автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование и разработка предложений по повышению эффективности работы механизированных комплексов с учетом фактора окружающей среды

Тб О5

. „ ДО «98

На правах рукописи

ЕВГЕНИЙ ПАВЛОВИЧ МИЛЕШИН

УДК 622.284:622.47:331.015.827

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ

ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.05.06 - «Горные машины»

05.26.01 - «Охрана труда»

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

МОСКВА 1998

Работа выполнена на Прокопьевском заводе шахтной автоматики (ПЗША)

Научный консультант

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор

Ю Н Захаров

- доктор технических наук, профессор

Л.И. Кантович

- кандидат технических наук, ст научный сотрудник

Б.И Басовский

Ведущая организация

-КУЗНИУИ

со

Защита диссертации состоится ( И_1998г в '/^ часов

на заседании диссертационного совета Д 053.20.01 при Московском государственном открытом университете по адресу.

129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Автореферат разослан «

ш.

ло

1998г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Т.А. Ткачева

кандидат технических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность работы угледобывающих комплексов и другого горношахтного оборудования, помимо общеизвестных факторов, в значительной степени определяются условиями видимости.

Непрерывное или периодическое перемещение в пространстве рабочих мест и пунктов установки оборудования снижает надежность работы оборудования и повышает вероятность ошибочных действий людей.

Снижение эффективности использования горных машин и увеличение опасности в подземных выработках происходит и потому, что имеется дополнительная специфическая причина - сложные условия видимости, связанные с низкими уровнями освещенности, низкими коэффициентами отражения поверхностей, низкими контрастами объектов наблюдения с фоном, с наличием в шахтной атмосфере пыли или пыли с частицами воды при отбойке угля с орошением По многочисленным отечественным и зарубежным данным только ухудшение условий видимости приводит к снижению производительности горных машин на 10 - 60 % при одновременном снижении безопасности труда горнорабочих.

Вопросам обеспечения комфортных и безопасных условий работы .'•механизированных комплексов в ходе их создания постоянно уделялось и уделяется пристальное внимание, как ученых, так и разработчиков. Большой зклад в этом направлении внесен Бреннер В.А., Дмитрюк Ю.А.,Кантович Л.П., Красниковым Ю.Д., Крашкиным И.С., Мышляевым Б.К., Старичневым В.В. и многими другими. Решая вопросы повышения эффективности работы горных машин и механизированных комплексов их создатели постоянно учитывают влияние окружающей среды, ее факторов, таких как: запыленность и влажность, которые сказывают влияние и на эффективность работы осветительных установок.

Вопросами исследования систем освещения, улучшения условий видимости занимались многие исследователи в нашей стране и за рубежом Существенный вклад в решение данной проблемы внесли отечественные ученые К.В.Васильев, Н.Б.Мачуговский, П.И.Тыртышный, А.И.Хитов, Н.А Михедов и др.

Работы по созданию осветительных установок выполнялись ИГД им. А.А.Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ВФ ГУА. Однако большинство из известных разработок выполнялись с ориентацией на отдельные, как правило уже существующие, световые приборы. С помощью весьма ограниченных средств решались локальные задачи, что не в полной мере соответствует решению проблемы в целом.

В настоящее время разработаны и выпускаются промышленностью, кроме широко используемых головных аккумуляторных светильников, сетевые светильники, фары и другие светотехнические изделия, разработаны нормы уровней освещенности, предложены способы учета запыленности шахтной атмосферы в расчетах освещенности. Вместе с тем не изучено влияние шахтной атмосферы на изменение формы фотометрического тела излучателя, не в полной мере исследовано влияние атмосферы на видимость объектов. Требуют дальнейшего развития и систематизации методы светотехнических расчетов и системы построения осветительных установок забоев с механизированными комплексами.

Цель работы. Исследование и разработка предложений по повышению эффективности работы механизированных комплексов с учетом фактора окружающей среды.

Идея работы заключается в комплексном подходе к созданию осветительных установок с учетом параметров механизированных комплексов и окружающей среды.

Задачи исследований.

исследование конструкций, параметров механизированных комплексов и рабочих мест, как объектов освещения;

разработка общих принципов построения осветительных установок для.механизированных угледобывающих комплексов;

экспериментальные исследования эффективности работы осветительных установок механизированных комплексов в лабораторных и шахтных условиях,

разработка математической модели светотехнической установки с учетом влияния параметров окружающей среды и геометрии забоев;

разработка методики и рекомендаций по созданию осветительных установок механизированных комплексов.

Научные положения, защищаемые в диссертации.

1. Теоретические основы учета оптических свойств шахтной атмосферы в светотехнических расчетах и влияния оптических параметров на изменение фотометрических тел излучателей

2. Математическая модель фотометрических тел излучателей, представленных на плоскости в виде кривых светораспределения. учитывающая параметры среды и механизированных комплексов

3. Система освещения для механизированных угледобывающих комплексов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается; корректным использованием апробированных методов оптики атмосферы, аэрологии, а также хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов (в пределах 80-85%)

Научная новизна работы заключается в следующем;

1. Предложена комплексная оценка эффективности освещения механизированных комплексов, учитывающая параметры шахтной атмосферы и геометрические параметры забоев и комплексов,

2. Установлены закономерности изменения фотометрического тела и кривых сил света светильников в условиях забоя с механизированным комплексом.

