Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние проблем экологической и промышленной безопасности в угольной промышленности. Постановка задачи и цели исследования 6
1.1. Экологическое влияние предприятий угольной промышленности (действующих и ликвидируемых) на окружающую природную среду 6
1.2. Структура отрицательных техногенных воздействий угледобывающих предприятий 27
1.3. Состояние и направление развития систем мониторинга экологической и промышленной безопасности при подземной угледобыче 41
1.4. Общее состояние систем мониторинга экблогичности и безопасности в России и за рубежом 58
1.5. Постановка задачи и цели исследования 69
Выводы по главе 1 74
Глава 2. Концепция создания геоэкологического мониторинга подземной угледобычи 15
2.1. Обоснование целесообразности создания обобщенной системы мониторинга экологичности и безопасности подземной угледобычи. Принципиальные основы посгроения системы геоэкологического мониторинга как интегрированной иерархической системы ; 75
2.2. Исследование факторов безопасности труда с позиции обобщенной системы мониторинга при подземной угледобыче 90
2.3. Структурные параметры геоэкологического мониторинга подземной угледобычи в иерархической трехуровневой системе 106
2.4. Научные и методические проблемы реализации системы геоэкологического мониторинга на угольных предприятиях и в регионах 119
2.5. Основные принципы формирования автоматизированной системы геоэкологического мониторинга шахтной угледобычи 128
Выводы по главе 2 137
Глава 3. Разработка методов исследования экологических и технологических параметров безопасности при подземной угледобыче 139
3.1. Методы анализа случайных процессов, обеспечивающие достоверность характеристик информационных потоков 139
3.2. Исследование контролируемых параметров с позиций адаптивности опроса информационных источников и выявления тревожных ситуаций в реальном масштабе времени 149
3.3. Достоверность и эффективность полученных результатов 152
Выводы по главе 3 153
Глава 4. Исследование динамики геоэкологических процессов подземной угледобычи на основе разработанных моделей 155
4.1. Исследование динамики процесса изменения концентрации метана в исходящих струях выемочного участка 155
4.2. Исследование динамики изменения скорости воздушных потоков 163
4.3. Исследование примесей различных веществ в воде и выявление взаимных корреляций 169
Выводы по главе 4 182
Глава 5. Разработка методического подхода к определению рационального приборного и программного оснащения систем геоэкологического мониторинга угольных предприятий 183
5.1. Анализ состояния приборного оснащения систем экологической и промышленной безопасности для угольных шахт 183
5.2. Разработка методики оптимизации приборного оснащения систем автоматизированно геоэкологического мониторинга угольных предприятий и регионов : 212
5.3. Анализ российского приборного рынка с позиций оптимизации геоэкомониторинговых систем 227
Выводы по главе 5 271
Глава 6. Практическая реализация концептуальных основ создания систем геоэкологического мониторинга 272
6.1. Подсистема автоматизированного экомониторинга «Аютинская» ОАО «Ростовуголь» 272
6.2. Подсистемы автоматизированного экомониторинга закрываемых шахт Кизеловского угольного бассейна и Ленинградского сланцевого бассейна и систем промышленной безопасности шахт Кузбасса 294
Выводы по главе 6 303
Заключение 305
Литература 307
- Состояние и направление развития систем мониторинга экологической и промышленной безопасности при подземной угледобыче
- Исследование факторов безопасности труда с позиции обобщенной системы мониторинга при подземной угледобыче
- Методы анализа случайных процессов, обеспечивающие достоверность характеристик информационных потоков
- Исследование примесей различных веществ в воде и выявление взаимных корреляций
Введение к работе
Актуальность работы. Современное угледобывающее производство, особенно подземное, продолжает оставаться одним из наиболее опасных. Негативное влияние угледобычи на окружающую среду происходит при всех видах производственных процессов. Наиболее сильно оно проявляется в провалах земной поверхности и при таких авариях, как взрывы газа и угольной пыли, внезапные выбросы угля и газа, подземные пожары, прорывы воды.
