Содержание к диссертации
Введение
1. Методы контроля выбросоопасности горно технологических объектов шахт 12
1.1. Введение 12
1.2. Внезапный выброс как вид проявления горного давления 13
1.3. Свойства углей, горных пород и газов, определяющие выбросо-опасность горнотехнологических объектов 19
1.4. Обобщение причин и условий возникновения внезапных выбросов 33
1.5. Параметры, методы и средства контроля выбросоопасности 36
1.6. Методы прогноза выбросоопасности горнотехнологических объектов 49
1.7. Пути управления процессом возникновения внезапных выбросов на горнотехнологических объектах 66
1.8. Выводы. Формулирование целей и задач исследования 68
2. Алгоритм контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов шахт 71
2.1. Введение 71
2.2. Структура информационного обеспечения управления выбросоопасностью горнотехнологических объектов 73
2.3. Алгоритм контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов 80
2.3.1. Выбор комплекса наиболее информативных параметров контроля 80
2.3.2. Оценка выбросоопасности угольного пласта 104
2.3.3. Геометрическая локализация выбросоопасных и невыбросоопасных зон 110
2.3.4. Временной прогноз выбросоопасности зон 116
2.4. Выводы 121
3. Мониторинг выбросоопасного состояния горнотехнологических объектов шахт 125
3.1. Введение 125
3.2. Определение концепции построения системы подземного мониторинга 126
3.3. Автоматизированная система сбора и обработки информации 130
3.4. Контроль выбросоопасности горнотехнологических объектов с применением системы сбора и обработки информации 148
3.5.Выводы 158
4. Техническое обеспечение автоматизации процесса сбора и обработки информации о выбросоопасности горнотехнологических объектов шахт 161
4.1. Введение 161
4.2. Технические средства автоматизированного контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов 162
4.3. Подсистемы передачи информации 171
4.4. Построение алгоритмов принятия решения о выбросоопасности горнотехнологических объектов 182
4.5. Оценка эффективности сбора и обработки информации о выбросоопасности горнотехнологических объектов 186
4.6. Выводы 193
Заключение 196
Библиографический список 201
Приложения 223
- Внезапный выброс как вид проявления горного давления
- Структура информационного обеспечения управления выбросоопасностью горнотехнологических объектов
- Определение концепции построения системы подземного мониторинга
- Технические средства автоматизированного контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов
Введение к работе
Актуальность работы. Современное угольное предприятие представляет собой сложный горнотехнологический комплекс для добычи и переработки полезных ископаемых. Одной из основных задач, возникающих при работе предприятия, является обеспечение безопасности горного производства. Безопасность рабочих процессов шахт определяется состоянием горнотехнологических объектов (ГТО): угольных пластов, выбросоопасных зон, подготовительных и вентиляционных выработок, забоев, лав и др. В частности, выбросоопасность угольных пластов, обусловленная факторами - горным и газовым давлениями, структурой и физико-химическими свойствами массива, нередко является причиной катастроф и гибели людей и связана со значительными затратами на проведение противовыбросных мероприятий и ликвидацию последствий аварий.
Для обеспечения режимной безаварийной работы предприятий, достижения безопасных условий труда по фактору динамического проявления горного давления - внезапным выбросам, необходимо иметь достоверную информацию о состоянии горнотехнологических объектов. Важнейшей проблемой является прогноз проявлений выбросов угля и газа. Несмотря на выполненные к настоящему времени весьма важные и эффективные разработки, ни одна из задач прогноза, связанных с предсказанием места и времени выброса угля и газа, не решается в полной мере. Основная причина такого положения заключается в том, что проблема выбросоопасности решается не комплексно, на основе априорных исследований и ограниченных натурных наблюдений без использования в полной мере достижений электроники п компьютерной техники для сбора, обработки и анализа информации при контроле выбросоопасности горнотехнологических объектов шахт.
В течение многих лет подробно изучались свойства пластов Донбасского, Карагандинского, Кузбасского, Воркутинского и др. угольных бассейнов, на которых происходили опасные газодинамические явления, в том числе и внезапные выбросы. Проведены различные исследования, описано в литературе множество методов контроля для данных месторождений угля. К сожалению, все они ориентированы на местные условия залегания угля, на специфику отработки месторождений и не носят общий характер.
