Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ средств и методов обеспечения безопасности работ на горнодобывающем предприятии 8
1.1 Анализ методов обеспечения безопасности на горнодобывающем предприятии 8
1.2 Анализ средств обеспечения безопасности на горнодобывающем предприятии 16
1.3 Анализ причин аварийных происшествий в шахте 22
1.3.1. Состав рудничной атмосферы 30
1.3.2. Оценка взрывоопасное метановоздушых смесей 35
1.3.3. Параметры шахтной атмосферы для контроля за аэрогазовой ситуацией в шахте 37
1.3.4. Учет эффекта «памяти» в процессе изменения аэрогазовых параметров 38
1.3.5. Обзор измерительных приборов 39
Выводы 44
Глава 2. Оценка, идентификация и прогнозирование аэрогазовой ситуации в шахте 46
2.1. Постановка задачи оценки и прогнозирования аэрогазовой ситуации в шахте 47
2.2. Подход к оценке и прогнозированию аэрогазовой ситуации в шахте 50
2.3. Разработка классификации ситуаций в шахте 55
Выводы 62
Глава 3. Модели и алгоритмы оценки и прогнозирования аэрогазовой ситуации в шахте 63
3.1 Разработка математической модели прогнозирования изменения аэрогазовых параметров 63
3.2. Разработка алгоритма прогнозирования изменения аэрогазовых параметров 65
3.3. Разработка математической модели построения прогнозной траектории изменения аэрогазовых параметров 70
3.4. Разработка алгоритма вычисления на прогнозный период вероятности превышения предельно допустимых значений аэрогазовыми параметрами 74
Выводы 79
Глава 4. Практическая реализация системы оценки и прогнозирования аэрогазовых ситуаций в шахте 80
4.1. Технический, технологический и интеллектуальный уровни обнаружения пожаров 92
4.2. Распознавание пожаров по физическим параметрам шахтной атмосферы 95
4.3. Структура системы 96
4.3.1. SUTex/SDTex 97
4.4. Технические средства системы 98
Выводы 101
Заключение 102
Литература 104
Приложение 1 111
- Анализ методов обеспечения безопасности на горнодобывающем предприятии
- Подход к оценке и прогнозированию аэрогазовой ситуации в шахте
- Разработка алгоритма прогнозирования изменения аэрогазовых параметров
- Технический, технологический и интеллектуальный уровни обнаружения пожаров
Введение к работе
Несмотря на высокий уровень автоматизации производственной безопасности в шахте: внедрение автоматизированных систем аэрогазового контроля, высокие требования к соблюдению правил безопасности, современное взрывобезопасное оборудование, по-прежнему происходят аварийные происшествия в шахтах, вызванные взрывами метановоздушных смесей: ш. Юбилейная, ш. им. Засядько, ш. Ульяновская, ш. Абайская и так далее. В большинстве случаев возникновение аварии можно было предупредить, либо избежать, своевременно её идентифицировав на начальной стадии и выполнив превентивные действия, направленные на ее недопущение, либо устранение.
Проблема безопасности работ на горнодобывающих предприятиях была, есть и будет наиболее актуальной проблемой. В настоящее время повышение безопасности работ достигается: организационными мероприятиями, организацией технологического процесса, технологическим оборудованием, контролем текущих технологических параметров оборудования и аэрогазовых параметров шахтной атмосферы. Кроме этого, в современных условиях крайне необходимо производить мониторинг аэрогазовой ситуации в подземной части предприятия (на основе комплексного анализа аэрогазовых параметров). А так же оценивать и прогнозировать аэрогазовую ситуацию с целью принятия своевременных мер по предотвращению аварийных происшествий.
Снижение числа аварий и несчастных случаев экономически выгодно горнодобывающему предприятию, так как простои производства обходятся дорого, кроме этого восстановление и ремонт дорогостоящего оборудования после аварийных происшествий требует больших финансовых затрат.
Задачи повышения безопасности являются приоритетными при разработке автоматизированных систем. В связи с этим автоматизированные системы, разрабатываемые для горнодобывающих предприятий, должны, в первую очередь, учитывать вопросы, связанные с безопасностью на производстве, и использовать новейшие технологии и методы обработки информации.
