автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование и разработка подсистемы управления предепреждением и тушением эндогенных пожаров в системе управления угольных шахт

Г УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРКО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Матвеев Владимир Викторович

УДК 622.822

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕМ И ТУШЕНИЕМ ЭНДОГЕННЫХ ПОЖАРОВ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.13.07 «Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Троп А. Е.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший научный

сотрудник Волков Юрий Владимирович - доктор технических наук, профессор Зобнин Борис Борисович

Ведущая организация - ВГСЧ Урала г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 3 июля 1998 года на заседании диссертационного совета Д 063.03.01, в Уральской государственной горно- геологической академии по адресу: 620 М , г. Екатеринбург, , ул. Куйбышева 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Реферат разослан 26 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Прокофьев Е. В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Острейшей проблемой угольной промышленности является обеспечение безопасности рабочих процессов и повышение экономичности производства. В промышленности и горной науке достигнуты несомненные успехи в исследовании и реализации технологических процессов, повышающих надежность и безопасность эксплуатации шахт. Это позволяет обеспечить снижение себестоимости добычи угля и, следовательно, конкурентоспособность этого вида добываемых ресурсов.

Вместе с тем, до сих пор на угольных шахтах, наряду с другими опасными явлениями, имеют место эндогенные пожары, возникающие при взаимодействии угольных массивов и скоплений с кислородом воздуха. Так, на шахтах ОАО «Челябинскуголь» ежегодно возникает 6-8 эндогенных пожаров и опасных самонагреваний углей. Аналогичное положение имеет место и в других угольных бассейнах России. В результате эндогенных пожаров утрачиваются полезные ископаемые (уголь), расходуются большие средства и рабочая сила на локализацию пожаров и их тушение, усложняется технология горных работ, ухудшается экологическая обстановка.

Разработана и постоянно совершенствуется технология профилактики, локализации и тушения эндогенных пожаров и опасных самонагреваний углей. Эти технологические процессы не могут развиваться и рационально использоваться без совершенствования управления. Поэтому исследование вопросов управления технологическими процессами локализации, тушения и профилактики эндогенных пожаров, их выявления на ранней стадии современными средствами информатики несомненно является актуальной теоретической и прикладной задачей.

Представленная работа является частью исследований Уральской государственной горно-геологической академией проблемы «Идентификация геодинамических процессов, их прогнозирование и создание интегрированных информационно-управляющих систем».

Исследования выполнены на кафедре автоматизации производственных процессов Уральской государственной горно-геологической академии и на шахтах ОАО «Челябинскуголь».

Объект исследования. Опасные самонагревания угольных массивов и скоплений и эндогенные пожары, их выявление на ранних стадиях, обеспечивающих управление профилактикой, локализацией и тушением применительно к шахтам ОАО «Челябинскуголь».

Цель работы. Теоретически обосновать и практически реализовать подсистему прогнозирования возникновения опасных нагреваний угольных скоплений и эндогенных пожаров в автоматизированной системе управления шахты с целью управления технологическими процессами локализации и ликвидации этих опасных явлений.

Основная идея. Обосновать структуру подсистемы (в системе управления шахт) диагностики и прогнозирования самонагревания углей и эндогенных пожаров для управления:

а) на стадии локализации и тушения эндогенных пожаров и опасных самонагреваний угольных скоплений;

б) на стадии производства горных работ с целью оперативного устранения самонагревания угля и профилактики возникновения эндогенных пожаров.

в) на стадии проектирования и организации технологических процессов и горных работ (технические задания на проектирование технологии и процессов);

Для реализации цели работы в диссертации решаются следующие задачи:

1. Получить математические выражения взаимосвязи концентрации газов, выделяющихся при нагревании углей, с температурой по экспериментальным данным.

2. Разработать критерий оценки эндогенной пожароопасности, позволяющий учитывать развитие самонагревания углей.

3. Обосновать возможность и целесообразность выявления самонагреваний углей и характер развития этих процессов по оценкам экспертов.

4. Разработать способ уточнения статистических данных о влиянии горно-геологических и горно-технологических факторов на вероятность возникновения эндогенных пожаров на основе оценок экспертов в рамках экс-пертно-статистических систем (ЭСС).

5. Обосновать структуру системы управления выявлением и ликвидацией (тушением) самонагревания углей и эндогенных пожаров на основе информации о проявлениях газовыделения и экспертных оценок.

Теоретическая база исследования. Анализ литературных данных по проблеме, системный анализ, математическое моделирование, вычислительный эксперимент, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных, теория управления и информации, фази-управление, прикладное прогнозирование.

Научные положения, защищаемые в работе:

1. Опасность возникновения самонагреваний углей и эндогенных пожаров оценивается по статистическим данным об этих явлениях на шахтах бассейна. В связи со старением учитываемых в статистике данных и трудности ввода информации о новых эндогенных процессах практическая ценность статистических оценок снижается. Предложено уточнять статистические данные об эндогенных процессах на основе экспертных оценок влияния на эти процессы различных факторов. Разработана методика и алгоритм корректировки.