В этой связи актуальной становится задача оперативного сбора и обработки информации, её представление лицу, принимающему управляющие решения. Реализация такой задачи требует разработки системы шахтных наблюдений, сбора и обработки информации, алгоритма контроля выбросоопасности ГТО, технологии воздействия на ГТО для ликвидации выбросо-опасных состояний.
В частности, на месторождениях Челябинского угольного бассейна разработка ранее велась сравнительно на небольших глубинах, поэтому газодинамические явления имели менее выраженный характер. Теперь, когда добыча на шахтах ОАО «Челябинскуголь» ведется на горизонтах 300 и более метров, стали происходить внезапные выбросы, а при дальнейшем увеличении глубины проблема выбросов становится все более актуальной.
Необходимо отметить, что динамическими явлениями, в том числе и вы-бросоопасностыо горнотехнологических объектов угольных шахт можно управлять. Так возникновение внезапного выброса может регулироваться
6 темпами и направлениями ведения горных работ, изменением уровня грунтовых вод, проведением дегазации угольных пластов, применением поверхностно-активных веществ и др. Обеспечение управления выбросоопасно-стью объектов является важной научной и технической задачей, исследованию которой посвящена данная работа. Основой обеспечения управления выбросоопасностью объектов является разработка систем сбора и обработки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологических объектов.
Целью диссертации является теоретическое обоснование и реализация системы сбора и обработки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологических объектов в составе системы подземного мониторинга шахты с целью выявления, контроля процессов локализации и ликвидации газодинамических явлений.
Основная идея работы состоит в установлении взаимосвязей, характеризующих процессы возникновения внезапных выбросов как ооъектов управления, формализации процесса сбора и обработки информации, создании алгоритмов контроля выбросоопасности объектов, выборе способов и средств получения информации о состоянии горнотехнологических объектов, определении условий использования аппаратуры контроля в различных природных и технических условиях.
Научные положения, защищаемые автором, заключаются в следующем.
1. Разработана процедура выбора комплекса наиболее информативных параметров контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов на основе экспертных оценок, позволяющая формализовать процесс сбора и об- работки информации о выбросоопасном состоянии объектов при минимальных затратах времени и материальных средств, что особо актуально в условиях недостаточного, а иногда и полного отсутствия, приборного контроля выбросоопасности на шахтах России. Установлен комплекс параметров контроля выбросоопасности на горнотехнологических объектах шахт Челябинского бассейна.
2. Предложен алгоритм контроля, позволяющий определить место и время возникновения внезапного выброса на основе нахождения логических закономерностей, характерных для горнотехнологических объектов, и учи тывать изменения условий контроля на горнотехнологическом объекте в процессе ведения горных работ. Оценена адекватность предложенного ал горитма экспериментальным данным, известным из литературных источни ков.
3. Осуществлен анализ вариантов построения системы сбора и обра ботки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологических объ ектов, и установлена их приоритетность.
4. Разработаны, исследованы и реализованы методы и средства кон троля состояния горнотехнологических объектов и варианты построения систем сбора, передачи и обработки информации в подземных условиях угольных шахт.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточной точностью полученных приближенных зависимостей и оценок ('psw=0.78-0.83). сходимостью расчетных показателей предложенного алгоритма контроля выбросоопасности с результа- тами лабораторных и промышленных экспериментов, положительными результатами опробования разработанных методик в условиях шахт ОАО «Челябинскую ль».
Методы исследований включают изучение литературы, патентный поиск, теоретические и экспериментальные исследования, натурные наблюдения в лабораторных и производственных условиях. Для решения поставленных задач использованы методы обработки разнотипных данных, теория автоматического управления, моделирование процессов на ЭВМ, теория вероятности, ретроспективный прогноз.
