автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля в угольных шахтах

Введение

1 Анализ состояния и обоснование методов организации современной системы аэрогазового контроля в угольной шахте

1.1 Анализ состояния системы производственного контроля угольной шахты и определение направления его совершенствования.

1.2 Анализ развития технического обеспечения системы аэрогазового контроля в угольных шахтах.

1.3 Вопросы совершенствования системы аэрогазового контроля в угольных шахтах. 27 Литература

2 Обоснование методов раннего распознавания опасных газовых состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках

2.1 Элементы теории автоматизированного распознавания опасных газовых состояний

2.2 Расчет длительности загазований

2.3 Статистические характеристики газовыделения из подготовитель- ( ного забоя

2.4 Статистические характеристики газовыделения из очистного забоя

2.5 Определение динамических характеристик средств газового контроля

2.6 Методы контроля газовыделения на пластах с газодинамическими явлениями

2.7 Способы распознавания опасных газовых состояний, возникающих в результате газодинамических явлений

Выводы

3.2 Механизмы развития очага экзогенного возгорания и его информационные параметры 65

3.3 Особенности развития возгораний в горной выработке, оборудованной конвейерной линией. 68

3.4 Исследование процесса изменения температуры воздушного потока при возникновении и развитии возгораний. 80

3.5 Исследование процесса выхода оксида углерода в атмосферу горных выработок при развитии экзогенных возгорании. 83

3.6 Исследование процесса задымления атмосферы горных выработок при развитии экзогенных возгораний. 86

3.7 Определение лимит^ времени для обнаружения и ликвидации экзогенного возгорания в горных выработках. 88

3.8 Распознавание пожароопасных состояний объектов аэрогазового контроля по температуре воздуха в горных выработках 93

3.9 Распознавание пожароопасных состояний объектов аэрогазового контроля по содержанию оксида углерода воздуха в горных выработках 101

3.10 Распознавание пожароопасных состояний объектов аэрогазового контроля по концентрации дыма в атмосфере горных выработок 104

3.11 Комплексные методы обнаружения экзогенных возгораний в горных выработках ■ 105

3.12 Алгоритмы распознавания возгораний. 107

3.13 Определение мест размещения технических средств, предназначенных для обнаружения экзогенных возгораний 120 Выводы 125 Литература 127

4 Обоснование способа беспроводной передачи информации в горных выработках угольных шахт в диапазоне СВЧ 130

4.1 Закономерности свободного распространения радиоволн в шахтах. 130

4.2 Методика инженерного расчета СВЧ радиолинии в выработках шахты. 168

4.3 Экспериментальные исследования характера распространения радиоволн СВЧ-диапазона в горных выработках шахт. 188 Выводы 211 Литература 212

5 Разработка многофункциональной автоматизированной систем аэрогазового контроля 217

5.1 Концепция алгоритма реализации комплексного наблюдения за состоянием объектов аэрогазового контроля. 218

5.3 Требования к многофункциональной автоматизированной системе аэрогазового контроля в угольных шахтах. 222

Литература 230

Заключение

231

Введение |

Актуальность работы обусловлена высоким уровнем аварийности и производственного травматизма на угольных шахтах России. Одной из основных причин такого положения является недостаточная эффективность системы аэрогазового контроля в угольных шахтах в части заблаговременного обнаружения и предотвращения таких аварий как пожары и взрывы на ранней стадии их возник1 новения. Дело в том, что проводимая на угольных шахтах рационализация процессов угледобычи привела к интенсификации движения управляемых материальных потоков (угля, шахтного воздуха, газов, воды, боковых пород, энергии и т.п.), что неизбежно вызвало ускорение развития различных опасностей в форме неуправляемых материальных потоков. Причем возросла вероятность развития опасностей в нескольких местах шахты одновременно. Последнее обстоятельство сделало необходимым вести почти непрерывное наблюдение за многими объектами производственной системы в одно и то же время, особенно там, где нет по- <■ стоянного присутствия людей. Вместе с тем оперативный аэрогазовый контроль ( на угольных шахтах все еще ведется разрозненно по отдельным объектам и по отдельным контролируемым параметрам и признакам даже в том случае, если этот контроль ведется в автоматизированном режиме. Вот почему решение проблемы обнаружения опасных состояний, связанных в первую очередь с загазованиями и возгораниями на производственных объектах угольной шахты, средствами, обеспечивающими совместный и опережающий анализ всей совокупности контролируемых параметров, стало делом весьма актуальным. Эта проблема может быть решена путем создания и использования на угольных шахтах многофункциональных автоматизированных систем аэрогазового контроля. Однако для эффективного их применения в условиях угольных шахт необходимы новые комплексные методические разработки, решению которых посвящается настоящая работа.