2. Оценка эндогенной пожароопасности осуществляется по данным контроля газовыделения при самонагревании массива угля. Проведен анализ различных критериев оценки эндогенной пожароопасности. Выявлено влияние на эти оценки размытости (неоднозначности) концентрации газов при нагреве. Предложено оценивать эндогенную пожароопасность при управлении локализацией и ликвидацией этих явлений на основе динамического критерия эндогенной пожароопасности, выявляемым для всех контролируемых газов.

3. Для выявления опасных самонагреваний углей, угольных скоплений и эндогенных пожаров предложено использовать метод экспертных оценок. Разработана методика и алгоритм представления экспертных данных лицам, принимающим решения об управлении процессами.

4. Идентификация состояния горно-технологических объектов и управление процессами прогнозирования, локализации и ликвидации эндогенных процессов осуществляется комплексно на основе скорректированных статистических данных, динамических критериев пожароопасности и экспертных оценок.

Автор защищает:

1. Критерий эндогенной пожароопасности, позволяющий учитывать развитие процессов самонагревания углей в скоплениях и массивах (пласты).

2. Методику ранжирования и корреляции газов, выделяющихся газов при нагреве углей, с температурой. Зависимости концентраций выделяющихся газов от температуры.

3. Методику и программу экспертной оценки эндогенной пожароопасности на угольных шахтах.

4. Метод уточнения статистических оценок опасности возникновения эндогенных пожаров по результатам экспертизы.

5. Подсистему управления технологическими процессами локализации и ликвидации опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров на шахтах.

6. Структуру приборного контроля опасности возникновения и развития опасных самонагреваний углей.

Достоверность научных положений подтверждается достаточной точностью полученных приближенных зависимостей и оценок, практической реализацией алгоритмов и программ на ЭВМ, результатами опробования разработанных методик в условиях шахт.

Научная новизна работы:

1. Получены зависимости концентрации газов в шахтной атмосфере от температуры нагрева. Оценена их адекватность экспериментальным данным, известным из литературных источников. Оценена коррелированность концентрации выделяющихся при нагревании газов с температурой и содержаний различных газов между собой. Выявлена неоднозначность (размытость) концентрации газов при нагреве углей.

2. Проведен анализ представительности различных критериев, предложенных для оценки опасности эндогенных пожаров. Предложен и обоснован динамический критерий эндогенной пожароопасности.

3. Наряду с оценкой опасности эндогенных пожаров по выделению газов в шахтную атмосферу предложено использовать экспертные оценки с обработкой результатов экспертиз бинарными методами и методами нечетких множеств.

4. Разработана методика и программа корректировки статистических оценок об эндогенных пожарах и опасных самонагреваниях углей по экспертным оценкам.

5. Предложена подсистема комплексного оценивания опасности эндогенных пожаров в составе АСУ объединения и шахт для управления технологическими процессами их локализации и ликвидации.

Практическая ценность работы:

1. Проведено ранжирование факторов, характеризующих опасность эндогенных пожаров. Обоснован динамический критерий оценки опасности самонагреваний угольных скоплений. Выявлена неоднозначность ( размытость) концентрации выделяющихся при нагревании газов.

2. Разработана структура подсистемы комплексной оценки опасности возникновения эндогенных пожаров в АСУ объединения и шахты.

3. Предложена методика уточнения статистических данных об эндогенных пожарах, используемых при выполнении проектных работ, на основе экспертных оценок (экспертно-статистическая система).

4. Разработана и опробована методика экспертных оценок опасности самонагреваний углей и эндогенных пожаров применительно к отдельным объектам шахт.

5. Совместно с проектно-конструкторским бюро ОАО " Челябинск-уголь" разработан проект комплекса аппаратуры для оценки опасности самонагревания углей по проявлениям газовыделения для ш. Центральная Челябинского угольного бассейна.

6. Разработана структура информационного обеспечения автоматизированного управления ликвидацией опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены:

на Международной конференции по автоматизации в горном деле Всемирного горного конгресса в Гливице (1995 г.);

научно-технической конференции «Системы и средства контроля состояния шахтной атмосферы» (г. Екатеринбург, 1995 г.);

X Межотраслевом координационном совещании по проблеме геодинамической безопасности (г. Екатеринбург, 6-9 октября 1997 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 работах, список которых приведен.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, включает 20 рисунков, 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит характеристику современного состояния теории возникновения эндогенных пожаров и опасных самонагреваний углей на шахтах. Исследования этих явлений возглавил в нашей стране академик A.A. Скочинский. Основными научными коллективами, ведущими исследования процессов самонагревания угольных скоплений и опасности эндогенных пожаров являются Институт горного, дела им. A.A. Скочинского, МакНИИ (Украина), Институт угля СО РАН, ВостНИИ, КНИУИ (г. Караганда, Казахстан), ВНИИГД, РосНИИГД, Карагандинский политехнический институт и

др. Важнейшие работы в этом направлении выполнены B.C. Веселовским, Е.И. Глузбергом, С.К. Баймухаметовым, A.M. Чеховских, В.М. Маевской, В.Г. Игишевым, Н.И. Линденау, А.И. Галицкой, В.А. Портолой, В.Ф. Ореш-ко, A.A. Харевым, Г.Ф. Михеевым, В.И. Саранчуком, Л.Т. Виноградовой и др.