3. Установлены рациональные светотехнические характеристики светотехнического оборудования для механизированных комплексов.

4. Разработана математическая модель, учитывающая комплексное влияние окружающей среды и параметров механизированных комплексов

5. Установлена зависимость порогового контраста в интервале яркостей фона в шахтах от Ю-4 до 10°вд/м2.

6. Установлена зависимость для определения необходимой мощности источника света, которая учитывает свойства шахтной атмосферы.

Практическое значение работы и ее реализация.

1. На основе выполненных исследований, Прокопьевским заводом шахтной автоматики освоено и выпускается светотехническое оборудование, которое устанавливается на механизированных комплексах и подземном транспорте.

2. Использование в эксплуатации выпускаемого светотехнического оборудования позволило в значительной степени повысить эффективность и улучшить условия труда на мехацизированных комплексах и подземном транспорте.

3. Разработаны «Методические указания. Методы расчетов и оценки светотехнических характеристик шахтных осветительных установок» РД 12.48.106-86; используемые при проектировании горных машин.

Апробация работы. Основные положения работы на разных этапах выполнения докладывались на отраслевых совещаниях по проблемам улучшения условий труда (г. Прокопьевск, 1983г., г. Люберцы, 1985г), на ученых семинарах отделения электрификации института горного дела им. A.A. Скочинского (г, Люберцы, 1984г., 1987г.), технических совещаниях в Министерстве угольной промышленности СССР, посвященных проблемам разработки нового оборудования для горных машин (г. Москва, 1984г., 1985г.. 1987г., 1988г.), научно-технических семинарах, проводимых фирмой «Сименс» по взрывобезопасному электрооборудованию (г Прокопьевск, 1993г., г. Новокузнецк, 1994г.), XXXI научно-технической конференции Московского государственного открытого университета. М. 1997г.

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, в т ч 9 авторских свидетельств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа работ по влиянию освещения на производительность и безопасность труда сформулированы задачи исследований.

Как показал анализ, большинство ранее проведенных работ были направлены на создание осветительных установок и световых приборов для основных выработок; приборов индивидуального пользования - головных аккумуляторных светильников. Лишь ограниченное число работ касается создания осветительных установок для механизированных угледобывающих комплексов (Хитов А.И., Мачуговский Н.Б., Михедов Н.А и др.). В работе Хитова А.И. предлагается в светотехнических расчетах учитывать оптические характеристики шахтной атмосферы. Вместе с тем отсутствуют рекомендации по созданию законченной методики расчетов, не проанализировано влияние оптических характеристик шахтной атмосферы на изменение фотометрических тел. В связи с этим не представлены кривые силы света, которые могли бы обеспечить нормируемые уровни освещенности. Другие работы посвящены вопросам нормирования и создания осветительных установок на основе выпускаемых световых приборов, которые создавались из принципа обеспечения их взрывобезопасности.

Во второй главе приведены результаты исследований конструкций и параметров механизированных комплексов и рабочих мест, как объектов освещения. Проведенный, с точки зрения определения возможных мест установки светильников, анализ показал, что разнообразные конструктивные решения накладывают серьезные ограничения на выбор мест установки светильников.

Основные ограничения следующие:

шаг установки секций крепи;

- ширина по перекрытию;

• высота крепи;

- расстояние от передней консоли перекрытия до переднего края стоек;

- геометрические размеры стоек;

- возможность в процессе эксплуатации изменить высоту крепи.

С учетом ограничений, связанных с шагом установки секций и высотой крепей сделан выбор возможных мест установки светильников. Учет остальных ограничений возможен лишь с помощью светильников, имеющих специальные фотометрические поверхности.

В работе сделан также и анализ среды - шахтной атмосферы, в которую при работе механизированного комплекса выделяется значительное количество пыли. По характеру пылеобразования все источники делятся на первичные и вторичные. К первичным источникам относятся технологические процессы, непосредственно связанные с разрушением угля и пород Ко вторичным источникам относятся процессы взметывания осевшей пыли в результате воздействия вентиляционной струи, конвейеризации горной массы, передвижки

секций механизированной крепи и т.д. В механизированных очистных забоях работа комбайна обусловливает выделение в атмосферу до 86% пыли Естественно, что наибольшая запыленность наблюдается у рабочего места машиниста комбайна На рис.1 показано изменение концентрации пыли по длине лавы.

Пыль от комбайнов и в целом из очистных забоев уносится вентиляционными потоками на значительные расстояния. Наличие угольной пыли в шахтной атмосфере изменяет ее оптические характеристики

В работе дана характеристика системам искусственного освещения. Во всех случаях, когда зрительная задача связана с необходимостью различия объектов, контраст которых с фоном мал, целесообразно прибегать к устройству системы комбинированного освещения. Поверхности угольных шахт, используемых машин и механизмов имеют низкие коэффициенты отражения, что создает низкие контрасты объема с фоном. Относительно низкие нормируемые уровни освещенности и наличие в шахтной атмосфере пыли заметно повышают пороговый контраст В результате снижается видимость объектов. Сказывается на видимость и вуалирующий эффект атмосферы

Рабочие места непрерывно перемещаются, что налагает дополнительные трудности к устройству осветительных установок. Но вместе с этим историческое развитие техники искусственного освещения подземных выработок благоприятствует применение систем комбинированного освещения. В качестве светильников местного освещения используются головные аккумуляторные светильники, обладающие высокой мобильностью Такая комбинированная система может использоваться и в дальнейшем.