Научная новизна диссертации состоит в следующем: наряду с использованием корреляционного анализа предложено выбирать комплекс наиболее информативных параметров контроля выбросоопас-ности с помощью экспертных оценок; предложен алгоритм контроля выбросоопасности, адаптированный к изменению условий контроля в процессе ведения горных работ; определены и обоснованы функции системы сбора и обработки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологических объектов в составе системы подземного мониторинга шахты; разработаны и реализованы методы и средства контроля состояния горнотехнологических объектов, и установлены наиболее приоритетные варианты построения систем сбора, передачи и обработки информации, эффективно работающие в различных горно-геологических условиях; разработан алгоритм принятия решения о выбросоопасности горнотехнологических объектов.
Научное значение диссертации состоит в установлении взаимосвязей между параметрами объектов, построении алгоритма контроля выбросоопасности, обосновании структуры и построении системы сбора и обработки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологических объектов шахт, выборе средств контроля.
Практическое значение работы заключается в разработке предложений по созданию системы сбора и обработки информации горнотехнологических объектов, позволяющей вести контроль выбросоопасности в условиях Челябинского угольного бассейна.
Реализация работы осуществлялась в ходе выполнения: хоздоговорной темы 37-201-89: «Изготовление радиореперной системы диагностики деформаций массивов горных пород и разработка методики ее использования», в результате которой система успешно прошла опытно-промышленную эксплуатацию на Навоийском горно-металлургическом комбинате; хоздоговорных тем 36-205-92 и 36-206-92, в результате которых был изготовлен, испытан и принят Донским ГОКом вариант системы сбора и обработки данных для открытых горных работ; госбюджетной научно-исследовательской работы «Создание радиореперной системы автоматической диагностики горнотехнологических объектов для добывающих отраслей промышленности», выполненной в рамках научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии» в 1994-1997 гг.; хоздоговорной НИР № 13/20-220-97 «Исследование, разработка и обоснование структуры автоматизированной системы мониторинга состояния гидротехнических сооружений (АСМ ГТС)» в 1997-2000 гг.; гранта министерства общего и профессионального образования Российской Федерации «Разработка и исследование системы информационного обеспечения управления горнотехнологическими объектами» в 1996-1997 гг.
Практическая реализация алгоритма контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов осуществляется на шахтах ОАО «Челябинск-уголь» (приложение 1).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на второй Всероссийской научно-практической конференции «Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии» (г. Москва, 3-4 декабря 1996 г.), на 5-ой национальной маркшейдерской конференции с международным участием «Маркшейдерское обеспечение на пороге XXI столетия» (10-14 июня 1997 г., Несебыр, Болгария) [120], на 10-ом межотраслевом координационном совещании по проблемам геодинамической безопасности (Екатеринбург, УГГГА, 1997) [117], на региональной конференции «Компьютерные технологии в горном деле» (Екатеринбург, УГГГА, 1997) [119], на межотраслевом региональном семинаре по механике горных пород (18 октября 1997 г., ИГД, Екатеринбург) (приложение 2).
Разработанная система сбора и обработки информации представлялась на ежегодных международных специализированных выставках «Урал-конверсия, наука, бизнес» (г. Екатеринбург, 1994-1999 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в пяти работах [115, 117-120]. По тематике диссертации получено два патента Российской федерации [165, 167].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, библиографического списка (173 наименования), 9 приложений. Диссертация изложена на 222 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц, 31 рисунок.
Автор выражает благодарность и искреннюю признательность д.т.н. Б.Д. Половову (УГГГА), к.т.н. А.А. Аксенову, к.т.н. А.Г. Стороженко (УФ ВНИМИ), д.т.н. Н.П. Влоху, к.т.н. В.И. Дорошенко (АН У О ИГД) за ценную помощь и советы при работе над диссертацией и содействие в проведении практических исследований.
Внезапный выброс как вид проявления горного давления
Эффективность и безопасность разработки угольных месторождений во многом зависит от характера и величины горного давления. Под горным давлением рассматриваются силы, возникающие в массиве горных пород при любом искусственном нарушении первоначального его состояния и являющиеся функцией напряжений, физико-механических свойств [17]. При подземной разработке полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений в результате нарушения естественного напряженного состояния массива горных пород на отдельных его объектах возникает комплекс физических явлений и процессов, характеризуемых как проявления горного давления [10, 146]. Факторы, влияющие на проявления горного давления, подразделяются на три группы: а) исходное горное давление; б) структурно-механические условия (структура, тектоника и трещино ватость); в) горно-технические условия (размеры горных выработок, способ проведения горных выработок, скорость проведения горных выработок, виды горной крепи, система разработки, упрочнение и разупрочнение горных пород).