В Уральской государственной горно-геологической академии (СГИ, УГИ) работы в этом направлении выполнялись проф. В.В. Дьяковым, проф. В.Н. Корнилковым, доц. Э.И. Чернявским и другими. Работы по исследованию пожароопасности на медно-колчеданных шахтах Урала выполнялись в институте УНИПромедь, Свердловском институте гигиены труда.

Возникновение эндогенных пожаров при ведении горных работ определяется влиянием горно-геологических, горно-технологических и физико-химических факторов. Исследование процессов самонагревания и возгорания углей в шахтных условиях осуществляется системно.

В результате выполненных исследований выявлены факторы, определяющие степень эндогенной пожароопасности и возможность возникновения пожаров, различные способы обнаружения самонагреваний углей и пожаров, предложены критерии оценки опасности самонагревания углей и эндогенных пожаров. Проведена работа по систематизации данных об эндогенных пожарах, имевших место в Донбассе, Кузнецком бассейне, на шахтах Челябинского угольного бассейна и др. Предложены методы прогнозирования опасности самовозгорания угольных скоплений и оценки различных стадий самонагревания и возгорания.

Во введении дана оценка состояния эндогенной пожароопасности на шахтах ОАО «Челябинскуголь». Сформулированы общие задачи работы:

- анализ современного состояния теории и техники профилактики и прогнозирования эндогенной пожароопасности;

- систематизация и ранжирование физико-химических, горно- геологических и горно-технологических факторов, характеризующих процессы самонагревания угольных скоплений и эндогенные пожары;

- коррекция статистических оценок;

- прогнозирование эндогенной пожароопасности по проявлениям газовыделения (ранжирование газов, выделяющихся при самонагревании углей по индикационной эффективности, нахождение зависимостей, связывающих концентрации газов с температурой, и их анализ, обоснование эффективных критериев оценки эндогенной пожароопасности);

- обоснование системы прогнозирования эндогенной пожароопасное™ на основе экспертных оценок (организация экспертных групп в объединении и непосредственно на шахтах, представление экспертной информации, алгоритмы обработки экспертных оценок, разработка экспертно-статистических методов (ЭСС) оценки эндогенной пожароопасности, систематизация экспертных оценок);

- обоснование структуры диагностики и прогнозирования самонагревания углей и эндогенных пожаров в автоматизированной системе управления.

Схема процесса самонагревания углей как объекта управления приведена на рис. 1.

Объектом управления является процесс взаимодействия кислорода воздуха, подаваемого для вентиляции, с углем в массиве (пласт) или скоплениях (потерянные в процессе разработки угли и углесодержащие породы). Взаимодействие "воздух-уголь" осуществляется в двух аспектах:

1. Кислород воздуха взаимодействует с углем, окисляет его с выделением тепла и газов.

2. Воздух, контактируя с нагревающимся углем, нагревается и частично отводит тепло, выделяющееся при окислении.

Таким образом, температура воздуха, проходящего по зоне самонагревания, взаимосвязана с температурой самонагревания.

Управляемой координатой (определяющей цель управления) в принципе является температура самонагревания угля. При этом с точки зрения опасности перехода самонагревания угля в эндогенный пожар важно выделить скопления, где температура самонагревания достигает наибольшей величины (и/или возрастает с наибольшей скоростью).

Для оценки самонагревания углей в массиве или скоплении используют данные о концентрациях газов, выделяющихся из углей при нагревании. Многочисленные лабораторные эксперименты позволяют оценивать температуры нагрева и концентрации выделяющихся газов как взаимосвязанные величины.

В работе (гл. 2) установлено, что эти параметры коррелированны с весьма высокими коэффициентами корреляции.

Таким образом, выходной (управляемой) координатой является температура самонагревания угля, определяемая по косвенным данным.

Горно-геологические и горно-технологические условия

Воздух

Окисление углей, нагрев

Тепло

Окисление углей, выделение газов

" 02,% ' С02,% СО,% ' Н2,% • СН4,% - С2Н6>%

Рис. 1. Объект управления

Целью управления является такое воздействие (ограничение температуры нагрева) на процесс самонагревания углей, при котором оказывается невозможным развитие самонагревания в возгорание и горение, т.е. в эндогенный пожар. Поскольку самонагревание углей оценивается косвенно, через концентрации выделяющихся при нагреве газов, целью управления оказывается ограничение концентрации этих газов.