Анализ же удельных показателей, характеризующих степень негативного воздействия угледобычи на окружающую среду, свидетельствует о значительном росте природоемкости угледобывающего производства. В частности, удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу возросли с 1,14 т загрязняющих веществ на 1 тыс. т добычи в 1991 году до 2,6 т в 1999 г. За этот же период доля рекультивированных от нарушенных за год земель снизилась с 82 до 78%; уровень сброса загрязненных сточных вод увеличился на 13, а доля уловленных вредных веществ в объеме выбросов сократилась с 74,8 до 30,3%. При этом мощность очистных сооружений, обеспечивающих нормативную очистку, снизилась на 13,8%.
Снижение негативного воздействия подземной угледобычи на окружающую среду может быть достигнуто, в первую очередь, посредством разработки и внедрения передовых экологически и промышленно безопасных технологий выемки угля и совершенствования горной техники. Но развитие технологии и техники пока не компенсирует повышающегося воздействия постоянно усложняющихся условий подземной угледобычи, связанных с углублением горных работ, воздействием на процесс угледобычи различных природных опасностей: увеличенная газоносность, газодинамические проявления, повышающаяся температура горного массива, повышенная минерализация шахтных вод,
агрессивность выдаваемых пород. ОсбІ^о<^^Й6Я'лл6і^йЙ'авляет
«А I
Лктфбург/Vg I
постоянно меняющаяся динамика этих явлений, без учета которой возможны катастрофические экологические и технические последствия.
Для контроля за степенью воздействия угледобывающего производства на окружающую среду в отрасли осуществляется экологический мониторинг, а для обеспечения технической безопасности -производственный. Кажущаяся продуктивность функционирования этих систем (350 тыс. анализов проб воды и 4 тыс. анализов проб воздуха в год), не обеспечивает необходимую периодичность и представительность экологической информации и не позволяет осуществлять оперативную оценку возможного развития неблагоприятных ситуаций, связанных с технологическими процессами подземной угледобычи. Кроме того, существующая система контроля влияния угледобычи не учитывает конкретные геоэкологические характеристики территорий и разрабатываемого месторождения.
Таким образом, создание интегрированной автоматизированной системы геоэкологического мониторинга, обеспечивающей оперативный контроль экологической и промышленной безопасности подземной угледобычи, является актуальной научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.
Целью работы является создание методологических основ геоэкологического мониторинга подземной угледобычи, позволяющего повысить экологическую и промышленную безопасность функционирования угольных шахт.
Идея работы заключается в том, чтобы на основе системного анализа характеристик экологической и промышленной безопасности угледобычи, осуществить структурный синтез интегрированной системы геоэкологического мониторинга.
Объект исследования - предприятия по подземной добыче угля как
техногенные геоэкологические системы и подвергаемая их воздействиям
окружающая среда угледобывающих регионов. і <
Предмет исследования - геоэкологические взаимосвязи между параметрами угледобывающих предприятий и уровнем их экологической и промышленной безопасности в системе геоэкологического мониторинга.
Методы исследований: системный анализ и обобщение результатов исследований в области создания мониторинговых систем; инструментальный анализ и экспериментальные исследования информационных параметров, характеризующих промышленную и экологическую безопасность; теория случайных процессов; математическое моделирование.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Основой обеспечения экологической и промышленной безопасности угледобычи является геоэкологический мониторинг как интегрированная, иерархическая система контроля производственных процессов, обеспечивающая промышленную безопасность подземной угледобычи и снижение негативных воздействий на экосистемы.
-
Эффективное решение задачи геоэкологического мониторинга подземной угледобычи достигается исключительно в рамках интеллектуальной автоматизированной человеко-машинной системы, имеющей иерархическую трехуровневую структуру построения и обеспечивающей не только оперативный контроль, но и оперативное прогнозирование параметров экологической и промышленной безопасности технологических процессов шахтной угледобычи.
-
Необходимая достоверность характеристик информационных потоков, оптимизация процедуры опроса датчиков и определение пороговых значений их чувствительности обеспечиваются разработапными математическими моделями корреляционных функций, характеризующих информационные потоки, циркулирующие в системе геоэкомониторинга.
-
Выявление в реальном масштабе времени тревожных ситуаций в производственной среде, прогнозирование дальнейшего хода развития ситуаций и принятие соответствующих упреждающих действий
обеспечиваются непрерывным анализом параметров, характеризующих промышленную безопасность.