Следует обратить внимание, что головные светильники не выпускаются во взрывобезопасном исполнении. Решение этой задачи также позволит повысить эффективность использования машин и увеличить безопасность

Изменение концентрации пыли по длине лавы, при выемке угля комбайном по направлению движения воздуха

С/С мах

1,2 - концентрация пыли (70 мкм) соответственно на первой и второй дорогах;

3 - то же на первой дороге (пыль размером менее 10 мкм);

4 - линия замещения распределения концентрации по первой дороге.

Рис. 1

В третьей. главе предлагается точечный метод светотехнических расчетов для условий забоев с механизированными угледобывающими комплексами

В общем случае для атмосферы переменной плотности освещенность Е от точечного светящегося элемента с симметричным светораспределением определяется по приведенному выражению (рис.2)

Е = * - ■ cos в ± L ^ в\ 0>

h к { h )

где Е -освещенность, лк,

/,,-сила света по направлению <р, кд;

9 -угол наклона расчетной плоскости по отношению к плоскости, перпендикулярной оси симметрии светящегося элемента,

<р -угол между направлением силы света к расчетной точке и осью симметрии светящегося элемента,

h -от светящегося элемента до горизонтальной плоскости, проходящей через расчетную точку, М,

Р -кратчайшее расстояние от проекции оси симметрии светящегося элемента на горизонтальную плоскость до следа пересечения последней с расчетной точкой, М,

к -коэффициент запаса,

а-коэффициент ослабления светового потока атмосферой, S -расстояние до освещаемой точки, М Для атмосферы постоянной плотности:

е = , - .(cose ±4--sine) (2)

При расчете освещенностей горизонтальных поверхностей (9=0°) и вертикальных поверхностей (0=90°) выражение (2) будет иметь следующий вид

К расчету освещенности от точечного • светящегося элемента с симметричным светораспределением

Рис. 2.

»,/> сов3?

Ь2*

,, с 1ш ССЙ <Р ,п/

" й -- —--а /»

Ь2 *

1а СОБ3? 1т СОв3* I/

СО$ ф - -—- I - --- - - £ /ООН ф

где

/7 * // *

г - коэффициент пропускания на расстоянии Э. г=еа* т0 - коэффициент пропускания при <р =0

ЕВ - Е г

Р_

(3)

(4)

Проведена проверка условий применения метода Определено, что даже при незначительной запыленности (единицы мг/м3) при расстоянии более 30м до освещаемых или излучающих объектов происходит существенное изменение светотехнических показателей (на 10% и более). Таким образом, для расчетов осветительных установок механизированных угледобывающих комплексов метод может применяться без ограничений

Получены и построены номограммы для расчета коэффициентов пропускания шахтной атмосферы г В качестве примера на рис 3 приведена характерная номограмма

Номограмма для расчета коэффициентов пропускания шахтной атмосферы г (интервал значений 0,002-0,800).

дрз ГШвапр г з * в ег8з/(У е з ^ 56 Рис. 3.

Проведена оценка видимости в условиях шахт Показано что из-за вуалирующего эффекта и поглощения светового излучения атмосферой интенсивность зрительного восприятия резко снижается Во многих реальных случаях горнорабочий ведет работы практически вслепую, например, машинист комбайна с расстояния более 3 м при уровнях запыленности более 'ООО мг/м3 Предлагается учитывать это обстоятельство при оценке эффективности системы пылеподавления

В работе предложена эмпирическая зависимость для определения порогового контраста при яркости фона 1Ф<10° (условия шахты)

а

К пор = 7 гг+

(у-«) <5>

где у - угловой размер объекта, угл мин .

а, в, с, с1- постоянные коэффициенты, которые приведены в табл.1.

Результаты расчетов Кпор по (5) показывают хорошую сходимость с опытными данными, полученные Блэкуэллом и Зидентопфом

Таблица 1

Значения эмпирических коэффициентов для определения порогового контраста

L0 кд/м2 а в С d

10"' 950 0 2,12 0,310

10° 200 0 1,90 0,066

10"2 24 - 0,23 1,60 0,030

10"1 6 0,10 1,60 0,010

10° 1,45 0 1,40 0,007

В четвертой главе проведены аналитические исследования фотометрических тел световых приборов. Сделан вывод, что оптические характеристики шахтной атмосферы существенно изменяют формы фотометрических тел излучателей и тем больше, чем выше коэффициент ослабления атмосферы. Вместе с тем, в отличие от других выработок, для. забоев с механизированными комплексами регламентируются уровни освещенности (£), как для горизонтальной плоскости (почва), так и для вертикальной плоскости (грудь забоя). Кроме этого устанавливается коэффициент неравномерности освещенности 8.