Управляющими воздействиями являются следующие операции, осуществляемые раздельно или комбинированно:

а) прямое охлаждение угля в скоплениях и пластах подачей воды;

б) изменение условий взаимодействия "воздух (кислород) - уголь":

- заиливание угольных скоплений,

- покрытие угля в угольных скоплениях специальной пульпой;

в) ограничение или прекращение взаимодействия "воздух-уголь":

- закрывание окон в действующих перемычках,

- создание дополнительных перемычек, прекращающих поступление воздуха к самонагревающемуся углю;

- подача в предварительно изолированное пространство, где происходит самонагревание угля, инертного газа для вытеснения воздуха (кислорода).

Глава 1 посвящена анализу современного состояния проблемы прогнозирования эндогенных пожаров на угольных шахтах. Рассмотрены факторы, определяющие опасность возникновения эндогенных пожаров, - горно- гео-

логические, горно-технологические и физико-химические. Таких факторов выделено 29. Изучены используемые и предлагаемые различными исследователями методы обнаружения и прогнозирования самонагревания угольных скоплений, системы сбора и обработки информации по опасным самонагреваниям угольных скоплений и эндогенным пожарам, классификации процессов самонагревания и горения углей по стадиям. Приведены результаты описанных в литературе экспериментальных исследований о составе и концентрации газов, выделяющихся при нагревании углей различных марок. На основе обзора литературных данных сформулированы основные задачи исследования.

Глава 2 «Прогнозирование эндогенной пожароопасности по проявлениям газовыделения» посвящена информационному обеспечению управления технологическими процессами профилактики пожаров на основе приборного контроля концентрации газов в шахтной атмосфере.

Литературные данные об экспериментальном изучении нагрева углей нормированы по значениям максимальных концентраций газов и соответствующих температурах нагрева, которые приняты равными единицам. Выявлены корреляционные связи концентрации каждого газа с температурой и различных газов между собой. Высокие значения коэффициентов корреляции позволяют оценивать эндогенную пожароопасность по концентрации любого из рассмотренных газов. Приоритет должен представляться газам, динамика изменения концентрации которых проявляется на ранних этапах нагревания.

Построены приближенные зависимости концентраций различных газов от температуры нагрева (рис. 2):

С = Та • ехр(Ь - с • Т), (1)

где С - концентрация газов, %;

Т - температура, °С;

а, Ь, с - коэффициенты.

Оценена точность полученных зависимостей.

Известные исследования процессов самонагревания углей и эндогенных пожаров, в том числе экспериментальное изучение взаимосвязи температуры нагревания проб углей с концентрациями выделяющихся газов, а также связанные с ними критерии эндогенной пожароопасности, базируются

на представлении об односвязности температуры нагрева с концентрациями газов. Такое представление противоречит известным данным об изменчивости вещественного состава углей, относящихся к одной марке, и характеру взаимодействия углей с кислородом воздуха.

Анализ экспериментальных данных о лабораторных исследованиях газовыделения при нагреве углей Бз шахт Челябинского угольного бассейна, выполненных в СГИ (УГГГА) под руководством проф. В.В. Дьякова, позволяет сделать вывод о неоднозначности (размытости) взаимосвязи "температура нагрева - концентрация выделяющихся газов". Это является основанием для переоценки представительности предложенных критериев эндогенной пожароопасности. Полученные зависимости C%=f(T °С) следует воспринимать, как качественные взаимосвязи.

Проведен анализ различных критериев, предложенных для оценки опасности эндогенных пожаров. В общем случае все известные критерии (коэффициенты пожароопасности) описываются выражением

ЕС.

и

где Q - концентрации i-ой группы газов (или приращение этих концентраций по отношению к фоновым значениям);

Cj - концентрации j-ой группы газов (или их приращения).

Оценивание эндогенной пожароопасности посредством критериев (пожарных коэффициентов), представляющих отношения концентрации выделяющихся газов, предложено I. Graham и используется до настоящего времени.

Размытость (неоднозначность) концентрации газов, выделяющихся при росте температуры, приводит к искажению представительности таких критериев. Например, критерии К=СО/Н2 при экспериментальном нагреве до одинаковой температуры углей марки Бз шахт Челябинского угольного бассейна различаются в 10 и более раз.