Целью работы является научное обоснование и разработка многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля в угольных шахтах и создание на этой основе условии для снижения аварийности и производственного травматизма.

Идея работы заключается в раннем обнаружении возникновения и развития опасных газовых и пожарных ситуаций в угольной шахте путем создания и использования многофункциональной автоматизированной системы их мониторинга.

Задачи исследований:

- анализ состояния и обоснование методов организации современной системы оперативного аэрогазового контроля в угольной шахте,

- обоснование и разработка методов и средств раннего распознавания опасных газовых состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках,

- обоснование и разработка методов и средств раннего распознавания пожароопасных состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках,

- обоснование способов беспроводной связи в угольных шахтах для создания высоконадежного канала передачи информации в горных выработках,

- разработка многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля.

Методы исследований, использованные в работе, основаны на положениях теории систем и системного анализа, методах математической статистики и статистических испытаний, теории дифференциальных уравнений, методах регрессионного анализа процессов, на теории электромагнитного поля.

Научные положения, выносимые на защиту:

- с ростом механизации и автоматизации горных работ и интенсивности производственных процессов возрастают скорости опасного развития загазований и возгораний, возникающие одновременно во многих местах, и использование многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля делается эффективным средством противодействия увеличивающейся частоте и тяжести инцидентов и аварий;

- раннее распознавание опасных газовых состояний достигается при использовании математической модели газодинамики объекта контроля, основанной на замещении реального процесса его эквивалентом в виде четырехполюсника, представляющего собой инерционное Ьвено первого порядка с запаздыванием с параметрами: постоянная времени порядка 10 мин и начальная относительная скорость газовыделения 0,1 мин"1

- отрицательное влияние флуктуации концентрации метана на средства га . . зового контроля снижается при ограничении спектральной плотности газовыделения по частоте на уровне со ~ 0,45 1/с. При этом на выбросоопасных пластах оптимальной с точки зрения компромисса между помехоустойчивостью и быстродействием средств газового контроля является значения постоянной времени первичного преобразователя метана т ~ 2,2 с , а верхняя граница пропускаемого спектра газовыделения 0,07 Гц;

- время обнаружения подземных возгораний не должно превышать критического времени ткр, для быстроразвивающихся возгораний ткр < 22 мин, для возгораний на крепи выработок критическое время находится в интервале 45 - 180 мин, для эндогенных возгораний ткр < 24 ч;

- в горных выработках с ленточными конвейерами для раннего распознавания очагов экзогенных возгораний должны применяться автоматические газоанализаторы микроконцентраций оксида углерода, устанавливаемые по длине выработки не реже 500 м; для уменьшения времени выдачи решения и повышения вероятности обнаружения возгорания газоанализаторы должны дублироваться тепловыми пожарными извещателями, устанавливаемыми вдоль конвейерной линии не реже 150 м, или термокабелями;

- применение волоконно-оптического термокабеля дает возможность распознавать возгорания на ленточных конвейерах по всей длине, причем обнаруживаемая площадь горения не превышает 1,3 м2 при установке аварийного порога на 70°С и 0,3 м~ при установке порога по скорости изменения температуры на 5 °С/мин;

- дальность беспроводной передачи информации в угольных шахтах в диапазоне СВЧ определяется размерами поперечного сечения горных выработок и длиной радиоволны, причем коэффициенты затухания прямо пропорциональны длине волны и обратно пропорциональны площади поперечного сечения.