Автоматизированная система аэрогазового контроля в шахте разрабатывается как комплексная система сбора, обработки, хранения и представления информации, нацеленная на совершенствование мониторинга аэрогазовой ситуации а шахте, а также контроля за подачей электропитания оборудования в случае возникновения нештатной аэрогазовой ситуации. Можно выделить следующие задачи автоматизированной системы аэрогазового контроля:
автоматический сбор величин аэрогазовых параметров шахтной атмосферы;
отображение собранных данных в виде мнемосхем, графиков, журнала событий технологической информации;
подача управляющих сигналов на отключения электропитания оборудования в случае превышения предельно допустимого значения аэрогазового параметра;
информационно-справочная поддержка;
подготовка и выдача отчетов за смену, сутки, месяц;
просмотр архивной информации;
предоставление учетной информации.
В настоящее время, несмотря на то, что каждое работающее горнодобывающее предприятие еще на этапе строительства обладает
диспетчерскими службами и соответствующими системами аэрогазового
контроля, проблема создания автоматизированных систем аэрогазового
контроля приобретает особую актуальность.
Проблема построения автоматизированных систем, обеспечивающих
производственную безопасность, является предметом многочисленных
исследований. Значительный вклад в управление газодинамикой добычных
участков внесли: Л.А. Бахвалов, А.Д Багриновский, Ф.С. Клебанов, Е.Ф.
Карпов, Л.А. Пучков, В.Д. Аюров, Р.Б. Тян, В.Я. Потемкин; в диспетчеризацию
воздухораспределения: Л.А. Бахвалов, К.Г. Акутин, Б.А. Клепиков, А.Г.
Евдокимов, Е.Ф. Карпов, А.А. Литвиненко, В.А. Святный, СВ. Цой; в
исследование влияния технологических процессов на аэрогазодинамические
режимы: В.А. Божко, Н.А. Жайсамбиев, A.M. Картов, Ф.С. Клебанов, В.Н.
Лысенко, Н.Н. Петров.
Большинство существующих автоматизированных систем аэрогазового
контроля на сегодняшний день объективно не готовы решить перечисленные
выше задачи и поэтому не могут служить основой дальнейшего развития
производства. Они построены с использованием устаревших средств и методик,
имеют локальный характер и не учитывают перспектив развития предприятия.
Их основная задача - осуществлять мониторинг аэрогазовых параметров
шахтной атмосферы без функций анализа и прогнозирования контролируемых
параметров, предоставлять проблему идентификации аэрогазовой ситуации для
оператора подсистемы аэрогазового контроля, решение которого не всегда
может оказаться верным.
Произошедшие за последнее время аварии на ш. Юбилейная, ш. им.
Засядько, ш. Ульяновская, ш. Абайская - подтверждают недостаточную
эффективность систем аэрогазового контроля в шахте. Заблаговременное
распознавание возможности возникновения аварийной ситуации по-прежнему
остается за горным диспетчером (оператором АГК), который на основе субъективного анализа большого количества информации не всегда может её выявить. Введение объективных оценок аэрогазовой ситуации повысит уровень производственной безопасности на горнодобывающем предприятии. Для этого необходимо постоянно производить анализ и прогноз значений контролируемых параметров шахтной атмосферы. На их основе осуществлять идентификацию аэрогазовой ситуации в шахте, что позволит выявить аварийную ситуацию на стадии ее развития и выполнить действия, направленные на предотвращение или снижение последствий аварий.
Поэтому научная задача, заключающаяся в разработке моделей и алгоритмов, позволяющих с достаточной степенью достоверности объективно оценить аэрогазовую ситуацию с учетом анализа и прогноза параметров шахтной атмосферы, выработать и выполнить превентивные мероприятия, направленные на недопущение или снижение последствий аварий, актуальна.