F

5 ™ ,п ^ Л -1

= —-£ 0,2 (6)

так

Таким образом, светильники для механизированных комплексов должны иметь светотехнические характеристики, удовлетворяющие поставленным условиям.

С этой целью предложена математическая модель осветительной установки механизированного комплекса.

В общем виде для одного светильника модель представляет собой функцию трех аргументов:

Е-Л^Б.т) ,7>

Вместе с тем освещенность в точке является суммой освещенностей от нескольких светильников

Е = £, + Ег+..л Е„ (8)

В светотехнической практике принимается радиус действия светильников «23. Соответствующие поясняющие схемы приведены на рис 4 Таким образом количество светильников, от которых рассчитывается освещенность заданной точки принимается не более пяти. Если принять, что два из трех аргументов (7) имеют определенные значения, тогда математическая модель принимает вид сходимого функционального ряда

и1(х) + и2(*)+"+и„{х) (9)

где Щх), и2(х). - члены ряда, суть функции одного и того же аргумента х. определенные в некотором промежутке

Схема расположения светильников

Проведя ряд преобразований, основанных на применении относительных расстояний, зависимости (2) и перехода к расчету Ег точек от нескольких светильников можно предложить несколько выражений.

10

I

Для расчета Ег от светильников, высота установки которых отличается от единичной (например точки А-, и 8?)

3 „А2 .2 А2 А2 ,А2 СОЭ <Р1 <3 У>1

'ЗУкр )

'Н

'кр

(Ю)

М С05 (р4

<Р4

рВ2 Ег

\В2

ч>ь

кр

(где>$2 2 I г уд

3 В2 . 2 В2 ,В2 СОб <Р1 Ч>1

*ЯЧ>кр /д/р?г соге»?

<Р1

Ъ2<Ркр

гуд

(11)

3 В2 ,2 В2 [д <Р5

[Я2(Ркр

I '"кр I

[ соэ^21

гуд

В частном случае, когда высота установки светильников равна единичной (например, точки А, В;).

А

С05(р"

■ уд

С03(Р4-туд

(12)

: В

1В '<р1

о

СОЭф^ ■

1/

уд

■1р5'соз,р5 Гуд

Расчет вертикальной освещенности Ее ведется с учетом (4).

Используя предложенные модели, и вводя в них дискретные числовые значения (для исключения неопределенности двух аргументов), с помощью вычислительной техники произведены расчеты распределения уровней освещенности и в конечном итоге по (6) коэффициента неравномерности освещенности Оценив полученные результаты с точки зрения энергетической эффективности, сделан выбор кривых сил света, которые могут быть рекомендованы для светильников механизированных комплексов (рис.5).

Полученные результаты используются и для определения условий применения кривых сил света, представленных в работе в виде соответствующих графических материалов. В качестве источников света в светильниках с предложенными кривыми силами света могут использоваться как лампы накаливания, так и газоразрядные лампы различных мощностей. Для определения необходимой мощности источника света предлагается следующая зависимость:

(13)

4-

Р = ,-^-Г. (14)

у!се 1и.с ' 1 атм

У

Рекомендуемые кривые силы света условного светильника (относительные единицы)

а) для больших относительных расстояний и высоких коэффициентов пропускания шахтной атмосферы т>0,6

б) для небольших относительных расстояний Л<1,8 и пониженных коэффициентов пропускания шахтной атмосферы г<0,6

Рис.5.

где Р мощность источника света, Вт;

■ световой поток светильника, Лм; П,„ к.пд светильника,

г|„с - световая отдача источника света, Лм/Вт; Пати- доля светового потока светильника, прошедшего слой шахтной атмосферы до освещаемой поверхности

В пятой главе приведены предложения по повышению эффективности и безопасности работы забоев с механизированными комплексами На основе комплексного решения предлагается комбинированная система освещения: общее освещение • сетевые светильники, местное освещение - индивидуальные аккумуляторные светильники повышенной мощности и имеющие фокусирующие устройства Такая система освещения позволит снизить первоначальные затраты и будет иметь относительно небольшие эксплуатационные затраты, в тем числе и по энергопотреблению С целью реализации этих предложений Прокопьевским заводом шахтной автоматики разработаны и освоены два типоразмера сетевых светильников типа СЗВ СЗВ 1.2м и СЗВ 1.3м (рис.6), «етыре типоразмера сетевых светильников типа СШЛ: СШЛ 101,-СШЛ 1.02; СШЛ 2.01, СШЛ 2.02 (рис.7.8) В качестве индивидуального светильника предлагаются разработанные светильники на базе аккумуляторных батареи доливного типа емкостью 14а ч

Светильник забойный взрывобезопасный СЗВ 1.2м, СЗВ 1.3м, с пампой накаливания 60Вт и компактной малогабаритной люминесцентной лампой КЛ7/ТБЦ соответственно.

Рис. 6.