-
Своевременная оценка параметров, характеризующих безопасность производственной среды, достигается путем адаптивного способа опроса информационных источников в соответствии с динамикой развития неблагоприятной ситуации.
-
Адаптивность опроса информационных источников обеспечивается спектральным анализом непрерывного потока контролируемых сигналов, характеризующих безопасность и экологичность угольного предприятия.
-
Анализ взаимной корреляции примесей в водной среде посредством использования вычислительной базы геоэкологического мониторинга позволяет выявлять источники несанкционированного, аварийного сброса вредных и опасных примесей.
Научная новизна исследований заключается в создании методологических основ геоэкологического мониторинга подземной угледобычи, направленного на обеспечение промышленной и экологической безопасности, включающих:
методологию построения и рационализации иерархической структуры системы геоэкологического мониторинга, отличающуюся учетом выявленных геоэкологических закономерностей и возможностью оптимизации ее информационного и программно-аппаратного насыщения при обеспечении экологической и технической безопасности угледобывающего производства;
систему адаптивности мониторинга, позволяющую идентифицировать источники загрязнений (точечные чрезвычайные сбросы и выбросы) и отличающуюся возможностью реализации различных мониторинговых режимов контроля экологической и промышленной безопасности угледобывающего производства;
научный подход к обоснованию требований к первичной информации,
аппаратным средствам, программному и организационному
обеспечению системы геоэкологического мониторинга подземной
угледобычи, отличающийся возможностью оптимизации
мониторинговых параметров;
метод исследования газодинамических процессов в очистном забое по
параметрам метан-воздух, основанный на вычислении корреляционных
связей между скоростью воздушного потока и концентрацией метана в
свежей и исходящей струях очистного забоя, позволяющий оценивать
интенсивность дополнительного метановыделения из выработанного
пространства и выбирать режимы проветривания, снижающие
динамику переходных газодинамических процессов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием большого объема данных государственной статистической отчетности, изучением и обобщением результатов многочисленных исследований отечественных и зарубежных авторов, многолетними наблюдениями и экспериментальными исследованиями автора на более чем 40 шахтах РФ, успешной реализацией основных положений диссертации в ряде проектов института
//Т~,ттгто^т,тт*1а'ПТПАлаттл'эатттла\\ па<атт*»ттттт.тл" тага ттг*ґуга-<хгс*тттгтж гтгчоттатттлтл-v Ч тт«т
'« »-»»» Ч/ J Л. «1VIW Л. ^1ІІ1ЛЛІЛЛ«,ІІ/1//, UAIW^I Will JXU л uu aAJ^ w i/uivviiiui ІІЧУ wwiw/J^AiiJi »» JAW X
на действующих и закрываемых предприятиях с подземной угледобычей.
Научное значение работы состоит:
в обосновании концептуальных положений геоэкологического мониторинга подземной угледобычи, направленного на обеспечение экологической и промышленной безопасности;
в выявлении взаимосвязей между природно-климатическими и горногеологическими характеристиками месторождения, параметрами производства и уровнями экологической и промышленной безопасности
угледобычи, позволяющих оптимизировать информационное и программно-аппаратное насыщение системы геоэкологического мониторинга подземной угледобычи;
в разработке моделей идентификации источников множественных загрязнений, основанных на анализе корреляций процессов изменения содержания этих примесей в контролируемой среде;
в разработке методического подхода к созданию адаптивного (с изменяющейся частотой) способа опроса информационных источников, при котором обеспечивается своевременная оценка параметров, характеризующих безопасность производственной среды.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенная методология позволяет принимать научно обоснованные решения при разработке технических заданий и проектировании автоматизированных систем геоэкологического мониторинга угольных предприятий, а также при выборе технических средств аппаратного обеспечения.
Апробация работы: результаты исследований докладывались на Международной конференции «Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха «Воздух-95» (Санкт-Петербург, 1995 г.), Первой международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, 2002 г.), Неделе горняка в МГТУ (Москва, 2000 и 2002 г.г.), 7-м Международном симпозиуме по менеджменту выбросов в окружающую среду и отходов в энергетике и горной промышленности (Италия, 2002 г.), научных семинарах в МГТУ (Москва, 2002 и 2003 г.г.), Ш съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2003 г.).