Анализ методов обеспечения безопасности на горнодобывающем предприятии
Агрессивность атмосферы в техногенных горных выработках, экономические потери при аварийных происшествиях и простоях производства, высокий уровень травматизма рабочих в результате аварийных происшествий, большая информационная нагрузка на диспетчеров, сложность формализации и комплексной оценки данных в системах аэрогазового контроля, необходимость быстрого принятия решения и анализа возможных вариантов развития текущей ситуации - эти проблемы требуют создания автоматизированных систем аэрогазового контроля в шахте с применением нового подхода к решению задач мониторинга шахтной атмосферы. Для ее решения исследуются и широко применяются автоматизированные системы с элементами экспертной обработки информации, в частности, разработка систем оперативного диспетчерского управления. Использование технологии экспертных систем, позволяет концентрировать, интерпретировать и использовать знания специалистов в предметной области. В случае задач, где необходимо работать с большим объемом информации, быстро анализировать полученные данные и распознавать текущие ситуации, процедура принятия рациональных и обоснованных решений обычно недостаточно реализована. Существующие экспертные системы анализируют ситуацию без учета прогнозных оценок контролируемых показателей и признаков предшествующих негативной ситуации, во многом выполняют функцию советующих экспертных систем без процедур оценки текущей ситуации и истории ее развития. Более того, на стадии внедрения в производство необходимо производить долгую по времени процедуру обучения экспертной системы, что требует затрат времени и группы людей, производящих обучение этой системы.
Произведем анализ методов решения вопросов безопасности, применяемых на горнодобывающем производстве. Повышение безопасности работ на горнодобывающем предприятии достигается следующими методами (Рис. 1): Организационные мероприятия: о Обучение персонала; о Инструктаж персонала; о Контроль за персоналом. Организация технологического процесса: о Внедрение новых методов ведения производства; о Реорганищация существующих методов ведения производства. Внедрение современного технологического оборудования: о Установка на производстве нового технологического оборудования, отвечающего современным требованиям безопасности. о технологического оборудования на горнодобывающем предприятии; Число травм рабочих Метод организационных мероприятий включает в себя перечень мероприятий по, улучшению уровня производственной осведомленности и культуры среди рабочих, совершенствованию организации производства в целях повышения его эффективности. Список организационных мероприятий составляется применительно к каждому производственному участку, цеху и в целом по предприятию или производственному объединению. В списке мероприятий участка или цеха включаются действия, предусматриваемые к внедрению в соответствующих производственных звеньях, в списке для предприятия или объединения - крупные мероприятия, проводимые в масштабах всего предприятия или объединения и требующие значительных материальных и трудовых затрат. Разработка списка организационных мероприятий начинается с экономического анализа исходного уровня производства и осуществляется в соответствии с задачами по совершенствованию производства на планируемый период. По каждому мероприятию, включаемому в план, устанавливаются сроки и ответственные за их проведение лица, определяются источники покрытия расходов, необходимые материальные ресурсы, эффективность от внедрения, сроки окупаемости и т.д. Обозначенный выше метод повышения безопасности на производстве не может обеспечивать самостоятельно высокий уровень трудовой безопасности. Инструктаж и обучение персонала необходимы в сочетании с другими методами, к примеру, при внедрении автоматизированной системы технологического процесса. Метод организации технологического процесса - задача оптимального использования ресурсов на большом предприятии. Распределение персонала и материалов, необходимых для планирования, проектирования и управления сложными процессами. Метод организации производства занимается, прежде всего, применением технических средств, а также методов исследования операций для повышения эффективности и производительности работы. Множество горнодобывающих предприятий на сегодняшний день уже имеет жестко сформированную организацию производственных и технологических процессов. Реорганизация процессов на работающем горнодобывающем предприятии потребует значительных финансовых затрат, что не является приемлемым. Метод имеет значение для строящихся горнодобывающих предприятий, где производственные и технологические процессы находятся на стадии формирования.
Подход к оценке и прогнозированию аэрогазовой ситуации в шахте
Авария на «шахте Юбилейная» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» произошедшая 24 мая 2007 г. в выработках выемочного участка 16-15. Шахта относится к опасной по внезапным выбросам угля и газа. Относительная газообильность 38,1 м3/т, абсолютная 63,5 м3/мин. Способ проветривания -нагнетательный, схема проветривания - центрально-фланговая.