Достоверность научных положений подтверждается:

- корректностью постановки задач разработки многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля на основе теории систем обеспечения безопасности и базовых положений организации производственного контроля на особо опасных производствах;

- использованием апробированных методов и приборов контроля при проведении натурных исследований и испытаний;

- соответствием результатов моделирования температурных, газовых и электромагнитных процессов с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний в экспериментальной штольне и на угольных шахтах;

- положительными результатами внедрения многофункциональных автоматизированных систем аэрогазового контроля на действующих угольных шахтах Кузбасса, Воркуты, Донбасса, Караганды.

Научное значение работы состоит в создании научных основ разработки многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля в угольных шахтах.

Научная новизна работы:

- выявлена зависимость используемых методов и средств системы аэрогазового контроля угольной шахты от используемой техники и технологии горных работ;

- установлено, что ранее распознавание опасных газовых состояний может быть выполнено при использовании математической модели газодинамики объекта контроля, представляющего собой инерционное звено первого порядка с запаздыванием с параметрами, которые определяются по начальному участку зависимости газовыделения на импульсное воздействие;

- определены оптимальные с точки зрения компромисса между помехоустойчивостью и быстродействием средств газового контроля параметры первичных преобразователей метана;

-установлено критическое время обнаружения подземных возгораний для быстроразвивающихся возгораний, для возгораний па крепи выработок и для эндогенных возгораний;

- утверждается, что в горных выработках с ленточными конвейерами для распознавания очагов возгораний в ранней допламеь!ной стадии следует вести ав томатизированный контроль микроконцентраций оксида углерода и температуры тепловыми пожарными извещателями или термокабелями;

- показано, что применение волоконно-оптического термокабеля позволяет распознавать очаги возгорания на ленточных конвейерах в ранней стадии по всей длине;

- установлено, что дальность беспроводной передачи информации на сверхвысоких частотах в условиях угольной шахты определяется размерами поперечного сечения горных выработок и длиной радиоволны.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке отраслевых и локальных организационных, нормативных и методических документов по многофункциональной автоматизированной системе аэрогазового контроля в угольных шахтах;

- в разработке и введении в промышленную эксплуатацию на шахтах "Ин-ская" и "Егозовская" в Кузбассе многофункциональных автоматизированных систем аэрогазового контроля современного технического уровня;

- в технических решениях, подтвержденных 13 авторскими свидетельствами на изобретения.

Личный вклад автора состоит:

- в проведении анализа состояния, в обосновании и разработке методов организации современной многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля в угольных шахтах,

- в обосновании и разработке методов и средств раннего распознавания опасных газовых состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках,

- в обосновании и разработке методов и средств раннего распознавания пожароопасных состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках,

- в обосновании способов беспроводной передачи информации в горных выработках угольных шахт и в разработке технических требований к оборудованию для ее осуществления.

- в разработке концепции комплексной оценки опасного состояния объектов аэрогазового контроля и требований к системе многофункционального автоматизированного аэрогазового контроля в угольных шахтах. !

Реализация работы. Полученные научные результаты диссертационной работы использованы при разработке отраслевого нормативного документа: "Инструкция по системе аэрогазового контроля в угольных шахтах", а также организационно-правовых документов угольных предприятий по эксплуатации многофункциональной автоматизированной системы аэрогазового контроля при внедрении ее на шести угольных шахтах Кузбасса, Воркуты, Донбасса, Караганды.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертации докладывались на Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием научно-исследовательских институтов, Москва, 1971 г., на X Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (секция 6). Иркутск, 1972 г., на XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Казань, 1975 г., на международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки». Кемерово, 1998, на отраслевых и региональных совещаниях по охране труда и промышленной безопасности в г.г. Москве, Кемерово, Воркуте с 1985 г. по 2001 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 45 печатных работах, в том числе в 4 монографиях и в 13 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, включающих выводы и списки литературы, заключения и содержит 233 листа текста, 51 рисунков, 26 таблиц.