Реализация выводов и рекомендаций. Основные результаты работы реализованы на производственных объектах угольной промышленности Российской Федерации, а именно при внедрении различных автоматизированных подсистем геоэкологического мониторинга: шахты «Инская» (Кузбасс, «Беловоуголь»); шахты «Егозовская» (Кузбасс «Ленинскуголь»); шахтах ОАО «Ленинградсланец» и ОАО «Кизелуголь».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 3 монографии и 8 статей в изданиях рекомендуемых ВАК Минобразования России.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 41 рисунок, 32 таблицы, список литературы из 256 наименований.
Состояние и направление развития систем мониторинга экологической и промышленной безопасности при подземной угледобыче
Переход от сугубо функциональных (локальных) подсистем и средств контроля отдельных процессов к обобщенной их совокупности в рамках единой системы с использованием вычислительных средств необходимой мощности позволяет получить новый более высокий качественный результат по обеспечению безопасности подземной угледобычи.
В такой обобщенной системе мониторинга обеспечивается непрерывная концентрация информации об абсолютном большинстве параметров безопасности на уровне оперативно-диспетчерского управления и, что самое главное, появляется возможность оперативного (в реального " масштабе времени) многофакторного анализа большой совокупности данных по разным взаимосвязанным процессам, позволяющая распознавать нормальные, предаварийные (тревожные) и аварийные ситуации, прогнозировать их развитие; представлять обоснованные рекомендации по действиям оперативного персонала в предаварииных и аварийных ситуациях; вводить в действие и оперативно пополнять план ликвидации аварийных ситуаций.
Необходимость в таком многофакторном анализе подтверждается многолетним опытом применения локальных систем и средств контроля параметров безопасности. Простое увеличение количества технических средств отбора информации, устанавливаемых для контроля шахтной среды, не приводит к новому качественному результату, если организационно-техническая сторона, связанная о анализом измерения, остается без изменений. Например, операторы газового контроля или сейсмопрогноза физически не в состоянии должным образом проанализировать и, следовательно, принять оптимальное решение в условиях значительного увеличения потока поступающей к ним информации. Кроме того, оператор всегда должен помнить определенные правила, по которым необходимо производить анализ, а эти правила довольно сложны и связаны с трудоемкими расчетами, особенно при оценке выбросоопасной или пожароопасной ситуации. Сложность задач мониторинга условий безопасности работы в шахте системе, т.е. частичной передачи функции анализа и принятия решений вычислительным средствам. В целом же указанная система мониторинга рассматривается как человеко-машинная, поскольку в настоящее время (и в будущем) правовая ответственность возлагается на оператора системы.
В отличие от автоматизированных систем управления производственными процессами функционирование системы -мониторинга безопасности направлено на сохранение жизни и здоровья производственного персонала. В условиях высокой правовой ответственности оператора за последствия неправильного функционироїания системы мониторинга ключевым становится известное противоречие, в определенной мере присущее всем человеко-машинным системам, контролирующим жизнеобеспечение людей. Суть этого противоречия заключается в том, что автоматизация наиболее сложных в аналитическом отношении функций позволяет человеку своевременно принимать оптимальные или, что еще важнее, просто правильные решения в стрессовых аварийных ситуациях. В свою очередь, лицо, принимающее решение, вследствие своей правовой ответственности должно быть уверено в правильности функционирования автоматической системы, превосходящей его в данных конкретных условиях в скорости и качестве переработки информации.
Для того, чтобы в процессе эксплуатации системы появилась такая уверенность, необходимо в максимально возможной степени обеспечить устойчивость, своевременность и достоверность потоков информации, циркулирующей в системе. Недостаточная достоверность информации и важность функционирования системы могут привести к тяжелым последствиям. Эта особенность системы требует обязательного рассмотрения вопросов «пропуска события» и «ложной тревоги» и исключения или сведения к минимуму вероятности возникновения этих ситуаций, что, как правило, достигается за счет обязательного использования специальных активных мер для обеспечения надежности системы (резервирование, автоматическая диагностика, специальные методы защиты и т.п.).
