Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние контроля газовых составляющих на угольных шахтах 10
1.1. Оценка взрывоопасное 10
1.2. Прогнозирование газовыделений в горных выработках 13
1.3. Системы контроля и обработки информации о газовом состоянии шахты
1.4. Выводы 25
Глава II. Основные показатели АСК 28
11.1. Экономические показатели АСК 28
11.2. Структура и количество информации в СК 34
11.3. Точность контроля 42
11.4. Выводы 51
Глава III. Анализ угольной шахты как объекта контроля 53
111.1. Вводные замечания 53
111.2. Статистический анализ компонентов шахтной атмосферы 54
111.3. Анализ динамических свойств шахтной газовой среды как объекта контроля
111.4. Статистический анализ факторов, влияющих на взрывоопасность 68
111.5. Выводы 74
Глава IV. Анализ и разработка методов прогноза состояния шахтной атмосферы
IV. 1. Вводные замечания 76
IV.2. Прогноз концентрации метана на основе модели авторегрессии- 76
проинтегрированного скользящего среднего
IV.3. Прогноз на основе «скользящего среднего»
IV.4. Прогноз с помощью экспоненциального сглаживания з
IV.5. Прогноз с помощью контрольных карт 94
IV.6. Выводы 104
Глава V. Исследование эффективности и разработка алгоритмов прогноза аварийного состояния шахтной атмосферы
V.l. Вводные замечания 105
V.2. Критерий промежутков выше и ниже медианы 106
V.3. Критерий числа критических точек 107
V.4. Критерий длины фаз 109
V.5. Критерий последовательного числа точек по одну сторону 110
медианы
V.6. Экспериментальная проверка алгоритма прогноза аварийной 112
ситуации
V.7. Анализ по контрольным пределам 119
V.8. Прогноз концентрации метана по косвенной информации 120
V.9. Техническая реализация системы контроля концентрации газовых 124
компонентов
V. 10. Выводы 132
Глава VI. Развитие и совершенствование АСК на угольных шахтах 134
VI. 1. Вводные замечания 134
VL2. Распределение трещин, возникающих в массиве горных пород 137
VI.2.1. Закон распределения длины трещины в двумерном массиве 138
VI.2.2. Закон распределения длины трещины в пространстве 143
VI.3. Моделирование образования трещин в горном массиве 145
VI.4. Экологический прогноз среды населенных пунктов вблизи 149
угольных шахт
VL5. Выводы 156
Заключение 157
Список литературы
- Прогнозирование газовыделений в горных выработках
- Структура и количество информации в СК
- Анализ динамических свойств шахтной газовой среды как объекта контроля
- Закон распределения длины трещины в двумерном массиве
Прогнозирование газовыделений в горных выработках
Концентрация компонентов шахтной атмосферы в первую очередь влияет на безопасность ведения горных работ. В связи с этим, целесообразно рассмотреть современное состояние оценки и прогнозирования взрыво-пожароопасности шахтной атмосферы.
При оценке взрыво-пожароопасности учитывают вероятность возникновения, природу и интенсивность источников воспламенения, а также условия образования горючих смесей.
По опубликованным в российской литературе данным основными источниками взрыво-пожароопасности в шахтах являются взрывные работы и фрикционное искрение, возникающее при разрушении угольного массива исполнительными органами очистных комбайнов [112]. В работе [30] приводится еще один источник, вызывающий взрыв метановоздушной смеси -это кабельные сети (короткое замыкание и замыкание на землю), а также электрооборудование (нарушение взрывозащиты и эксплутационное искрение). Кроме того, часто взрывоопасная ситуация возникает из-за скопления метана под скребковыми конвейерами в очистных забоях [118].
Основными способами, применяемыми в угольных шахтах, опасных по газу и пыли, для снижения концентрации метана в шахтной атмосфере до установленных норм, являются проветривание и дегазация. Другие известные способы управления газовыделением, включающие физическое воздействие на пласты угля, недостаточно совершенны. Несмотря на значительное число работ [34,45,86,88] по изысканию перспективных технических решений в этом направлении пока не удается в полной мере реализовать возможности эффективного управления пылегазовоздушной средой методами физического воздействия на природное состояние горного массива. Одним из направлений в решении проблемы предупреждения взрывов метана и угольной пыли является применение способов взрывозащиты, основанных на использовании специальных химических соединений, распыленной воды, инертной пыли, ингибиторов и т.д. [7]. Однако все эти методы не дают должного эффекта, а лишь частично снимают проблему взрывоопасности. В нормальном технологическом режиме степень взрывоопасности определяет концентрация горючего компонента в воздухе (метана, оксида углерода, кислорода, водорода и т.д.).