В естественном состоянии массив горных пород представляет собой сложную механическую среду. Среда массива состоит из слоев с различными физико-механическими свойствами, которые, в свою очередь, анизотропны, неоднородны и ослаблены рядом поверхностей естественной трещиноватости. Условия образования, свойства и состояние массива зависят от исходного состава пород, метаморфических и тектонических процессов.
До проведения в массиве выработок и до различных воздействий на него (взрывами, дегазацией, поверхностно-активными веществами и т.д.) массив находится в исходном естественном равновесном напряженном состоянии. Основным фактором, определяющим естественное напряженное состояние горного массива, является собственный вес пород до земной поверхности (гравитация).
Однако, как показывают исследования, в условиях гористого рельефа и районах интенсивных тектонических процессов напряженное состояние массива может значительно отличаться от гравитационного. Следовательно, одной из основных задач шахтных исследований является определение начального напряженного состояния массива горных пород, то есть определение направления и величин напряжений на различных его участках [13, 59, 84].
Проведение в массиве выработок, а также воздействие на массив приводят к нарушению его естественного исходного напряженного состояния, в результате чего породы в области их влияния деформируются и перемещаются с различной интенсивностью во времени. Этот процесс изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород продолжается до тех пор, пока не достигается новое его равновесное состояние [10].
При напряжениях в породах на контуре выработки меньших, чем их длительная предельная прочность, происходят преимущественно деформации упругого восстановления пород. Здесь породы в течение всего срока службы остаются в устойчивом состоянии даже при отсутствии крепи. В этих условиях при установке жесткой крепи непосредственно у забоя возможно большое давление на нее, величина которого будет определяться компенсируемыми крепью величинами перемещения пород.
Если напряжения в породах на контуре больше их длительной предельной прочности, то в окружающем выработку массиве образуются области неупругих пластических деформаций и разрушения пород. В зависимости от напряженного состояния массива и его прочностных, деформационных и реологических характеристик, а также характеристик применяемой крепи, здесь могут возникнуть самые различные виды проявления горного давления и его последствия.
Если породы до момента достижения предела прочности деформируются преимущественно в упругом режиме и склонны к накоплению значительной упругой энергии, то их разрушения могут происходить в виде динамического явления, сопровождающегося выбросом разрушенных пород в выработку и возникновением мощной воздушной волны.
При динамическом проявлении горного давления изменения напряжений происходят очень быстро (до десятков метров в секунду) [59]. Если в такое движение вовлекаются достаточно большие массы пород, то последствия его зачастую оказываются катастрофическими.
Если же породы до достижения предела прочности получают значительную остаточную деформацию, то процесс изменения напряженно-деформированного состояния массива вокруг выработки происходит постепенно (статическое проявление). При этом размеры зон неупругих деформаций и нарушение сплошности массива пород вокруг выработки постепенно увеличивается во времени по мере удаления от забоя [10]. Например, при постепенном увеличении выработанного пространства горное давление проявляется в виде образования трещин в кровле или стенках выработок.
Основными видами статического проявления горного давления являются [13. 25, 59, 107]: 1) упругая деформация; 2) неупругая деформация; 3) упруго-пластичная деформация; 4) закол (деформация сравнительно небольших объемов); 5) вывал (падение горных пород объемом до нескольких кубических метров); 6) обрушение (вывал, который охватывает всю выработку); 7) разрушение (деформация, аналогичная обрушению, захватывающая значительные объемы по простиранию выработки); 8) конвергенция (постепенное плавное сближение стенок, почвы и кровли); 9) пучение (деформация, вызванная взаимодействием воды с породами).
К динамическим видам проявления горного давления можно отнести отжим угля и резкие осадки кровли в забое, горные удары, внезапные выбросы угля и газа, прорывы подземных вод и плывунов и др.