Весьма существенной представляется задача определения качественной оценки параметров потока сигналов, поступающих к оператору, степени его загрузки, количества пропущенных сигналов, т.е. оценки эффективности обработки информации оператором в системе контроля параметров безопасности. В основе деятельности оператора лежит информационный поток, который, будучи отображен о помощью соответствующих технических средств, образует информационную модель управления динамическим процессом. Под информационной "моделью понимается организованное в соответствии с определенной системой правил отображение состояния объектов контроля и способов воздействия на них.
Учитывая высокую ответственность оператора (диспетчера) в данной человеко-машинной системе, а также высокую вероятность возникновения неординарных событий, П ІІВОДЯЩИХ-К.стрессовым состояниям, должна быть обеспечена развитая и вместе с тем компактная форма диалога оператора с машиной. Это, в первую очередь, означает, что информация, поступающая или запрашиваемая оператором, должна предоставляться в концентрированном виде; комментарии к рекомендациям по принятию решений должны быть краткими и четкими, что повышает уверенность оператора в достоверности распознаваемых ситуаций и в правильности рекомендуемых вычислительным комплексом решении.
Используемые, эмпирические по своему характеру, алгоритмы аналитических расчетов , в части автоматизированного поиска варианта правильного оперативного решения, а также решений, связанных с прогнозированием ситуации, как правило, должны проходить через этап постепенной доводки в процессе эксплуатации системы в условиях конкретной шахты; особенно в части различного рода величин вероятностного характера.
Исследование факторов безопасности труда с позиции обобщенной системы мониторинга при подземной угледобыче
Отметим две особенности дальнейшего анализа рассматриваемых проблем. Ведущей и ключевой задачей настоящей работы является создание эффективной системы экомониторинга отрасли, в связи с чем задачи мониторинга безопасности носят, в известной степени, подчиненный характер и, в первую очередь, рассматриваются как эффективный источник информации для решения экомониторицговых задач. В то же время представляется целесообразным рассматривать эту задачу, как самостоятельную вследствие ее важности для угольной промышленности и решать ее комплексно хотя бы в некоторых направлениях, близкр.связанных с экологией, т.е. более широко, чем это требуется для экомониторинга. Вторая особенность связана с тем, что экомониторинг и мониторинг промышленной безопасности и комфортных условий труда представляют собой достаточно сложившиеся научные направления, с устоявшейся терминологией и определенными традициями формирования и описания задач, не совпадающими между собой. Поскольку разделы настоящей работы, анализирующие проблемы экологии и безопасности, достаточно автономны, представляется целесообразным сохранять традиционную для них терминологию и структуру даже в ущерб единообразию изложения. Например, в работах по безопасности приняты термины: окись углерода, окись азота, пыль, в то время как в работах по экологии - оксид углерода, оксид азота, взвешенные вещества. В последующем изложении эти и другие подобные термины будут употребляться в обеих редакциях.
Термин «мониторинг» (англ. monitoring) трактуется в современном cjioit. ipc как «постоянное млн долговременное наблюдение на многих точках» имеет в переводе с английского два значения: 1) «контроль», 2) «управление, регулирование». Любопытно, что еще 50 лет назад в словаре этот термин отсутствовал, а термин имел отчетливый прогнозно-рекомендательный характер: «наставление, предостережение, советование, увещевание». Именно этот оттенок термина «мониторинг» представляется наиболее важным в современных условиях для предприятий угольной промышленности, угольных регионов и отрасли в целом.
Изменение акценТбв гіри "создании—системы геоэкомониторинга с контрольных на прогнозные и управляющие существенно меняет требования к структуре системы, ее внешним связям, техническому оснащению, программному обеспечению и т.д. Отсюда возникает задача формирования этих технических требований и их последующей редпизации в рамках отрасли.
Следует сразу отметить, что в сравнении с традиционными эти требования усложняются и ужесточаются. Причинами этого являются, с одной стороны, тенденция роста неблагоприятных экологических ситуаций в окружающей природной среде (ОПС), и с другой - значительные цены ущерба от ошибочных технических решений, принимаемых в системе. Необходимость реализации этих новых задач требует проведения научных исследований на базе современных достижений науки и техники в области мониторинга, прогнозного анализа, новых технологий угледобычи, углепереработки, очистки воздуха и воды, переработки отходов и т.п. Целью этих исследований должна являться реализация требований с минимальными затратами, поскольку процедура мониторинга является дорогостоящим мероприятием.