(разработана и выпускается ПЗША), на базе аккумуляторной батареи герметичного типа емкостью 13а.ч. (разработана и идет подготовка производства к серийному выпуску) Также ПЗША разработана новая фара с фокусирующим устройством Учитывая, что в забоях с механизированными комплексами особо сложные условия работы Прокопьевским заводом шахтной автоматики совместно с МакНИИ разработан головной аккумуляторный светильник во взрывобезопасном исполнении, который в настоящее время выпускается ПЗША (рис.9)

Наряду с разработкой светотехнического оборудования для механизированных забоев в процессе выполнения работы были найдены решения для создания серии мощных хорошо сфокусированных электровозных фар серии ФРЭ, которые в настоящее время также выпускаются Прокопьевским заводом шахтной автоматики

Разработанные в процессе выполнения работы номограммы и графики рекомендуются использовать для проектирование осветительных установок в целом

С целью дальнейшего углубления работы даются предложения пс расширению номенклатуры световых приборов

Светильник шахтный люминесцентный взрывобезопасный СШЛ1-01. СШЛ1-02 с одной компактной малогабаритной люминесцентной лампой.

Рис. 7.

Све тильник шах тн ый л юми нес це н тн ый взр ывобезопасн ый С ШЛ 2-07, С ШЛ 2-02 с двумя малогабари тн ыми к о мпак тн ыми л юми нес це Him ыми

ла мпа ми .

Рис . 8.

Светильник головной аккумуляторный взрывобезопасный НГР

Рис. В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи -исследование и разработка предложений по повышению эффективности работы механизированных комплексов с учетом фактора окружающей среды.

Результаты исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Анализ конструкции механизированных комплексов позволил выявить факторы снижения производительности из-за ограничений по созданию осветительных установок, обеспечивающих эффективность и безопасность их работы.

2. Установлены закономерности изменения фотометрического тела и соответственно кривых сил света светильников в условиях забоя с механизированными комплексами. В частности показано, что эти изменения являются функцией расстояния, а не времени.

3. Рассчитаны номограммы изменения коэффициента пропускания шахтной атмосферы от показателя ослабления и расстояния до освещаемого объекта.

4. Разработана математическая модель забоя и осветительной установки, объединяющая параметры механизированного комплекса, оптические показатели среды и осветительных установок, позволяющая определить требования к световым приборам.

5. Экспериментально в условиях ряда шахт Кузбасса подтверждены результаты теоретических исследований осветительных установок. Сходимость результатов не менее 80%

6. На основе комплексного решения задачи, в которой учтены механизированный комплекс, окружающая среда и осветительная установка, предложена комбинированная система освещения, состоящая из системы общего освещения на основе сетевых светильников и местного освещения на основе индивидуальных аккумуляторных светильников с повышенными характеристиками. Такая система освещения обеспечивает относительно небольшие первоначальные и эксплуатационные затраты, включая снижение энергопотребления в 1,5^3 раза

7. Разработана и выпускается на Прокопьевском заводе шахтной автоматики гамма сетевых световых приборов для механизированных комплексов.

8. Разработаны и выпускаются взрывобезопасные аккумуляторные светильники. Разработаны светильники с повышенной емкостью аккумуляторных батарей и фокусирующим устройством.

9. Методы расчета, выбор световых приборов и построения осветительных установок применимы и для других выработок' шахт, других видов горношахтного оборудования, например электровозов.

Основные положения диссертации публикованы в следующих работах

автора:

I. Качественные характеристики шахтных осветительных установок. Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского. Выпуск 193. Повышение эффективности и качества электроснабжения угольных предприятий. М., 1980, с.78-80.

2 К выбору класса светораспределения и относительных расстояний между светильниками для механизированных угледобывающих комплексов. Научные сообщения ИГД им. А.А Скочинского выпуск 203. Вопросы электрификации предприятий угольной промышленности, М., 1981, с.87-91,

3. Методы светотехнических расчетов в условиях угольных шахт. Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского выпуск 210. Повышение эффективности и качества электроснабжения угольных шахт и разрезов. М , 1982, с. 117-123.

4. Выбор типовых кривых силы света светильников для механизированных угледобывающих комплексов. Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского выпуск 231. Повышение эффективности и качества электроснабжения угольных шахт и разрезов. М., 1982, &125-133. Соавторы: Хохлов В.Н. и др.

5. Способ заряда аккумуляторной батареи и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство №886140, Москва, 1981. Соавторы: Козелков Л.В. и др.

6. Устройство для заряда аккумуляторных батарей. Авторское свидетельство №1218886, Москва, 1985 Соавторы: Безруков В.Ф. и др.

7. Устройство для заряда аккумуляторных батарей. Авторское свидетельство №1218887, Москва, 1985. Соавторы: Безруков В.Ф. и др.

8. Взрывобезопасный головной аккумуляторный светильник. Авторское свидетельство №1241009, Москва, 1986. Соавторы: Мачуговский Н.Б. и др.

9. Устройство для искробезопасного питания нелинейных нагрузок. Авторское свидетельство №1285829, Москва, 1986. Соавторы: Назаров Г.А. и др.

10. Устройство взрывозащиты нагревающихся элементов рудничного электрооборудования. Авторское свидетельство №1320456, Москва, 1987. Соавторы: Коптиков В.П. и др.

II. Устройство для искробезопасного питания нелинейных нагрузок. Авторское свидетельство №1347572, Москва, 1987. Соавторы: Мачуговский Н.Б. и др.

12. Устройство для заряда аккумуляторных батарей. Авторское свидетельство №1403219, Москва, 1988. Соавторы: Хохлов В.Н. и др.