При исследовании проявлений горного давления нельзя смешивать разные по своему происхождению явления, так как меры борьбы с ними могут быть противоположными. В частности, по газовыделению, количеству и фракциям выброшенного угля внезапные выбросы иногда трудно отличить от внезапных высыпаний или обрушений угля [54].
Следовательно, существуют различные виды проявления горного давления и они зависят в основном от величины и характера изменения напряженного состояния массива горных пород. Кроме того, проявления горного давления могут быть классифицированы по причинам возникновения [54, 83]. Классификация видов проявления горного давления дана на рис. 1.1. Отсутствие в течение многих лет достаточно ясного представления о причинах и механизме возникновения динамических явлений, в том числе внезапных выбросов, в значительной степени объясняется не комплексным подходом, стремлением связать эти явления с каким-нибудь одним, часто произвольно выбранным фактором.
Структура информационного обеспечения управления выбросоопасностью горнотехнологических объектов
Для управления процессом возникновения внезапных выбросов угля и газа на горнотехнологическом объекте необходимо контролировать изменения уровня сигналов электромагнитной и акустической эмиссии массива горных пород, начальную скорость газовыделения из шпуров, мощность, выход штыба, уровень грунтовых вод, учитывать массу добытого ископаемого и другие величины.
При этом к управляющим воздействиям относим скорость продвижения забоя, интенсивность взрывных работ, противодеформационные мероприятия, мероприятия по снижению горного давления и давления газа в угле, выбор системы разработки пластов угля, бурение опережающих скважин, предварительную дегазацию угольных пластов.
Объектом управления (ОУ) является процесс возникновения внезапного выброса на горнотехнологическом объекте шахты. По принципу воздействия на объект управления управляющие воздействия разделяются на две группы: первая - увеличивающие устойчивость массива горных пород (снижение горного давления, снижение количества газа в пласте, бурение опережающих скважин, дегазация, сплошное крепление забоя); вторая - снижающие устойчивость массива горных пород (скорость продвижения забоя, сотрясательное взрывание, бурение скважин большого диаметра).
Воздействия природных факторов Zb..Zk (геомеханических, горнотехнических, газодинамических) изменяются случайным образом во времени, могут быть детерминированными и случайными (дестабилизирующими, инертными, стабилизирующими). Детерминированные воздействия могут быть контролируемыми во времени, но не могут быть оперативно и целенаправленно изменены. Примерами детерминированных природных воздействий являются плавное увеличение мощности пласта, увеличение глубины разработки.
Случайные воздействия (помехи) не могут быть проконтролированы. О них в лучшем случае могут знать, но учесть их в процессе работ практически невозможно. Внезапное обрушение угля с повышенным газовыделением является дестабилизирующим случайным воздействием, влияние электрических полей на массив горных пород - инертным воздействием, а образование разгрузочных пазов - стабилизирующим.
Техногенные воздействия Yi...Ym связаны с деятельностью человека, также могут быть детерминированными (управляющими) и случайными. Примером случайного техногенного воздействия является возникновение внезапного выброса при бурении опережающих скважин. Детерминированными (управляющими) воздействиями являются проводимые технологические и профилактические мероприятия для снижения выбросоопасности горнотехнологического объекта.
Целевой функцией управления является эффективная и безаварийная работа шахты по фактору выбросоопасности. Одной из основных задач, возникающих при реализации целевой функции управления, является автоматизация процесса сбора и обработки информации о выбросоопасном состоянии горнотехнологического объекта. Решение данной задачи возможно только при наличии на предприятии общешахтной системы информационного обеспечения управления.
Система сбора и обработки информации о выбросоопасности преобразует информацию о состоянии объекта к виду удобному для лица, принимающего решения (ЛПР). ЛПР оценивает состояние объекта (категория выбросоопасности, развитие процесса), принимает решения (программа работ, сроки, контроль состояния объекта и т.д.) и вырабатывает алгоршмы управления Ui...Us в соответствии с требованиями к объекту, которые при соответствующих организационных решениях реализуются на шахте.
Основным источником статистической информации при решении задач контроля выбросоопасности является банк данных по внезапным выбросам. В основу структуры этого банка положен акт расследования аварии [107]. В банк данных вводятся все изменения значений параметров контроля, возникающие в процессе эксплуатации объекта.