1. Рубан А.Д., Забурдяев B.C. Опасность взрывов метанопылевоздушных смесей в шахтах и пути ее снижения. Уголь. 2000, № 5, с. 61-63.

2. Мясников A.A. и др. Повышение безопасности и надежности проветривания подготовительных выработок. Кемерово, Кемеровское книжное издат., 1973, 128 с.

3. Мясников АА., Казаков С.П. Проветривание подготовительных выработок при проходке комбайнами. М., Недра, 1981, 269 с.

4. Руководство по эксплуатации систем управления ВМП и контроля проветривания тупиковых выработок угольных шахт. Кемерово, ВостНИИ, 1989, 55 с.

5. Кланюк A.B. и др. Исследования по контролю аэрогазовой ситуации и проветривания тупиковых выработок. В кн.: Системы и средства автоматизированного контроля и управления параметрами шахтной атмосферы. -М.: Недра, 1984.-е. 3-7.

6. Грауман К., Бендраш М., Кастен М. Микропроцессоры контролируют местное проветривание в проходческих забоях. "Глюкауф", 1982, № 16, с. 24-27.

7. Хайдельбах Г., Зреденшек Г. Местное проветривание при проходке буровым комбайном горизонтальной выработки к новому полю "Хальтерн". "Глюкауф", 1984, №4, с. 24-30.

8. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. Киев, Наукова думка, 1967, 310с.

9. Местер И.М., Засухин И.Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. М., Недра, 1974, 240 с.

10. Цой С. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт. Алма-Ата, Наука, 1975, 335 с.

11. Тяп Р.Б., Потемкин В.Я. Управление проветриванием шахт. Киев, Нау-кова думка, 1977, 204 с.

12. Абрамов Ф.А., Фельдман Л.П., Святный В.А. Моделирование динамических процессов рудничной аэрологии, Киев, Наукова думка, 1981, 284 с.

13. Клепиков Б.А., Капиев Р.Э. Основные требования к системе телеизмерения параметров рудничной атмосферы. Вопросы безопасности в угольных шахтах. Труды МакНИИ, том XX, М, Недра, 1969, с. 53-62.

14. Клепиков Б.А. и др. Диспетчеризация контроля проветривания выемочных участков газовых шахт. "Уголь", 1973, №5, с. 62-65.

15. Клепиков'Б.А. и др. Телеизмерение и контроль проветривания на шахте "Молодогвардейская", "Уголь Украины", 1977, № 12, с. 34-36.

16. Клепиков Б.А. и др. Алгоритм диспетчерского управления проветриванием. Борьба с газом, пылью и выбросами в угольных шахтах, Сб. статей, вып. 8, Макеевка-Донбасс, МакНИИ, 1972, с. 46-52.

17. Карпов Е.Ф. и др. Диспетчерский контроль и управление проветриванием шахт. "Уголь", 1977, № 9, с. 19-21.

18. Святный В.А. и др. Подсистема автоматизированного контроля параметров рудничной атмосферы. "Уголь Украины", 1989, № 6, с. 37-38.

19. Сарафанов А.И. Разработка алгоритмов и программ идентификации и оптимизации для автоматического управления проветриванием шахты. Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук. М., МГИ, 1986, 22 с.

20. Мутанов Г. Разработка алгоритмов управления воздухораспределением шахт регуляторами расхода воздуха и вентилятором главного проветривания: Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук. М., МГИ, 1987, 22 с.

21. Сысоев А.Н. Разработка структуры и алгоритмов функционирования микропроцессорной системы управления проветриванием добычного участка угольной шахты. Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук. М., МГИ, 1987, 16 с.