13. Устройство для обеспечения искробезопасности электрических цепей прямого тока. Авторское свидетельство №1425353, Москва, 1988. Соавторы: Новиков A.A. и др

14. Формирование процесса добычи комплексно-механизированных лав. В кн Ю.Д. Красников и др. Стабилизация работы участков горных предприятий. М. Недра, 1995, с.43-63

15. Методы и средства исследования динамики процесса добычи полезных ископаемых. В кн. Ю.Д. Красников и др. Стабилизация работы участков горных предприятий. М., Недра, 1995. с.64-90.

16. Условия освещения в шахте как внешняя характеристика сферы В кн. Ю.Д. Красников и др. Стабилизация работы участков горных предприятий М., Недра. 1995, с.29-37

17. Оценка влияния освещенности рабочих мест на производительность механизированных угледобывающих комплексов. В кн. Тезисы докладов XXXI научно-технической конференции МГОУ, М., 1997, С95-96

Отпечатано п полиграфооъединешш г. Прокопьевска пр. Шахтерок, 4

5аь 12327 Тираж 100 экз

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Московский государственный открытый университет

На правах рукописи ЕВГЕНИЙ ПАВЛОВИЧ МИЛЕШИН

УДК 662.284:622.47:331.015.827.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ

ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.26.01 - «Охрана труда»

Москва

1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение.........................................................................................4

1. Состояние вопроса и задачи исследований....................................7

1.1. Система "человек - машина - окружающая среда".................7

1.2. Влияние освещения на производительность и безопасность труда в механизированных забоях...........................8

1.3. Анализ способов и средств освещения механизированных комплексов......................................................................................10

1.4. Цель и задачи исследований...................................................14

2. Исследование конструкций и параметров механизированных комплексов для пологих пластов и рабочих мест, как

объектов освещения........................................................................15

2.1. Компоновочные схемы комплексов для пологих

пластов............................................................................................15

2.2. Анализ и выбор возможных мест установки светильников

на механизированных крепях для пологих пластов......................18

2.3. Пылеаэродинамика очистных выработок на пологих пластах угольных шахт...................................................................24

2.4. Системы искусственного освещения......................................30

3. Методы светотехнических расчетов и оценки видимости в условиях угольных шахт.................................................................34

3.1. Оптические характеристики шахтной атмосферы.................34

3.2. Анализ существующих методов светотехнических расчетов...........................................................................................36

3.3. Точечный метод расчета с учетом прозрачности шахтной атмосферы.......................................................................................45

3.4. Видимость освещаемых объектов...........................................49

3.5. Видимость излучающих объектов..........................................61

3.6. Определение пороговой контрастности при низких уровнях яркостей фона...................................................................66

4. Исследование, расчет и выбор типовых кривых сил света............70

4.1. Расчет и предварительный выбор типовых кривых

сил света..........................................................................................70

4.2. Анализ и выбор типовых кривых сил света...........................75

4.3. Исследования и выбор мощности источника света................111

5. Предложения по повышению эффективности и безопасности работы механизированных комплексов.........................................119

5.1. Предложения по разработке системы освещения..................119

5.2. Предложения по обеспечению безопасности.........................119

5.3. Разработка технических средств.............................................121

5.4. Область применения разработок.............................................134

5.5. Предложения по дальнейшему использованию

результатов работы.........................................................................139

Заключение.....................................................................................141

Список литературы.........................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

В результате технического перевооружения угольных шахт на основе внедрения новой техники и технологии ведения горных работ, в том числе высокопроизводительных очистных комплексов, возрастает нагрузка на забой, увеличивается скорость продвижения забоев, образуется значительное количество пыли и её выделение в атмосферу горных выработок [1].

От человека, работающего под землёй с современной машиной, требуется высокий уровень знаний, способность к длительному сосредоточению внимания, умение ориентироваться в большом объёме информации, правильно оценивать её, своевременно реагировать в ненормативных кризисных ситуациях.

Дополнительные трудности, порождаемые природными факторами, при подземной добыче угля (горное давление, геологические нарушения, внезапные выбросы пород и газов, ограниченность рабочего пространства, отсутствие естественного освещения и т.д.) требуют принятия соответствующих мер по улучшению условий труда и повышению безопасности.

Зрительный анализатор является основным источником информации человека во всех процессах его деятельности. Зрительная информация составляет около 90% всей информации получаемой человеком [2]. Отсюда справедлив вывод о том, что снижение эффективности использования машин и увеличения опасности в подземных выработках происходит и потому, что имеется дополнительная специфическая причина - сложные условия видимости. Эта причина обусловлена низкими коэффициентами отражения поверхностей, низким контрастом объектов наблюдения с фоном, наличием витающей пыли в шахтной атмосфере. Трудно оценить ко-

личественно влияние этой причины на происшедшие аварии и травмы. Но практически в каждом случае имеется элемент, определяющий ухудшение условий получения информации через зрительный анализатор или же, в худшем случае, прекращение поступления информации об окружающей обстановке [3, 4].

Важную роль в формировании эффективной работы машины играет освещение как отдельных участков горных машин, входящих в механизированный комплекс, так и рабочих мест.