Для оценки опасности самонагреваний углей и эндогенных пожаров предлагается использовать динамические критерии, сочетающие учет концентрации газов, выделяющихся при нагреве, и динамику роста этих концентраций:

м (■Л \

/

/

/ " <

100 200 а) углекислый газ

300 400

100 200 300 400

в) водород (Нг)

200 300

д) этан (С2Н6)

с.% 3 5

т.-с

500

*

'Л

1 \

1 \

! * м

/ \

т.°с

500

100 200 300 400

б) окись углерода (СО)

«

1 ' \

1 "М

/ *

/, \

/

2С0 300

г) метан (СН4)

О 200 300

е) этилен (С2Н4)

400 500

1 * \

1 \

Iя \

У* * \

400 500

Рис. 2. Эмпирические зависимости газовыделения от температуры нагревания угля Б3

«

3 5

Жм =С{+А-

Л

(3)

где С, - измеренное значение концентрации индикаторного газа % , при 1=1,; ДС,,и=СгСм-приращение концентрации индикаторного газа за время

Л^и^-1,-1 - интервал времени между двумя последовательными измерениями концентрации индикаторных газов, ч. Возможно также раздельное использование этого критерия:

X =С.%об 1

м

(1С. % об 1_

(11

(4)

В случае периодического контроля концентрации:

м

АС. % об 1

М

(5)

Глава 3 посвящена изучению возможности использования экспертных оценок при прогнозировании опасности самонагревания углей и эндогенной пожароопасное™. Для оперативной оценки эндогенной пожароопасное™ и корректировки статистических оценок об эндогенных пожарах, используемых при проектных работах, расчете затрат и т.п., предлагается использовать опыт и знания работников предприятия (шахты, объединения). С помощью экспертных оценок решаются, в частности, следующие задачи:

1) корректировка статистических оценок о влиянии горно- геологических и горно-технологических факторов на эндогенную пожароопасность;

2) выявление технологических объектов (лавы, выработки, подготовительные работы, выработанные пространства и др.), наиболее опасных в отношении самонагреваний и пожаров;

3) оперативная оценка эндогенной пожароопасности на шахтах, участках.

Для осуществления экспертного анализа предложено выделить 5 стадий самонагревания, начиная от фоновой температуры до возгорания. Разработана и опробована на шахтах ОАО «Челябинскуголь» программа оценки

экспертами значимости горно-геологических и горно-технологических факторов на опасность самонагревания углей и эндогенных пожаров. Выявлено, что по ряду факторов оценки экспертов отличаются от статистических оценок и последние требуют корректировки. На основе экспертно-статистических систем (ЭСС) разработана программа коррекции статистических оценок о влиянии различных факторов на эндогенную пожароопас-ность.

Корректированная оценка пожарного состояния к-го поля имеет вид: хкор=хм+^^.Г|.(рэ.р«); к=1>2_К1 (б)

где Ык - количество факторов, описывающих к-е поле;

} - максимальное число факторов и их градаций, принятые в методиках прогноза [1, 2];

К - количество рассматриваемых пожарных полей.

Фактическую оценку пожарного состояния к-го поля Х^ можно определить,

используя теоретическую зависимость вероятности возникновения эндогенного пожара в выемочном поле. Зависимость вероятности возникновения эндогенных пожаров от комплекса природных факторов представляет собой аппроксимирующую кривую частоты пожарных полей, распределенных по интервалам изменения безразмерной величины X. Фактическая вероятность

возникновения пожара на к-м поле Р^ с учетом нового пожарного объекта

будет равна:

РкФ=Р(Х-) + ^°Р-^. (7)

Аргумент значения функции (2) Р(Х^) =Р^ можно считать фактической оценкой пожарного состояния к-го поля.

Составим разность Х^ -Х£ор , которая представляет отклонение фактической оценки пожарного состояния к-го поля от предполагаемой, вычисленной с учетом экспертных оценок по формуле (6). Проделав это со всеми пожарными полями, составим сумму квадратов отклонений:

1,1х!

~хк

К = 1 к=\

•л,--X т. ,

к ык Я J.k

уМ~

Р\

(8)

2

Дифференцируя сумму квадратов отклонений по параметрам у . и

приравнивая к нулю производные, получаем систему уравнений относительно этих параметров:

К

I к=1

X?

1 £

т. , =0, ¡=1,2, ...,1 1,к

(9)

Коэффициенты, полученные из решения системы (9), позволяют проводить коррекцию статистических вероятностей возникновения пожара на выемочных полях по отдельным горнотехническим факторам, согласуя экспертные оценки пожарного состояния объекта с информацией о новых эндогенных пожарах.

Трудности практической реализации алгоритма расчета поправочных коэффициентов заключаются в том, что информация о новых пожарных полях неоднородна как по количеству, так и по составу факторов, описывающих эти поля. В результате матрица коэффициентов в системе линейных уравнений оказывается сильно разреженной. Более того, сами ненулевые элементы этой матрицы малы по величине. В общем случае определитель такой матрицы близок к нулю и система оказывается либо несовместной, либо имеет не единственное решение. Однозначное решение может быть получено только в виде наилучшего приближения, когда сумма квадратов «невязок» правой и левой частей уравнений минимальна. Это приближенное решение находится матричным способом с использованием процедуры расчета псевдообратной матрицы коэффициентов уравнений. Алгоритм и программа оценки использованы на шахтах Челябинского угольного бассейна. Разработаны и опробованы алгоритмы и программы обработки экспертных оценок методами бинарных отношений и нечетких множеств.