Сбор и передача данных осуществляется для определения исходной информации о состоянии объекта (измерение, фильтрация, масштабирование и др.).
Затем оценивается состояние объекта и осуществляется построение алгоритма контроля. ЛПР оценивает адекватность описания процесса возникновения внезапных выбросов и, если полученный алгоритм контроля не удовлетворяет ЛПР, то проводится его корректировка. Корректировка алгоритма контроля осуществляется при изменении условий контроля, количества измеряемых параметров, измерительной сети расположения датчиков Процесс возникновения внезапных выбросов на ГТО Сбор и передача данных Интервалы контроля Первичная обработка данных Эксперты Обработка данных Оценка состояния объекта Банк данных Построение алгоритма контроля Оценка ЛПР адекватности описания процесса возникновения внезапных выбросов на ГТО Корректировка алгоритма контроля Принятие ЛПР решения Технологические работы Профилактические работы Рис. 2.2. Структура информационного обеспечения управления выбросоопасностыо горнотехнологических объектов на объекте и в соответствии с рекомендациями экспертов. Для принятия решения о состоянии объекта осуществляется сбор, обработка и представление ЛПР информации: а) статистические данные о взаимосвязи внезапных выбросов с горногеологическими и горно-техническими факторами; б) результаты приборного контроля состояния объекта; в) экспертные оценки о выбросоопасных объектах и опасности воз никновения внезапных выбросов; г) сведения об отклонениях параметров технологического процесса от проектных решений (увеличение газоносности угля, снижение скорости про движения горных работ и др.).
Определение концепции построения системы подземного мониторинга
В основу интегрированной системы подземного мониторинга должны быть положены системо-технические принципы: соответствие государственным стандартам и требованиям по безопасности; высокая надежность технических и программных средств; многоуровневость и распределенность; работа в реальном времени; совместимость снизу с существующими техническими средствами; совместимость сверху с существующими и перспективными информационными системами; максимальное использование стандартных аппаратных и программных средств, интерфейсов и протоколов связи; возможность оперативного и интерактивного создания и изменения основных характеристик системы службой эксплуатации.
При такой постановке задачи система сбора и обработки информации о вы-бросоопасности шахт выступает как подсистема интегрированной системы подземного мониторинга, а по своему функциональному назначению фактически представляет собой разновидность экспертной системы (ЭС).
Особенностью большинства экспертных систем является оценка и прогноз развития ситуаций на контролируемых объектах [38]. Их база знаний состоит из продукции вида: «Если параметр А не в норме, то следуют действия В,С,...». Эти экспертные знания позволяют принимать решение.
Для эффективной работы ЭС необходимо преобразовать описание исходной задачи в рабочую программу. Эту функцшо выполняет программа планировщик. Планировщик постоянно общается с базой знаний, откуда он черпает информацию о способах решения тех или иных задач о том, как составляются рабочие программы для ЭВМ. Таким образом, одну экспертную систему составляют диалоговый процессор, база знаний и планировщик, которые образуют так называемый интеллектуальный интерфейс между пользователями и компьютером (рис. 3.2).
ЭС должна быть снабжена подсистемой объяснения, которая объясняет пользователю принятое решение. Применение ЭС позволяет специалистам средней квалификации решать задачи высшей квалификации в реальном масштабе времени.
В общем случае интегрированная система подземного мониторинга состоит из элементов, различающихся по выполняемым функциям, принципам действия и другим параметрам: - первичные преобразователи информации, т.е. датчики, которые осуществляют преобразование управляемой или контролируемой физической величины в форму, доступную измерению и передаче; - вторичные преобразователи информации, в них происходит фильтрация, усреднение, линеаризация и дальнейшее преобразование информации, поступающей с первичных преобразователей; - различного рода вычислительные устройства; - средства передачи данных внутри распределенной системы, которые осуществляют обмен информацией между различными ее элементами (локальная вычислительная система); - средства передачи данных между различными распределенными системами, которые осуществляют обмен информацией между головными элементами различных распределенных систем; - стандартное периферийное оборудование, с помощью которого осуществляется перенос информации на магнитные и бумажные носители и ввод информации с магнитных носителей и клавиатуры; - нестандартное периферийное оборудование, к которым в основном относятся средства связи с объектами. no Таким образом, задачи сбора, передачи и обработки информации о выбро сопасности горнотехнологических объектов, целесообразно решать комплексно с другими задачами подземного мониторинга. В частности, ряд закономерностей, полученных для контроля выбросоопасности объектов, являются актуальными для контроля удароопасности [107, 108].