Аварийное отключение освещения в лаве может привести к остановке работы комплекса и явиться причиной несчастных случаев и травматизма людей. На условия освещения в забоях шахт значительное влияние оказывает окружающая среда - атмосфера, запыленность которой определяет качество и надежность освещения. Таким образом, надежность работы очистных забоев определяется надежностью горных машин, надежностью горнорабочих, надежностью рабочих мест и окружающей среды (атмосферы). В свою очередь надежность работы горных машин зависит от качества их управления, обслуживания и ремонта, что в значительной степени зависит от эффективности освещения рабочих мест, комфортности окружающей среды, что также определяется освещением.

Освещенность участков лавы тесно связана с конструкцией и параметрами горных машин - механизированных крепей, комбайнов, конвейера, крепей сопряжения лавы со штреком и т.д. Поэтому организация освещения угледобывающих комплексов, в том числе рабочих мест, повышение надежности освещения невозможно без исследования конструкций и параметров горных машин. Следует отметить, что повышению качества и надежности освещения под землёй уделяется недостаточное внимание, особенно в забоях, оснащенных механизированными угледобывающими комплексами. В связи с этим возникла необходимость, в первую очередь, в проведении исследований конструкций и параметров механизирован-

ных комплексов для пологих пластов и рабочих мест как объектов освещения и созданию для них средств освещения.

Работа выполнена автором в соответствии с отраслевыми планами Министерства угольной промышленности СССР, Компании "Росуголь", тематическими планами ИГД им. A.A. Скочинского и планами новой техники Прокопьевского завода шахтной автоматики в 1979-97 гг. по созданию новых систем и средств освещения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Системы "человек - машина - окружающая среда"

Непрерывное или периодическое перемещение в пространстве многих рабочих мест и пунктов установки оборудования очистных забоев снижает надежность работы оборудования и повышает вероятность ошибочных действий людей. Увеличение "цены ошибки" современного специалиста, т.е. возрастание материального ущерба в результате неправильных действий, возможность гибели людей, увеличивают нагрузку на психику человека. В этих условиях деятельность человека в замкнутой системе "Человек- машина- окружающая среда" является основным и решающим звеном [5]. Принятие решений человеком неразрывно связано с процессом приема и переработки информации, которую он получает от окружающего пространства с помощью анализаторов. Человек управляет машиной, сообразуясь с полученной информацией. Быстрота и безошибочность действий человека при выполнении оперативных процессов способствует эффективной работе всей системы "человек - машина - окружающая среда" в целом. Возможности человека не безграничны. В определенных ситуациях он не успевает переработать информацию, пропускает ее или принимает решения слишком поздно, в результате чего может произойти не только поломка механизмов, но и несчастный случай. Такой исход возможен, когда в информационном поле (поле зрения) отсутствует достаточное количество хорошо видимых информационных объектов. Такими объектами являются всевозможные машины, механизмы (их отдельные узлы), горнорабочие, выработки, т.е. сигналы, возникающие при протекании какого либо процесса или специально предна-

значенные для сообщения человеку информации. В первом случае сигналы называют естественными, во втором - искусственными.

Восприятие сигналов зависит от свойств каждого сигнала, его характеристик. Во всех случаях желательно обеспечить такие условия зрительного восприятия, чтобы человек получал четкую информацию о состоянии механизмов и выработок.

1.2. Влияние освещения на производительность и безопасность труда в механизированных забоях

Напряженная зрительная работа характерна для людей многих профессий. Наметились негативные сдвиги в работе органов зрения - "Человек теряет зрение". Это происходит, как правило, из-за низких количественных и качественных характеристик освещения. Кроме этого, освещение оказывает выраженное влияние на общее психофизиологическое состояние и основные зрительные функции человека. От интенсивности и качества освещения зависит, в частности, такая важная функция глаза, как острота зрения, т.е. способность глаза различать форму предмета, мельчайшие подробности на нем. Тесно связана с освещением и другая, имеющая для производственной деятельности большое значение, функция глаза - быстрота различия. Особое значение эта функция имеет при работе на машинах, требующих рассмотрения объектов в условиях ограниченного времени. Время выполнения зрительной задачи зависит также от степени четкости наблюдаемого объекта. Исследованиями установлено, что нечеткость объекта наблюдения на 9.5% увеличивает время выполнения задачи, независимо от сложности объекта [6]. Утомляемость глаза также в степени зависит от освещения. Со снижением освещенности рабочей поверхности или ухудшением качественных характеристик освещения снижается устойчивость ясного видения и другие функции зрения. Недостаточная освещенность и низкие качественные характеристики

освещения, приводящие к ограничению поля восприятия окружающего пространства, являются причиной недостаточной зрительной информации, особенно в неблагоприятных условиях очистных забоев. Длительные наблюдения, проводившиеся МакНИИ на двух шахтах в четырех забоях с механизированными комплексами КМ-87, полностью согласуются с такими утверждениями. Анализ зрительных работ в забоях показал, что общее время, необходимое для получения машинистом комбайна зрительной информации об объектах, представляющих опасность в условиях максимального сосредоточения внимания, в процессе работы составляет 20-60% общей зрительной нагрузки в течение смены [7]. Для остальных рабочих очистного забоя это время находится в пределах 10-40%. Из [7] следует, что из-за недостаточной информации об опасных ситуациях в лавах, не имеющих сетевого освещения, травматизм выше в 1.4-2.4 раза. Анализ влияния освещения на травматизм во всех подземных выработках шахты показывает, что при наличии освещения травматизм в целом по шахте может быть снижен в 1.5-3 раза.