В результате погибли 39 человек. Экономический ущерб от аварии составил 167,7 млн. руб. Для расследования причин аварии была создана государственная комиссия, которой по завершению своей работы в «Акте расследования причин аварии» были указаны результаты обследования аварийного участка и определены причины взрыва: первоначальная вспышка метановоздушнои смеси произошла в очистном забое лавы 16-15 в месте ввода устройства питающего кабеля выемочного комбайна SL-300 из-за короткого замыкания поврежденных жил на его корпус.
При работе комбайна, из-за обрыва гибкой тяги, соединяющей кабелеукладчик с комбайном, некачественно выполненной и не соответствующей заводскому исполнению, произошло недопустимое натяжение комбайнового кабеля, приведшее к частичному выдергиванию его из вводного устройства. В результате была нарушена взрывозащита кабельного ввода, с последующим коротким замыканием поврежденных жил кабеля на корпус комбайна, что явилось источником воспламенения метановоздушнои смеси.
При полной загрузке лавного конвейера и существующей конфигурации очистного комбайна происходил вынос метана взрывоопасной концентрации из отбитого угля в зону вводного устройства комбайнового кабеля, где произошло короткое замыкание [21]. Из результатов расследования причин аварии на «шахте Юбилейная» можно выделить две основные, приведшие к возникновению аварии: - несвоевременное определение высокой концентрации метана в очистном забое; - низкая производственная культура, приведшая к применению непригодного к эксплуатации очистного комбайна.
Авария на «шахте Ульяновская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь», произошедшая 19 марта 2007 года по причине низкой производственной культуры, в результате которой пострадали 118 человек, из них 110 смертельно травмированных. Горные работы на шахте ведутся по пласту 50. Пласт опасен по взрывам угольной пыли, склонен к самовозгоранию; отнесен к неопасным по внезапным выбросам и угрожаемым по горным ударам с глубины 175м. Схема проветривания шахты - центрально-фланговая; способ проветривания — комбинированный. Проветривание шахты осуществляется за счет общешахтной депрессии, создаваемой вентиляторной установкой, состоящей из 6 (5 рабочих и 1 резервного) вентиляторов ВЦ-15, работающих на нагнетание, а также вентиляторов ВЦГ-15, три из которых рабочих и один резервный, работающих во всасывающем режиме.
На шахте предусмотрена многофункциональная система Minewatch PC 21 (DAVIS DERBY, Великобритания) с контролем содержания метана, оксида углерода, скорости воздуха, положения вентиляционных дверей, температуры поступающего в шахту воздуха и компрессии главного вентилятора. В призабойном пространстве очистных и подготовительных выработок устанавливаются звуковые и световые сигнализаторы превышения концентрации метана. Включение сигнализаторов происходит при достижении 90%-ной предельной концентрации контролируемого параметра. Установка датчиков осуществлялась согласно Инструкции по системе аэрогазового контроля в угольных шахтах (РД 05-429-02).
В результате расследования причин возникновения аварии комиссией было выявлено, что на фоне высокой концентрации метана на исходящей из лавы 50-11 «бис» струе воздуха, которую фиксировали датчики установленные в шахте (объемная доля которой составляла 1,6%) никаких действий по улучшению негативной аэрогазовой ситуации не принималось, не проводились мероприятия по борьбе с пылью, более того в оперативном журнале оператора АГК записывались заниженные показания концентраций метана, по указанию руководства выше, что привело к образованию повышенной концентрации метана в лаве 50-11.
При движении комбайна происходит сдавливание и повреждение оболочки кабеля, питающего комбайн. Образовавшейся от короткого замыкания искрой производится воспламенение метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации. Воздушной волной была поднята отложившаяся угольная пыль, которая, воспламенившись, приняла участие во взрыве, усилив мощность ударной волны [36].
Основным фактором, способствовавшим возникновению возгорания метановоздушной смеси, был факт скрытия повышенной концентрации метана в лаве 50-11. Низкая производственная культура и субъектртная оценка аэрогазовой ситуации в шахте повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций, что подтверждается взрывом метановоздушной смеси на «шахте Ульяновская». Таким образом, при своевременном выявлении накопления концентрации метановоздушной смеси в лаве 50-11 и принятии выработанных мер по снижению негативной тенденции развития аэрогазовой ситуации, возможно было снизить последствия аварии и избежать большого количества жертв.
