации на основе результатов первого уровня. Конечным выходом экспертной системы является количественная оценка наиболее правдоподобного состояния объекта с точки зрения эндогенной пожароопасности при рассматриваемых условиях его функционирования.
Разработана программная оболочка экспертной системы, которая включает блок ввода входных и выходных переменных, редактор системы экспертных высказываний, расчетный блок, реализующий алгоритм дедуктивной схемы вывода. Особенностью системы является то, что нечеткие переменные описываются с помощью нескольких стандартных типов функций принадлежности: трапециевидной, пикообразной, колокообраз-ной. Кроме того, с помощью специального инструментария возможно задание функции принадлежности любого типа, удовлетворяющего требованию унимодальности. Такие функции задаются таблично с определенным шагом приращения аргумента. Подобный подход обеспечивает большую гибкость при выборе типов функции принадлежности в сочетании с высокой точностью вычислений.
Разработаны рекомендации по формализации знаний экспертов, формированию и поддержанию системы.
Выполнено формирование базы знаний экспертной системы. Поскольку демонстрация версии экспертной системы оценки эндогенной по-жароопасности при разработке угольных месторождений выполнялась для Подмосковного бассейна, то база знаний адаптирована к условиям месторождений угля указанного бассейна. Для ее формирования были привлечены около 30 экспертов - инженерно-технических работников АК «Тула-уголь» (директоров, главных инженеров и начальников участков шахт), научных работников, технических инженеров надзора, работников ВГСЧ.
Демонстрация версии экспертной системы была реализована на примерах в виде решения четырех задач: «Оценка склонности угля к само-
возгоранию» (первый этап), «Оценка пожароопасности горногеологических условий» (второй этап), «Оценка пожароопасности технологии ведения горных работ (третий этап) и «Оценка эндогенной пожароопасности объекта» (ситуации) - итоговая задача.
Практическая реализация системы, ее внедрение должны осуществляться на шахтах Подмосковного бассейна. Однако осуществление не произошло в связи с закрытием бассейна.
Список литературы
1. Физико-химические основы самовозгорания углей и разработка мероприятий для профилактики эндогенных пожаров на действующих и строящихся шахтах производственного объединения «Тулауголь»: отчет о НИР/ ТулПИ; науч. рук. проф. Е.И. Захаров. № ГР 78004445. ИНВ № 02850028478, № 82-151-3. Тула, 1982.
2. Разработать систему оценки технологических решений при разработке угольных месторождений по фактору эндогенной пожароопасно-сти и технические средства обнаружения очагов эндогенных пожаров: отчет о НИР ТулПИ (в соответствии с государственной программой «Уголь-Выброс»); науч. рук. проф. Е.И. Захаров. Тула, 1991-93.
3. Обеспечение пожаробезопасных условий хранения и транспортировки углей, углистого колчедана и породоугольной массы: отчет о НИР ТулГТИ, № ГР 01910046434; науч. рук. проф. Е.И. Захаров. Тула, 1991-94.
4. Захаров Е.И., Панферова И.В., Савинова Л.Н. Природа самонагревания углей. Анализ проблемы. Ростов на Дону: Изд-во СКНЦ «Высшая школа». 1994.
5. Текущий контроль температурного режима угольных целиков на шахтах ПО «Тулауголь»: отчет о НИР/ТПИ; науч. рук. Е.И. Захаров. № ГР 01850047567. Инв. N02860021614, 85-342-1. Тула, 1985.
6. Захаров Е.И. Контроль за тепломассобменными процессами в шахтах Подмосковного бассейна//Уголь. 1998. № 11, С. 7-9.
7. Методика оценка опасности самовозгорания в угольных шахтах. Тула: Приок. кн. изд-во, 1983. С. 28.
E.I. Zacharov, G.D. Ovsiynikov, V.I. Sarichev
SELF-HEATING COAL AND FORECASTING CONDITIONS OF ARISING ENDOGENOUS FIRES
Information on accident rate of Moscow Basin mines is analyzed. Mathematical description of self-heating coal process was proposed. Methodical approach to forecasting underground fires consequences was proposed.
Key words: self-heating coal, underground fire, accident, mine.
Получено 17.02.2012