Проведенные исследования показывают эффективность информации экспертных фупп шахт для прогнозирования эндогенной пожароопасности и

управления технологическими процессами локализации и ликвидации эндогенных процессов.

Четвертая глава диссертации посвящена вопросам представления информации об опасных самонагреваниях углей и эндогенных пожарах для управления технологическими процессами, их прогнозирования, локализации и ликвидации (тушения).

Решение этой сложной научной и технологической задачи возможно лишь при комплексном использовании статистической информации об эндогенных процессах, информации, полученной в результате непрерывного и периодического контроля газовой обстановки (и, косвенно, температурной обстановки) на горно-технологических объектах и информации экспертных групп (рис. 3).

Разработана подсистема управления процессами выделения и ликвидации самонагревания углей и тушения эндогенных пожаров.

Для принятия решения о состоянии пожароопасного объекта ( отсутствие или наличие (стадии) самонагревания) осуществляется сбор, переработка и представление ЛПР информации:

а) приборный контроль газовыделений при самонагревании углей;

б) оценка стадии и характера развития самонагревания углей экспертами;

в) сведения об отклонениях параметров технологического процесса от проектных решений (снижение скорости продвижения горных работ, возрастание мощности разрабатываемого слоя (пласта), изменение режима вентиляции и др.).

При необходимости ЛПР предъявляется статистическая информация.

Для реализации управления на основе информации о выделении газов при нагревании углей УГГТА совместно с ОАО "Челябинскуголь" разработали и завершают реализацию системы приборов непрерывного измерения концентрации газов, выделяющихся при самонагревании углей.

Структура системы сбора и переработки информации о газовыделениях при нагревании углей представлена на рис. 4.

Оценка состояния горно-технологических объектов по данным газового контроля осуществляется ЛПР на основе динамического критерия эндогенной пожароопасности по всем контролируемым газам.

При выработке решений об управлении процессами локализации и ликвидации эндогенных пожаров используется информация, поступающая в

Технологический контроль

Отклонение технологических параметров от

проектных Фактор Проект Факт Отклон

1 Мощность пласта

2. Зольность угля

3. Депрессия

КИЛ - комплект источников питания УПБ • устройство бесперебойного

питания ПУ • печатающее устройство НПО - паспорт пожароопасного объекта

ЛПР - лицо, принимающее решение

Рис. 3. Структура информационного обеспечения в подсистеме управления эндогенными процессами

Рис. 4. Структура реализации автоматизированной подсистемы ликвидацией самонагревания углей на ш. Центральная ОАО "Челябинскуголь" по проявлениям газовыделения

информационный центр шахты (объединения) и представления ЛПР после обработки по разработанным программам и алгоритмам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подземная разработка угольных месторождений сопровождается геодинамическими процессами, среди которых одними из опасных являются самонагревания угольных скоплений и эндогенные пожары. Описано и статистически изучено более тысячи таких явлений на шахтах страны. В результате эндогенных пожаров уничтожены в пластах тысячи тонн угля, потеряны целые участки шахтных полей. Для борьбы с этими явлениями задействованы большие коллективы горноспасателей, значительные денежные и материальные ресурсы. Из-за опасности возникновения эндогенных пожаров во многих случаях усложняется технология подземных горных работ, предъявляются особые требования к системам шахтной вентиляции, креплению горных выработок. Естественно усложняется управление горными работами и процессами.

Для локализации самонагреваний углей и тушения эндогенных пожаров приходится осуществлять специальные технологические процессы (заиливание, изоляция опасных участков и другое), которые нуждаются в управлении.

В связи с этим одной из проблем горной технологии и техники является оценка (прогнозирование) и вьивление на ранних стадиях проявлений опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров, управление их локализацией и ликвидацией.

В Уральской государственной горно-геологической академии исследования этих процессов проводятся в рамках программы "Идентификация геодинамических процессов, их прогнозирование и создание интегрированных информационно-управляющих систем" кафедрами автоматизации производственных процессов, подземной разработкой пластовых месторождений, охраны труда и техники безопасности.

Объектом исследований и реализации технических разработок являются шахты ОАО "Челябинскуголь".

Работа посвящена исследованию опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров как объектов управления. Целью работы является теоретическое обоснование и реализация подсистемы оценки (прогнозирования) опасных самонагреваний угольных скоплений и эндогенных пожаров в АСУ

шахт с целью информационного обеспечения управления технологическими процессами локализации и тушения этих пожаров.