В результате этих исследований необходимо реализовать комплекс задач, охватывающий создание рациональной структуры мониторинга, решение организационных проблем по объему и характеру контроля, технических проблем по реализации этого контроля и базирующихся на нем задач управления и прогнозирования. Важным разделом исследований должен стать анализ результатов контроля, обеспечивающий информационную базу для решения управленческих задач.
Система автоматизированного геоэкологического мониторинга является инструментом для организации взаимодействия угольного производства и окружающей природной среды, создаваемым прежде всего в интересах этой природной среды, но, естественно, с учетом задач, стоящих перед угольной отраслью, как одной из важнейших производственных отраслей России, деятельность которой направлена на удовлетворение потребностей населения. Система должна эффективно функционировать на всех уровнях иерархии управления отраслью и участвовать в решении всего комплекса природоохранных задач, стоящих перед угольной промышленностью, на всех этапах от проектирования предприятия до его закрытия.
В настоящее время на основе проведенных исследований представляется возможным сформулировать идеальный конечный результат взаимодействия предприятия с окружающей природной средой (ОПС) -темпы нарушения ОПС при функционировании предприятия должны быть ниже, чем темпы ее восстановления и совершенствования. Понятно, что ни решение этой задачи, ни даже приближение к ее решению, не может быть достигнуто применением только системы геоэкомониторинга. Однако, без нее эффективных решений в этом направлении достигнуть не удастся. Поэтому на разрабатываемую систему представляется необходимым возложить ряд функций, которые не реализуются ни в одной из систем, также направленных на решение указанной выше идеальной задачи. В их числе: сбор достоверной информации о реальных загрязнениях, вносимых предприятиями, и других нарушениях ОПС; анализ влияния, оказываемого вносимыми загрязнениями и нарушениями, прогноз их развития, последствий, ими вызываемых, и т.п.; управление процессами газо- и водоочистки на предприятиях; управление процессом производства с учетом требований экологии; представление исходных данных и технических решений для природоохранных мероприятий с последующей оценкой их эффективности; представление рекомендаций по природоохранным технологиям в области добычи, обогащения и переработки угля, породы, шламов. Система автоматизированного геоэкологического мониторинга и информационно-аналитическая база для угольной промышленности РФ должны создаваться с целью: информационного обеспечения необходимого уровня охраны окружающей природной среды в зоне влияния объектов отрасли; -. экологически безопасного и устойчивого функционирования объектов; соблюдения природоохранного законодательства; прогнозирования последствий техногенной деятельности отрасли; организации рационального с точки зрения требований экологии управления предприятиями.
Методы анализа случайных процессов, обеспечивающие достоверность характеристик информационных потоков
Динамика ведения горных работ определяется путем периодического контроля положения комбайна (в процессе работы) в направлении его перемещения, а также направлением развития горных работ.
Очевидно, что предельным вариантом решения задачи, к которому необходимо стремиться, является обобщенный прогноз поведения массива по сумме всех трех, находящихся в корреляционной зависимости, признаков. В этом случае задача мониторинга состояния массива должна решаться на информационной основе шести видов функциональных датчиков, а именно: двухдиапазонный датчик концентрации метана (0-5%; 0 100%), датчик скорости воздушного потока, датчик ударного нарастания давления, датчик положения комбайна, датчик (устройство) прослушивания сейсмошумов в акустическом диапазону частот, датчик деформации (напряженности) горного массива.
Прогнозирование выбросоопасности на основе исследования сейсмо-акустической активности горного массива, сводится к непрерывному в реальном масштабе времени определению количества импульсов естественной акустической эмиссии на фоне производственных шумов с последующим сравнением полученной спектральной характеристики импульсов естественной акустики с неким эталоном, определяющим состояние «опасно».