Улучшению освещения в подземных выработках за рубежом уделяется большое внимание т.к. оно приводит к увеличению производительности труда, а также к уменьшению частоты и тяжести несчастных случаев [8, 9, 10, 11, 12].

На основании результатов опроса специальная группа "Свет" при отраслевом комитете "Энергоснабжение и техника управления" общества каменноугольной промышленности ФРГ сделала вывод о срочной необходимости улучшения освещения в лавах и на сопряжении лава - штрек, поскольку здесь в очень небольшом пространстве сконцентрированы ценные машины и оборудование с большим потреблением электрической энергии и очень высок уровень травматизма [11].

В связи с этим рациональное освещение является одним из важных факторов, определяющих высокую работоспособность и безопасность труда горнорабочих.

1.3 Анализ способов и средств освещения механизированных комплексов

За рубежом правила реализации необходимого уровня освещения для обеспечения ритмичной и безопасной работы осуществляется по-разному.

В Великобритании освещение подземных выработок каменноугольной промышленности осуществляется в соответствии с "Правилами безопасного применения ламп и осветительных устройств в угольных и других шахтах" [13]. Правилами предусмотрены нормы освещенности. Английские правила требуют, чтобы освещение было удобным и достаточным, а расположение источников по возможности уменьшало бы ослеп-ленность и перенапряжение человеческого глаза. Для обеспечения необходимого уровня освещенности и устранения ослепленности применяются различного типа светильников в зависимости от места установки. Большинство светильников во взрывобезопасном исполнении. Максимально допустимая температура нагрева светильников определена по критерию воспламенения пылевоздушной, а не метана - воздушной смеси. Для освещения лавы используются светильники 100 Вт плоской формы с призматическим стеклом.

В последнее время для освещения лавы применяются новые малогабаритные люминесцентные лампы мощностью 8 Вт, которые обладают незначительным слепящим действием. Эти лампы работают на высокой частоте и питаются от искробезопасного источника постоянного тока через преобразователь. Преобразователь имеет 5 искробезопасных выводов для питания ламп мощностью 4, 6 или 8 Вт. Лампы защищены прозрач-

и

ным колпаком из поликарбоната. К одному преобразователю можно подключить 200 светильников мощностью по 6 Вт каждый, установленных на расстоянии 1 м один от другого (на каждой секции крепи по одному светильнику).

В результате проведенных исследований в области освещения, Горнорудное Бюро и Национальное Бюро Стандартов установили минимальную яркость на рабочем месте в подземных выработках, равную 0.21 кд-м-2 [14].

В 1974 году Горнотехнической инспекцией США (MESA) был разработан стандарт на нормы освещенности подземных выработок, согласно которому минимальный уровень яркости в местах, где ведутся подземные горные работы, должен быть не менее 0.06 футламберт (0.206 кд-м" ) [15]. В мае 1977 года в Питтсбурге (США) на секции Американского горного конгресса Объединенный комитет по охране труда и технике безопасности предложил увеличить в целях безопасности нормы освещенности рабочих мест [16]. Комитет также предложил следующие нормативы по установке источников света в горных выработках:

- для выемочных комбайнов и углепогрузочных машин, работающих на пластах мощностью свыше 1.22 м, установить мощность источника света не менее 320 Вт на машину и не менее 200 Вт, если машинист во время работы не все время находится в зоне освещения этого источника;

- в длинных и коротких лавах устанавливать люминесцентные светильники мощностью 15 Вт на расстоянии 3 м друг от друга, рабочий орган комбайна должен освещаться головным источником мощностью 100 Вт.

Для выемочных комбайнов и углепогрузочных машин, работающих на пластах менее 1.22 м, остаются в основном такие же требования, как и для пластов мощностью более 1.22 м за исключением требования о необходимости освещать кровлю головным световым прибором. Кроме того,

требуется установка не менее 5 осветительных приборов общего освещения, включая освещение места оператора.

С целью выполнения этих требований по заказам Управления горной промышленности были разработаны новые системы и технические средства освещения [17]. К ним относятся эффективные источники света (люминесцентные лампы, ртутные и натриевые лампы высокого давления), а также индивидуальные и групповые источники питания.

Современные световые приборы, применяемые для освещения шахт, были предложены на Международной горнопромышленной выставке фирмами Готе унд Ко, Мартин Хаматер, Сименс и др. [18]. В качестве источников света используются люминесцентные лампы мощностью от 16 до 80 Вт. Защитным стеклом в таких светильниках является макролон (российский аналог - поликарбонат). Для условий проходки шахтных стволов фирмой Кеаг Гмбх разработан светильник "шахтное солнце", который оснащен галогенной лампой мощностью 250 Вт. Для проходческих и выемочных машин фирмой "Штейн унд Венцель" показан прожектор с проекционной лампой 100 Вт - 24 В [19].

Как видим, в ка