В диссертации обоснована структура подсистемы диагностики и прогнозирования опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров в системе поддержки принятия решений (СПР) по управлению:

а) локализацией и тушением эндогенных пожаров и опасных самонагреваний углей; '

б) проектированием и организацией технологических процессов (технико-экономическое обоснование, технические задания на проектирование технологии и процессов, работ по развитию и реконструкции объектов);

в) выявлением и оценкой опасности на ранних стадиях самонагреваний угольных скоплений и эндогенных пожаров.

Диагностика и прогнозирование эндогенных процессов ( самонагревание, пожары) базируются на статистическом анализе факторов, влияющих на их возникновение и развитие.

Оценка (прогнозирование) опасности эндогенных пожаров осуществляется по концентрациям газов, выделяющихся при самонагревании углей (СО, С02, Н2, 02 и др.), которые коррелированны с температурой нагрева. Концентрации различных газов, выделяющихся при нагреве, коррелированны между собой.

Для эффективной оценки опасности эндогенных пожаров индикаторные газы ранжированы по изменению их концентрации на ранних стадиях. Получены эмпирические зависимости взаимосвязи концентрации газов от температуры нагрева.

Вместе с тем, выявлена размытость (неоднозначность) взаимосвязи концентраций индикаторных газов с температурой, что существенно осложняет оценку опасности самонагреваний углей и возникновения эндогенных пожаров непосредственно по концентрациям выделяющихся газов. Полученные эмпирические соотношения являются качественными оценками.

Выполнен анализ различных критериев, предложенных для оценки опасности возникновения и развития эндогенных пожаров и самонагреваний углей. Предложен динамический критерий оценки опасности самонагреваний и пожаров, позволяющий выявить возникновение этих процессов на ранней стадии.

Исследование динамики газовыделений при нагревании угольных скоплений не выявило аномалии в развитии процесса при температуре 60-80 °С (критическая температура).

Обоснована возможность осуществления прогноза самонагревания углей и эндогенных пожаров методом экспертных оценок. Рекомендуется создание на каждой шахте, а также в объединении экспертных групп с возложением на них следующих обязанностей:

- оперативная оценка опасности возникновения и развития процессов самонагревания углей и эндогенных пожаров;

- выделение и ранжирование по степени эндогенной пожароопаспости технологических объектов шахт;

- обоснование необходимых коррекций статистических оценок об эндогенных проявлениях;

- участие в экспертизе причин возникновения эндогенных пожаров и опасных самонагреваний.

Разработан алгоритм обработки, внесения в информационные банки и предъявления ЛПР экспертных оценок. Обработка экспертных оценок производится методом бинарных отношений и нечетких множеств. По данным экспертиз прелагается осуществлять корректировку статистических оценок, предъявляемых при выполнении проектных работ, работ по развитию шахт и участков, их реконструкции. Корректировка осуществляется по разработанной методике и программе.

Разработаны вопросы технической реализации подсистемы прогнозирования опасных самонагреваний углей и эндогенных пожаров. Обработка и предъявление ЛПР информации осуществляется в рамках системы поддержки принятия решений. Прогнозирование осуществляется анализом комплекса статистических данных о факторах, определяющих опасность, результатов непрерывного и периодического контроля проявлений газовыделения и экспертных оценок опасности возникновения и развития эндогенных процессов.

На основе прогноза эндогенной пожаропасности горно- технологических объектов принимается решение о состоянии объектов и организуется управление технологическими процессами локализации и ликвидации опасной ситуации.

Вся информация о проявлениях самонагревания углей и эндогенных пожарах накапливается в информационных банках АСУ. По каждому объекту разрабатывается Паспорт объектов эндогенной пожароопасности.

В результате проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Концентрации газов, выделяющихся при нагревании углей, корре-лированы между собой, что позволяет оценивать эндогенную пожароопас-

ность по динамике любого из них. Концентрации газов коррелированы с температурой нагрева углей. Наиболее высокие коэффициенты корреляции установлены для СО (0,8-0,86), Ог (0,89) и т.д. Проведено ранжирование газов, выделяющихся при нагревании углей, по фактору наименьшей температуры, при которой это выделение начинает проявляться.

2. Используя известные экспериментальные данные (ВостНИИ, НИИ-ОГР, УГТГА), получили математические зависимости, связывающие концентрации газов в шахтной атмосфере с температурой нагрева. При этом данные экспериментов нормализованы. Оценена точность полученных зависимостей (относительное отклонение дисперсии в пределах 0-11%, среднеквадратиче-ское отклонение - не выше 9,4%).

3. Ввиду нестабильности углей по вещественному составу и взаимодействию с кислородом воздуха соотношения "концентрации газов-температура" неоднозначны (размыты), что должно быть учтено в системе поддержки принятия решений об опасности возникновения самонагреваний углей и пожаров.