Предложенная структура интегрированной системы подземного мониторинга требует конкретизации в зависимости от решаемых задач, условий и способов добычи угля. Предполагается, что интегрированная система подземного мониторинга будет контролировать выбросоопасность, пожароопасность, ударо-опасность и ряд других параметров комплексно, используя одни и те же аппаратно-программные средства. Ниже описаны варианты системы, разработанные в ходе исследований в УГГГА.
К настоящему времени в нашей стране и за рубежом разработаны варианты систем, осуществляющие сбор и обработку информации о выбросоопасности горнотехнологических объектов разного назначения и уровня технической реализации.
Российско-польское предприятие АММ, созданное в УГГГА, разработало диспетчерскую систему контроля параметров, обеспечивающую контроль продукции; газометрию; раннее обнаружение пожаров; управление конвейерным транспортом; управление водоотливными установками и другим технологическим оборудованием.
В системе использованы программно-аппаратные средства фирмы VENTURON. Общая концепция построения информационных систем, характерная для этой фирмы, заключается в предоставлении разработчику прикладной системы максимального количества готовых подсистем, алгоритмов, средств адаптации оборудования к конкретным горнотехнологическим условиям.
В стандартную конфигурацию системы VENTURON входят IBM-совместимый компьютер, к которому через специальную модемную станцию SAP подключены линии связи от терминальных станций VAL 100/101/102. В состав системы включены специальные устройства, называемые барьерами искробезопасности, позволяющие осуществлять связь центрального компьютера с терминальными станциями при полной искробезопасности. К одному IBM-совместимому компьютеру подключаются станции VAL, которые могут находиться на удалении до 20 км, и к каждой из которых могут быть подключено до 64 датчиков. Датчики могут быть удалены от терминальной станции на расстояние до 1 км.
Центральная станция передачи данных FED содержит до 6 магистралей передачи данных. Каждая магистраль состоит из 2 пар экранированных проводов. К каждой магистрали может быть подключено до 15 локальных станций VAL 101 и 102.
Технические средства автоматизированного контроля выбросоопасности горнотехнологических объектов
В последнее время значительное внимание стало уделяться созданию систем непрерывного контроля параметров ГТО. Все они имеют подземную часть, включающую датчики и преобразующее устройство, выполняющее первичную обработку, преобразование и передачу информации, и поверхностную часть, состоящую из оборудования по обработке, отображению и хранению информации.
Из всего многообразия средств контроля выбросоопасности ГТО наиболее широко применяются средства, основанные на методах контроля параметров, отмеченных в п. 1.5. Ниже описаны технические средства автоматизации наиболее приемлемые для контроля выбросоопасности на шахтах ОАО «Челябинскуголь».
В частности, во ВНИМИ разработана ультразвуковая шахтная станция СБ28 [10], которая предназначена для оценки напряженности горных пород по скорости и затуханию упругих волн. Прибор содержит пьезоэлектрический датчик-преобразователь, регистрирующий блок с частотным фильтром и блоки селекции и индикации. Достоинством станции является ее универсальность, воз можность использования для пассивных и активных измерений. Недостатками станции являются необходимость в дополнительной аппаратуре для визуализации результатов измерений и трудоемкое обслуживание.
