Исследование и разработка подсистемы управления предепреждением и тушением эндогенных пожаров в системе управления угольных шахт Матвеев, Владимир Викторович

Введение к работе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

б) на стадии производства горных работ с целью оперативного устра
нения самонагревания угля и профилактики возникновения эндогенных по
жаров.

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

Для реализации цели работы в диссертации решаются следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

Научные положення, защищаемые в работе:

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

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

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

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

Автор защищает:

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы:

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

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

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

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

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

Практическая ценность работы:

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

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

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

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы доложены:

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

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

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

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

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