Шахтная атмосфера представляет собой измененный в результате воздействия подземных технологических процессов и горнотехнических факторов воздух земной атмосферы. Наиболее существенные изменения воздух претерпевает в местах ведения выемочных и проходческих работ. В обобщенном виде понятие «газовый режим» угледобывающего предприятия подразумевает характеристику специфических отличий газовой смеси, заполняющей горные выработки, от газового состава «стандартной атмосферы». Основными отличительными компонентами в газовой среде шахты являются метан (СН4) и сопутствующие ему насыщенные и ненасыщенные углеводороды, углекислый газ (С02), окись углерода (СО), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2), окислы азота (N0, N02), кислород (02), водород (Н2). Действующие Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ) требуют периодической проверки и определяют правила и периодичность такой проверки именно по указанным компонентам состава шахтного воздуха.
В данном случае, при исследовании газового режима как динамического свойства безопасности производственной среды, имеется в виду взрывобезопасность внутришахтной метан-воздушной среды. Информационная база для анализа взрывоопасное метан-воздушной среды формируется на основе показателей концентрации метана и скорости (расхода) воздуха. Пороговые безопасные значения концентрации метана, периодичность замера, количество датчиков метана и скорости воздуха, а также их расположение, обеспечивающие необходимую степень достоверности контроля, определяются Правилами безопасности.
В данном случае, при исследовании пылевого режима в качестве динамического фактора безопасности производственной среды, имеется в виду взрывчатость угольной пыли.
Взрывчатость угольной пыли зависит от целого ряда факторов. Известно, например, что с уменьшением размера частиц взрывчатость угольной пыли возрастает, так как увеличивается ее реакционная поверхность при окислении кислородом воздуха, интенсифицируется прогрев частиц, ускоряется выход летучих. Кроме того, более тонкая угольная пыль способна длительное время находиться во взвешенном состоянии, сохраняя взрывчатую концентрацию.
По данным исследований максимальный размер угольных частиц, при котором они еще ппинимзют частие во взрыве, составляет около 124 мкм, наиболее высокими взрывчатыми свойствами обладает угольная пыль с размерами частиц 45 мкм. Дальнейшее измельчение угольной пыли сопровождается снижением ее взрывчатости вследствие повышенной склонности частиц малых размеров к образованию агрегатов. В то же время добавка к высокодисиерсной угольной пыли небольшого количества крупных частиц существенно увеличивает взрывчатые свойстве образуемой аэровзвеси.
Принято считать, что количество летучих продуктов, отнесенных к беззольиой и безводной массе, является главным показателем степени взрывчатости угольной пыли. Основываясь на результатах многочисленных исследований взрывчатости угольной пыли с различным содержанием летучих веществ, можно . считать, что при массовой доле летучих веществ менее 10% угольная пыль практически не обладает взрывчатыми свойствами, при массовой доле 10-15% угольная пыль мал о взрывчата, а свыше 15% взрывчатость угольной пыли быстро увеличивается. Пыль длиннопламенных и газовых углей, содержащая много летучих веществ, как правило, легко воспламеняется и, наоборот, пыль антрацитов, почти не содержащих летучих веществ, практически не взрывается.
Влияние золы в угольной пыли на ее взрывчатые свойства проявляется в снижении взрывчатости высокозольной пыли. Роль золы, как фактора, снижающего взрывчатость угольной пыли, объясняется тем, что зола в аэровзвеси угольной пыли увеличивает теплоемкость системы, т.е. поглощает часть тепловой энергии от источника воспламенения и уменьшает фактическую концентрацию горючего и, соответственно, выход летучих продуктов термического разложения угля.
В целом наличие в угольной пыли золы равноценно действию инертных добавок к пылевоздушпои смеси. Поданным ряда исследовании, в зависимости от дисперсности и содержания летучих веществ, угольная пыль становится невзрывчатой при наличии в своем составе золы от 15 до 60%.
Исследование примесей различных веществ в воде и выявление взаимных корреляций
Выше были рассмотрены проблемы связи между системой мониторинга безопасности и системой геоэкомониторинга на поверхности шахты. Рассмотрим проблемы организации сети стационарных постов экомониторинга на предприятии и в угольном регионе.