Для определения сейсмических характеристик пласта часто применяются различные модификации звукоулавливающей аппаратуры типа ЗУА [10] (ИГД им. А.А.Скочинского). Подземный блок аппаратуры, включающий в себя геофон, передатчик и автономный источник питания. Аппаратура ЗУА позволяет одновременно вести измерения с нескольких геофонов, установленных в различных точках шахты в радиусе до 200 м. Она предназначена для регистрации упругих волн. Волны возникают при образовании трещин. Как известно [8], способность горной породы отражать и преломлять упругие волны характеризуется удельным акустическим сопротивлением Q=P-CM, (4.1) Где р - плотность породы; См - скорость упругой волны в массиве горных пород. По изменению удельного акустического сопротивления можно судить о плотности породы, ее структуре. В качестве используемого сигнала для определения сейсмических характеристик пласта используют шум, генерированный в пласт работающими в забое машинами, механизмами. Регистрация ведется в диапазоне частот от 200 до 2000 Гц. Достоинством аппаратуры ЗУА является ее надежность и простота обслуживания, недостатком - отсутствие визуализации наблюдений и ограниченные возможности для селекции импульсов. Несмотря на то, что данная аппаратура морально устарела, при необходимости ее можно применять для решения отдельных задач сейсмоакустических наблюдений на шахтах ОАО «Челябинск-уголь».
Для решения задач локализации выбросоопасных зон на шахтах Челябинского бассейна, на наш взгляд, целесообразно использовать переносной автоматизированный комплекс «Флора» [133] (ВНИМИ), который позволяет производить бесконтактное зондирование массива горных пород из выработок электромагнитным излучением (ЭМИ).
В маркшейдерской практике находит также применение регистратор «Волна-1» [143], который предназначен для измерения интенсивности акустической и электромагнитной эмиссий.
Особое внимание следует обратить на приборы, разработанные специалистами Уральского филиала ВНИМИ. Прибор АФ 42 [140] позволяет измерять активность, энергию сигнала акустической эмиссии, производить оценку амплитудного распределения событий акустической эмиссии. Локальная сейсмоаку-стическая станция ГС-10 предназначена для проведения мониторинга геодинамических процессов и состоит из многоканального блока аналогового преобразования входных сигналов, ЭВМ, датчиков типа СВ-30, СГ-30, СМ-4.
Необходимо сказать, что данная аппаратура разрабатывалась для условий Челябинского бассейна и прошла промышленные испытания на его шахтах [142]. Поэтому, на наш взгляд, именно ее следует использовать в составе системы сбора и обработки информации для определения сейсмоакустических характеристик ГТО.
Кроме того, предлагаем использовать в системе геофоны с улучшенными характеристиками GS-20DX Super [98], разработанные на совместном предприятии ОИО-ГЕО Импульс. Данные геофоны имеют жесткие допуски параметров - 2.5% и чувствительность 27.6 В/м/с. При этом напряжение на выходе геофона Um при воздействие на него упругой волны с энергией Wy где п - чувствительность пьезоэлемента; т„ - длительность импульса; р - плотность пьезоэлемента; v - скорость упругой волны в пьезоэлементе; Sp - площадь пьезоэлемента.
С большей эффективностью и надежностью, чем контактные, в рассматриваемой системе предлагается использовать герконовые датчики, которые находят широкое применение в автоматике [82]. Основной их недостаток- сравнительно невысокая точность, около одного сантиметра, может быть устранен путем применения повышающих редукторов.
В частности, наКоркинском разрезе (АО «Челябинскуголь») в 1994-1997 годах специалистами УГГГА прошли испытания варианта системы с применением герконовых датчиков смещения. Вторичная аппаратура датчика содержит (рис. 4.1) [167] блоки устранения дребезга герконов, определения направления перемещения, реверсивный счетчик перемещения, генератор тактовых импульсов, схему анализа и устройство отображения информации. Достоинством герконовых датчиков является малая потребляемая мощность и надежность. Механическая часть датчика с герконами устанавливается непосредствен 166 но на горнотехнологическом объекте и соединена с вторичной аппаратурой двухпроводной линией связи. Технические средства контроля параметров шахтной атмосферы.
В настоящее время в системах сбора и обработки информации в условиях горнодобывающих предприятий за рубежом и в России получили датчики фирмы TROLEX (Англия). Их отличает надежность конструкции, высокая степень защиты (IP54-IP66), использование в них современных микропроцессорных средств, которые обеспечивают коррекцию выходного сигнала датчика в условиях непрерывно изменяющихся температуры, влажности, давления и других возмущающих факторов. Поэтому в системе сбора и обработки информации о выбросоопасности объектов шахт Челябинского бассейна предлагаем использовать следующие модели датчиков.