Во время аварийных ситуаций, когда происходят такие процессы, как разложение веществ и материалов, десорбция газов, степень взрывоопасности рассчитывают с помощью "треугольника взрывоопасности", с нанесением на нем точки, характеризующей состав рудничного воздуха [19]. Кроме графических построений, существует аналитический способ расчета, определяющий область взрываемости и точку, характеризующую состав среды [98]. В работе [19] предложен аналитический метод количественной оценки комплексной степени взрывоопасности рудничного воздуха по горючим компонентам и кислороду. Степень взрывоопасности определяют как функцию расположения на графике треугольника взрываемости точки, характеризующей состав среды.
Следует, однако, заметить, что определенная таким образом комплексная степень взрывоопасности предполагает одинаковый "вес" каждой составляющей горючего компонента. В то же время ясно, что с точки зрения взрывоопасности компоненты не равноценны. Кроме того, одинаковая величина комплексной степени взрывоопасности может возникнуть, например, как в результате одинаковой небольшой величины нескольких индивидуальных компонентов, так и в результате очень большой одной индивидуальной компоненты при нулевых всех остальных, что также неравнозначно. Наконец, неясно, как с помощью числового коэффициента оценивать реальную опасность взрыва и с какими границами его сравнивать.
Оценку взрывоопасное можно выполнить несколькими способами: 1) анализом воздуха непосредственно в месте выполнения технологических работ, дистанционной передачей результатов анализа на поверхность, в базу данных персонального компьютера, выполнением расчетов и выдачей конечных результатов; 2) расчетом степени взрываемости газовоздушной смеси газоаналитическим комплексом в месте выполнения горных работ; 3) оценкой степени взрывоопасности газовоздушной смеси непосредственно в месте выполнения работ переносными сигнализирующими устройствами.
Достоинством первого способа является высокая точность получаемой информации. Недостатком его является то, что не всегда во время аварийных ситуаций возможна надежная связь. Более надежна автономная система (второй способ). Однако и здесь есть недостатки - это необходимость автономных источников питания, а требования их взрывозащищенности и искробезопасности делают их громоздкими и дорогостоящими.
Возникновение аварий является результатом комплексного влияния целого ряда природных, технических, экономических и других факторов. Для создания аварийной ситуации необходимым и достаточным условием является образование взрывоопасной смеси и источника высокой температуры. В соответствии с этим комплекс мероприятий по предупреждению аварии включает в себя как способы и средства снижения концентрации газа до безопасных пределов, так и способы и средства, направленные на устранение условий возникновения источников высокой температуры.
Структура и количество информации в СК
Для любого контролируемого параметра в эффективной СК должно иметь место соотношение (П-23). Оно получено из условия обеспечения определенного запаса , времени, пока концентрация взрывоопасных газов достигнет аварийного значения. С учетом того, что надо иметь запас времени на профилактические мероприятия, можно записать t = t4+tpe2 rK, (11-40) где tpez- время, необходимое на предупредительные мероприятия.
Анализ соотношений (П-23), (П-39), (П-40) позволяет выявить возможности повышения эффективности системы. Если не удовлетворяется соотношение (П-23), то контрольные замеры не могут быть использованы для оперативного управления. При невыполнении (П-40), при выполнении (П-23) и оперативном управлении процессом, необходимо изучить причины слишком большого значения t. Основные из них видны из выражения (П-39). Это: - большое время передачи информации ts. Уменьшить ts можно: 1) переходом к автоматизированному сбору и передаче информации; 2) изменением структуры СК и, в частности, ее децентрализацией. - большая величина времени переработки информации tnp. В свою очередь этот случай можно разделить на два: \)tnp велико вследствие большого количества посторонней информации и малой пропускной способности звена переработки. В этом случае, поступив на переработку, информация вынуждена "ждать своей очереди"; 2)tnp велико вследствие сложного характера обработки информации, на который затрачивается значительное время. Кардинальным средством уменьшения tnp является разработка компьютерных систем автоматизированной обработки информации. Одной из важнейших характеристик эффективности СК является точность. Ошибки, имеющие место при производственном контроле, могут быть условно разделены на два вида: - ошибки, связанные с неточностью контролирующей аппаратуры; - ошибки, связанные с изменением контролируемого процесса в период между замерами (ошибки дискретизации).