Первая проблема, которую необходимо решить - это размещение постов контроля загрязнения атмосферы на территории промплощадки. При этом целесообразно рационально сочетать расчетные методы с методами непосредственного измерения, Как известно, существуют стандартизованные расчетные методы определения загрязняющих концентраций, например, в атмосфере вокруг источников выбросов. При этом интенсивность выбросов (т.е. объем выброса - содержание загрязняющего компонента, умноженное на количество выбрасываемых газов) измеряется, т.е. требуется измерение загрязнений в каждом точечном источнике выбросов.
Поскольку содержание загрязняющего компонента, зависящее, например, в котельных, от сжигаемого угля и функционирования очистных устройств (фильтров), меняется сравнительно медленно (в темпе изменения состава топлива), то, измеряя фактические концентрации с частотой, многократно превышающей частоту изменения концентрации (в пределе - непрерывно) в некоторых точках распределения загрязнений вокруг источника (несколько постов на промплощадку), и используя расчетные зависимости с неизвестными интенсивностями, можно составить некоторую (избыточную) систему уравнений, в которой стандартными методами (например, способом наименьших квадратов) вычислить неизвестные коэффициенты этой системы, а через них - все значения содержания загрязняющих компонентов в источниках загрязнений.
Детальная разработка метода требует: оценки влияния скорости изменения загрязнения на число контрольных постов; оценки влияния скорости опроса постов (т.е. числа уравнений в системе) на точность определения концентрации загрязнений в источниках; установления зависимости между числом исследуемых источников и параметрами минимизированной системы; анализа сходимости плохо обусловленных систем при определении искомых коэффициентов; оценки точности вычисления коэффициентов (влияние числа уравнений, продолжительности расчетов, улучшения сходимости, сглаживания и т.д.). Проблема осложняется наличием меняющегося фона, вызванного другими, близко расположенными источниками с других предприятий. Вторая проблема заключается в рациональном выборе диапазона измерений, погрешности измерений, порога чувствительности и других метрологических показателей. Очевидно, что совершенствование метрологических характеристик связано с повышением стоимости измерительного прибора. Излишняя точность приводит к излишним расходам при построении контрольной сети. При выборе погрешности необходимо полностью реализовать допустимую по ГОСТу погрешность измерений, прямых или косвенных, составляющую 25%. Столь значительная погрешность определяется с одной стороны, низкой точностью отечественных контрольно-измерительных приборов, а с другой - низкой достоверностью информации о детерминированном влиянии загрязнений на состояние окружающей природной среды. Третья проблема - рациональное сочетание контрольных постов и периодических измерений с помощью передвижных постов. Для периодических измерений важнейшим является выбор рациональной частоты контроля, обеспечивающей удовлетворительную представительность при минимальных трудозатратах. Четвертая проблема касается обработки результатов измерений, т.е. анализа и прогноза экологической ситуации, включая моделирование предприятия как генератора загрязнений, изучение динамических рядов выбросов, корреляций и регрессий и т.п. В процедуре обработки должны быть реализованы методы, повышающие достоверность измерений и расчетов за счет исключения инструментальных ошибок и одномоментно измеренных кратковременных сверхнизких и сверхвысоких концентраций без снижения достоверности исследования динамики выбросов.
Существенные научные проблемы возникают при организации центров экомониторинга, исследующих неблагоприятные техногенные воздействия, проявляющиеся при закрытии угольных шахт. Создаваемые центры носят региональный характер и вынуждены решать - широкий комплекс проблем загрязнения подземных вод и водоемов, деформации (фк почвы, зданий и сооружений, загазованности прилегающих к земле помещений. При организации экомониторинговой сети в этом случае приходится решать такие проблемы, как рациональный выбор приборной базы контроля загрязнения вод (контроль по нескольким десяткам параметров), размещение стационарных постов, периодичность контроля с помощью передвижных контрольных постов и др. Решение этих проблем должно опираться на научно-методическую базу, в рамках которой возможен технико-экономический анализ, позволяющий минимизировать капитальные затраты и эксплуатационные расходы на геоэкомониторинг.
Рассмотрим вопросы, связанные с состоянием нормативно-правовой базы по вопросам мониторинга. Вопросы создания безопасных и комфортных условий труда и безопасной жизнедеятельности в России рассматриваются на ..самом,— .высоком законодательном уровне Соответствующие разделы имеются в Конституции России, Кодексах, специальных Законах.