22. Кравченко А.Г. Обоснование параметров оперативного' управления проветриванием выемочного участка при возвратноточной схеме Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук. М., МГИ, 1987, 14 с.

23. Ушаков К.З. и др. Аэрология горных предприятий. М., Недра, 1987, 421

24. Руководство по оборудованию и эксплуатации многофункционального информационно-управляющего комплекса аппаратуры "Микон 1Р". Екатеринбург, 1997, 99 с.

25. Колосюк В.П., Маар К.Э., Шилов В.И. Компьютерная система контроля окружающей среды. Безопасность труда в промышленности, 1994, № 2, с. 3-7.

26. Кичигин A.B., Киселев Ю.А. Опыт эксплуатации системы контроля рудничной атмосферы фирмы "Трансмиттон" на АООТ "Шахта "Комсомолец" (г. Ленинск-Кузнецкий) Уголь, 1997, № 11.

27. Электронное оборудование для контроля и управления шахтной вентиляцией. РЖ Горное дело, 1978, № 3, с. 14.

28. Гарнага A.B., Полевщиков Г.Я. Адаптивные системы прогноза качественно новый уровень в развитии мониторинга рудничной атмосферы. ТЭК и ресурсы Кузбасса, Приложение к журналу. Кемерово, 2001, с. 67-70.

29. Хейн В., Хольке К, "Испытание устройств для обнаружения ранних признаков подземных пожаров". Глюкауф. 1985. № 24, с.25-28.

30. Веденский Б.А., Аренберг А.Г. Распространение ультракоротких радиоволн. М., «Связьиздат», 1938. 284 с.

31. Leversedge G.H. Problems of Radio Communication with Moving Trains. Journal of the Britisch Institution of Radio Engineers. 1947, v.7, №4, July — August, p. 157—163.

32. Орловская Э.Д. Исследование возможности использования горных выработок для беспроводной передачи электромагнитных волн СВЧ. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М., МГИ, 1968. 158 с.

33. Ржевским В.В., Коренберг Е.Б., Орловская Э.Д. Радмоволповыс методы в горном деле. М., изд. МГИ, 1967. 339 с.

34. Microwaves for tunnel communications. Microwaves, 1968, November, v.7.10, p.i

35. Microwaves might be answer to tunnel communications. Bell laboratovies Record, v.46, 1968, №10, p. 348—349. '

36. Благов О.И., Коренберг Е.Б., Куликовский Б.И. Экспериментальное исследование характера распространения радиоволн в туннелях на частоте 200 МГц. В сб. научных трудов. Шахтная радиосвязь, МГИ, 1970,

37. Куликовский Б.И. Выбор оптимального частотного диапазона для применения беспроводных телемеханических каналов в угольных шахтах. В сб. научных трудов. Шахтная радиосвязь, МГИ, 1970.

38. Лисовский В.А. Распространение радиоволн расширенного УКВ диапазона в горных выработках шахт. В сб. научных трудов. Шахтная радиосвязь, МГИ, 1970,

39. Смирнов Н.Ф., Павлов JI.JL, Панин Б.М., Головкин А.Р. Исследование прохождения радиоволн УКВ диапазона в шахтах Джезказганского рудного массива. В сб. научных трудов. Шахтная радиосвязь, МГИ, 1970.

40. Савкин М.М. Распространение радиоволн в подземных горных выработках. В сб. Радиосвязь и высокочастотная телемеханика в горной промышленности. СО АН СССР, 1964.

41. R. de Keyser Measure de champe et d attenuation et propagation libre et avec guide Tondes. "Annales des mines de Belgique," 1970, №7-8.

42. D.I.R. Martin. "Mining Technology", 1970, vol. 52, №601.

43. J.B. Lovell Foot. "Wireless World", 1950, №12.

44. Обоснование методов раннего распознавания опасных газовых состояний объектов аэрогазового контроля в горных выработках