Ниже показано, что ошибки, связанные с неточностью аппаратуры можно снизить дублируя замеры. Действительно, если/ 0 есть значение концентрации компонента, которое не должно превышаться ни при каких обстоятельствах, а п число параллельно проводимых замеров, то при стандартном отклонении эксперимента т и при условии, что контроль осуществляют по среднему значению параметра по п замерам, граничное значение должно быть не выше где [/,_- квантиль нормального распределения, соответствующая вероятности 1- J3.
В (II-41) предполагается, что ошибки эксперимента распределены по нормальному закону и выводы делаются с достоверностью (1 - J3) -100%.
Из (11-41) видно, что чем менее точны датчики концентрации, то есть чем больше среднеквадратичное отклонение а, тем дальше отстоит предел допустимых значений аварийной концентрации от максимально допустимого значения при прочих равных условиях и тем менее эффективен контроль. Для повышения эффективности контроля приходится увеличивать число параллельных опытов, то есть увеличивать количество датчиков или многократно повторять замеры с одного датчика. Далее рассмотрен основной случай, когда задан односторонний предел концентрации газового компонента, который не должен быть превышен.
Для случая, когда значение контролируемой величины не должно быть больше предельного значения (односторонний критерий) примем следующие допущения: 1) заданное предельное значение концентрации ju0 не должно превышаться с вероятностью больше, чем а = ОД; 2) вероятность получения концентрации газа, отличающаяся на 0,2//0 от значения контролируемого параметра ju0 (т.е. составляющей 0,8//0), должна быть равной 0,9 (т.е. вероятность /3 = ОД). Число / связано с о-, п, и ju0 соотношением (11-41). С другой стороны, с учетом принятого допущения можно записать м=0М+%, (П-42) где /,_„- квантиль нормального распределения, соответствующая вероятности 1-а. Выражения (11-41) и (П-42) написаны для условий, когда значение контролируемого компонента газовой среды не должно быть больше //,. Приравнивая (11-41) и (П-42), получим ( а V 0,2 U a+Uj2 (11-43) и А-Л ТГ1 - (И"44)
Таким образом, получены выражения (П-43) и (П-44), которые позволяют рассчитать число параллельных замеров, показания которых следует усреднить и граничное значение контролируемого параметра, при достижении которого должен подаваться аварийный сигнал. Задаваясь величиной ju0, и определяя для конкретной шахты т, эти величины можно рассчитать.
Другую значительную группу ошибок составляют ошибки, связанные с изменением контролируемой величины в период между замерами. Они обусловлены процессом квантования и могут быть сделаны сколь угодно малыми при уменьшении интервала дискретности.
Выбор интервала дискретности рассматривался в целом ряде работ по теоретической радиотехнике и автоматике. Значительные теоретические результаты получены В.А. Котельниковым [48], Ю.Г. Поляком [84], М.И. Паниным [52], и др. Применительно к радиотехническим сигналам эти вопросы рассмотрены в [12], где приведена библиография по этому вопросу.
В то же время, вопрос выбора оптимального интервала квантования в ряде практических задач до конца не решен. В большинстве приведенных работ использовано частотное представление сигнала, что требует его дополнительной обработки. Многие работы носят теоретический характер и использование их результатов на практике затруднительно.
Ниже рассматривается выбор интервала между замерами из условия минимума максимальной ошибки, минимума среднеквадратичной ошибки и из условия непревышения (с заданной вероятностью) скоростью изменения случайного процесса заранее установленной величины.