4. Доказано, что применение для прогнозирования самонагревания углей и опасности эндогенных пожаров критериев, представляющих отношения концентрации газов, не позволяет исключить влияние горногеологических и горно-технологических факторов. Высокая корреляция концентрации различных газов при нагреве углей приводит к нецелесообразности использовать в качестве критерия суммы (разности) этих концентраций.

5. При оценке (прогнозировании) опасности возникновения, развития эндогенных пожаров рекомендуется использование динамических критериев эндогенной пожароопасности, учитывающих как величину концентрации индикаторного газа, так и динамику (производную) изменения (возрастания) концентрации. В системе поддержки принятия решения учитываются величины и скорости возрастания концентрации всех контролируемых газов.

6. Исследование зависимостей C%=f(T °С) не привело к выделению аномалий в зоне «критическая температура» (60-80 °С). Экстремумы производных (первая - третья) имеют место при температурах нагрева углей свыше 180 °С. Вместе с тем, на основе многочисленных суждений специалистов уровень температуры самонагревания, равный 60-80 °С, может определяться как экспертная оценка (выскоопасно) границы самонагревания углей, после достижения которой невозможно естественное (без осуществления управляющих воздействий) возвращение к фоновой температуре.

7. Обосновано применение для управления технологическими процессами локализации и ликвидации самонагревания углей и эндогенных пожаров экспертных оценок. Рекомендуется создавать на шахтах (объединениях) постоянно функционирующие экспертные группы. Для оценок экспертами пожароопасного состояния шахтных объектов пространство от фоновой температуры до возгорания разделяется на области, характеризуемые лингвистическими переменными. Обработка результатов экспертизы и предъявление их ЛПР осуществляется методами бинарных отношений и нечетких множеств. Методика реализована для оценки эндогенной пожароопасное™ шахт Челябинского угольного бассейна.

8. Разработана методика и программа коррекции статистических оценок о влиянии различных горно-геологических и горно-технологических факторов на опасность возникновения и развития самонагревания углей и эндогенных пожаров по данным экспертизы в рамках экспертно-статистических систем. Проведена коррекция статистических оценок по шахтам ОАО "Челябинскуголь".

9. Принятие решений о пожарном состоянии объекта и управление технологическими процессами локализации и ликвидации самонагреваний углей и эндогенных пожаров осуществляется комплексно, на основе:

- статистических данных о факторах, определяющих пожароопасность;

- непрерывного и периодического контроля проявлений газовыделений всех контролируемых газов, по динамическим критериям эндогенной пожа-роопасности;

- экспертных оценок опасности возникновения и развития самонагреваний углей и эндогенных пожаров.

Информация о проявлениях самонагреваний углей и эндогенных пожарах сосредоточивается в информационных банках АСУ шахт (объединения) и по каждому горно-технологическому объекту сводится в Паспорт объектов эндогенной пожароопасности.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Лапин С.Э., Матвеев В.В., Катугина Е.С. Информационное обеспечение по техническим средствам определения газового состава воздушных потоков вентиляционной сети шахты // Научно-техническая конференция "Системы и средства контроля состояния шахтной атмосферы": Тез. докл. -Екатеринбург, 1995.- С.9-10.

2. Лапин Э. С., Матвеев В.В., Катугина Е.С., Гралэвски К. Об особенностях систем контроля взрыво и пожароопасности на шахтах опасных по выбросам // Научно- техническая конференция "Системы и средства контроля состояния шахтной атмосферы": Тез. докл. - Екатеринбург, 1995.-

3. Лапин Э.С., Матвеев В.В., Катугина Е. С., Лядский В.Л. О структуре системы пожаро и взрывоопасности на шахтах опасных по внезапным выбросам // Международная конференция по автоматизации в горном деле: Тез. докл. - Гливице, 1995. - С.7-10

4. Матвеев В. В. Методы и средства индексации эндогенной пожароопасности. М., 1996. - 66 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.11.96, N 3405.В96

5. Матвеев В.В. Эмпирические зависимости изменения газового состава воздуха от температуры при нагревании угля различных марок // Изв. вузов. Горный журнал. - 1996. - N12. - С.64-68.

6. Матвеев В. В. Прогнозирование и обнаружение эндогенной пожароопасности по проявлениям газовыделения. -М., 1997. - 61 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.09.97, N2866-697.

7. Матвеев В. В., Казаков Ю. М. Экспертно-статистический метод корректировки прогноза эндогенной пожароопасности на угольных шахтах // Известия вузов. Горный журнал,-1998.- N1-2.-0.108-111.

8. Матвеев В.В. Критерии оценки самонагревания угольных скоплений по газовому составу воздушной среды // X Межотраслевое координационное совещание по проблемам геодинамической безопасности: Материалы совещания. - Екатеринбург. 1997. - С. 285-290.

9. Матвеев В. В. Оценка эндогенной пожароопасности с учетом динамики концентрации выделяющихся газов // Известия вузов. Горный журнал.

С.15.

- 1998.-N4-5