При дискретных методах контроля непрерывных процессов измеряемую величину в интервале между замерами считают обычно равной ее последнему наблюдаемому значению, т.е. экстраполируют ее полином нулевой степени.
В связи с установкой на предприятиях угольной отрасли АСК имеется возможность вычисления измеряемой величины в интервале между замерами по более сложному закону, чем полином нулевой степени. Далее рассматривается целесообразность экстраполяции непрерывного процесса полиномом первой степени.
Анализ динамических свойств шахтной газовой среды как объекта контроля
Во всех наблюдаемых нами АКФ имеют место медленно затухающие гармонические колебания. В связи с этим было проведено дополнительное исследование. Целью его являлось определение природы колебаний АКФ и выработка практических рекомендаций по использованию АКФ для статистического анализа шахтной атмосферы как объекта контроля.
Рабочее предположение состояло в том, что контролируемый параметр (СБЦ, СО) в текущий момент времени зависит не только от значения этого параметра в предыдущий момент времени, но и от значения, предшествующего предыдущему. В этом случае, процесс может быть отнесен к случайным процессам Юла [41], и значение контролируемой величины в произвольный момент времени t можно представить как
График автокорреляционной функции от АКФ для концентрации СН4, дата-3.10.98 где ut, им, ut.2 - контролируемая составляющая, газовой среды в моменты времени t, t-1, t-2 соответственно; st - случайная составляющая, независимая от ut.i,ut.2-В Приложении П.Ш показано, что при описании случайного процесса контролируемой газовой составляющей в виде (III-15) имеет место соотношение Рк=ВЕ!1щкв)у (III-16) smt? где рх,рк - значение АКФ в момент времени А ийг. Из (III-16) видно, что при р=1 коэффициент корреляции между измеренным в данный момент содержанием вредной примеси в шахтной атмосфере и содержанием этой же примеси, сдвинутым на к интервалов, т.е. -ординаты АКФ в зависимости от величины сдвига во времени к образуют незатухающие колебания рк = f(k).
При р 1 колебания рк, т.е. АКФ неограниченно возрастают. Повидимому этот случай представляет чисто теоретический интерес и на практике никогда не встречается. При р 1 - это основной практический случай, зависимость Рк /W представляет собой затухающие гармонические колебания.
Таким образом, наличие затухающих гармонических колебаний в АКФ возможно обусловлено физическими особенностями шахтной атмосферы как объекта контроля и является свидетельством того, что значения содержания как СО, так и СНд обусловлены в первую очередь двумя предыдущими значениями соответствующих параметров и не зависят от интервала контроля параметров. Для проверки этого предположения нами получены АКФ при различных интервалах между замерами.
Анализ АКФ показывает, что с увеличением времени между моментами съема информации частота колебаний кривой АКФ уменьшается. Таким образом, высокочастотные выбросы АКФ обусловлены слишком малым временем между первичными данными. Малое время вызывает сильную взаимосвязь текущего состояния газовой среды с несколькими предыдущими замерами.
При достаточно больших интервалах между замерами газовой среды характер АКФ не меняется - в ней во всех без исключения случаях наблюдается зона с отрицательной взаимосвязью параметров. Это заставляет предположить, что имеется взаимосвязь содержания метана в текущий момент времени с содержанием метана в нескольких предшествующих моментах времени.
Для расчета количества воздуха, подаваемого на разбавление вредных примесей (CELt, СО) следует определять время спада АКФ с учетом приведенных выше соображений. За время спада следует принять время, когда АКФ можно считать незначимо отличающейся от нуля. При определении времени спада одновременно с АКФ следует вычислять доверительные пределы (показаны на рис. III-1 и Ш-3) и считать АКФ, отличающуюся незначимо от нуля, когда она не выходит из диапазона доверительных пределов.
Данные по времени спада АКФ можно использовать: - для выбора интервала съема информации, которая будет учитываться для расчета количества чистого воздуха, подаваемого в выработки; - для выбора предельного интервала, через который следует опрашивать датчики. Таким образом, на основе фактического материала предложена методика обработки данных о состоянии газовой среды, определены параметры АКФ и указаны направления их возможного использования в АСК за состоянием шахтной атмосферы.
Закон распределения длины трещины в двумерном массиве
Одним из методов, который может быть применен для прогноза концентрации компонентов газовой среды, является метод контрольных карт (КК). КК широко используют при контроле качества дискретных, в частности, машиностроительных производств. Для непрерывных процессов, в частности, для контроля концентрации компонентов шахтной атмосферы этот метод впервые предложено использовать в [62]. Надо, однако, отметить, что в [62] высказана лишь идея метода КК для прогноза газовых компонентов и даны общие соображения об анализе информации, необходимой для построения КК. Ниже использование КК конкретизировано и доведено до практических рекомендаций.
Прогнозирование концентрации газовых компонентов при применении контрольных карт основывается на гипотезе, что наблюдаемый закон распределения вероятностей контролируемой величины определяет настройка процесса и его рассеяние. Характеристикой рассеяния может, например, служить стандартное отклонение процесса [42,49,75]. Характеристикой настройки может быть замеренное значение концентрации СН4 и СО (индивидуальное значение), среднее значение концентрации за длительный период, средневыборочное значение концентрации (см. ниже) и др.
Прогнозирование хода процесса состоит в этом случае в следующем.
По определенным образом составленному плану контроля берут выборки измеренных значений концентрации. Выборка в общем случае состоит из нескольких последовательных замеров, сделанных с небольшим интервалом времени. Оценивая по ним ход изменения концентрации, можно судить об отклонениях концентрации от некоторых значений, принятых за нормальные. В классическом варианте использования КК результаты текущих измерений параметра наносят на контрольную карту через определенный интервал, соответствующий времени между замерами. На контрольной карте помимо этого, указывают настройку, например среднее значение параметра, которое должно выдерживаться при нормальном ходе контролируемого процесса, а также верхний и нижний контрольные пределы, выход параметра за которые является весьма мало вероятным при нормальном течении процесса. По расположению точек на контрольной карте можно судить об изменениях в состоянии горно-технологического объекта. При выходе параметра за верхний (ВКП) или нижний (НКП) контрольный предел следует ожидать, что либо изменилась настройка процесса - например, средняя концентрация, либо изменилась стабильность его, либо произошло случайное событие, состоящее в наблюдении ненормальных отклонений параметра при нормальном течении процесса. Однако вероятность такого события при правильно рассчитанном плане контроля обычно мала. При малой вероятности выхода за контрольные пределы выход параметра за пределы считается практически невозможным, ввиду чего отыскивают и устраняют причину изменения концентрации газовых компонентов.
Следует отметить, что применительно к контролю за состоянием газовой среды шахты в классический метод контроля должны быть внесены некоторые изменения:
1. Состояние газовой среды можно охарактеризовать совокупностью нескольких параметров: концентрации метана, окиси углерода, пыли и т.д. В реальной системе контроля количество измеряемых компонентов зависит от имеющихся датчиков. В случае, если газовую среду характеризует более одного параметра, КК следует строить для каждого параметра.
2. При смещении настройки-среднего значения концентрации опасность представляет выход концентрации за ВКП. Именно в этом случае система контроля должна прогнозировать аварийную ситуацию. 3. При регистрации тенденции к выходу среднего значения концентрации за НКП система может дать информационный сигнал, который указывает на возможное изменение горнотехнических или технологических условий добычи угля.
4. При анализе рассеяния интерес также представляет выход за ВКП. Выход за ВКП указывает на изменение технологических или горнодинамических характеристик объекта, которые привели к большей нестабильности концентрации. В свою очередь, последняя может стать источником повышенной опасности вследствие загазованности.
Особенностью КК является возможность заметить начинающееся аварийное состояние по характерному расположению точек на КК, указывающему на систематическое изменение контролируемой величины. Типичная контрольная карта приведена на рисунке IV-10. Как видно из карты, начиная с восьмой выборки в изменении контролируемого параметра заметна устойчивая тенденция к уменьшению его величины.
При использовании КК следует через небольшое время осуществить несколько замеров контролируемого параметра: СН и СО. В экспериментальных исследованиях замерялся параметр через время, равное 2 мин. Количество замеров равнялось трем. Далее три замера параметра газовой атмосферы, взятые через незначительный интервал времени, как принято в методе КК, названы выборкой.