Разработка алгоритма прогнозирования изменения аэрогазовых параметров
Основным недостатком существующих автоматизированных систем, нацеленных на повышение производственной безопасности на горнодобывающем предприятии, является то, что в основе обозначенных автоматизированных систем заложено использование текущих аэрогазовых показаний, не учитывающих прогнозные значения и динамику процесса их развития; диспетчер принимает решения, на основе текущих данных, используя только свой опыт и интуицию, при этом на процесс формирования управленческих решений большое влияние оказывает человеческий фактор. Для уменьшения влияния субъективной составляющей, применяется документ «План ликвидации аварий», где все мероприятия по ликвидации аварийных ситуации определены и записаны. Однако, ПЛА вводится в действие только в аварийных ситуациях, до этого момента он находится в пассивном состоянии. Для повышения уровня производственной безопасности на горнодобывающем предприятии, необходимо расширить функции плана ликвидации аварий. То есть, не изменяя документ ПЛА, автоматизировать процесс мониторинга аэрогазовой ситуации в шахте. Другими словами изменить подход к оценке аэрогазовой ситуации в подземной части шахты. На сегодняшний день используется подход "по сигналу", то есть после того, как произошла авария, вводится в действие план ликвидации аварий. Такой подход не позволяет выявить возможность возникновения аварии и в начальной стадии ее развития предпринять превентивные действия, направленные на ее предотвращение или уменьшение последствий. При использовании автоматизированной системы непрерывного мониторинга параметров атмосферы в шахте появилась возможность диагностирования и оценки ситуации, что, в свою очередь, позволяет прогнозировать её развитие. Тогда, если возможность возникновения аварии выявлена, то появляется время для выработки и проведения мероприятий по её недопущению или снижению последствий и предотвращению травматизма и гибели шахтеров. Поэтому необходимо использовать подход непрерывного контроля и прогноза аэрогазовой обстановки в шахте с оценкой её по критерию безопасности, состоящий из следующих задач: 1. Анализ факторов, параметров шахтной атмосферы и процессов их изменения, влияющих на аэрогазовую ситуацию в шахте. 2. Разработка математической модели прогнозирования изменения аэрогазовых параметров, которая учитывает предысторию их изменения для нестационарных процессов. 3. Разработка алгоритма построения прогнозной траектории изменения аэрогазовых параметров, который учитывает предысторию их изменения для нестационарных процессов. 4. Моделирование параметров шахтной атмосферы с учетом нестационарных свойств процессов их изменения и предыстории. 5. Разработка алгоритма идентификации характера (стационарный или нестационарный) процесса изменения аэрогазовых параметров. 6. Разработка структуры информационно-аналитической системы оценки и прогнозирования аэрогазовой ситуации в шахте. 7. Разработка программного инструментария, осуществляющего на основе анализа и прогноза аэрогазовых параметров шахтной атмосферы идентификацию ситуации на отдельных участках в шахте и выработку перечня превентивных мероприятий для снижения или ликвидации возможных последствий аварийных происшествий Опрос датчиков, контролирующих параметры шахтной атмосферы, происходит в фиксированные промежутки времени. Поэтому измерение, например, концентрации метана в точке контроля можно рассматривать как временной ряд. Изменение значения контролируемого параметра .г, можно представить в виде динамической системы, зависящей от предшествующих наблюдений этого же параметра хх_1,...,х1_т с некоторым шумом ,...,#,_ Л.А. Бахвалов и Л.А. Пучков предложили прогнозировать значения концентрации метана и расхода воздуха при расчете режимов вентиляции в р шахте с помощью уравнения авторегрессии: х[п +1] = а:х[п +1 - i] , с использованием F- критерия. Для оценки точности полученного уравнения используется F-критерий В работе [5] показано, что для удовлетворительного прогноза концентрации метана в исходящей струе и для управления расходом воздуха необходимо, чтобы Fn(p) удовлетворял неравенству Fn (р) 8 = F .
Технический, технологический и интеллектуальный уровни обнаружения пожаров
Проблема раннего обнаружения пожаров включает: технический, технологический и интеллектуальный уровни. Основу технического уровня представляет проблема создания первичных измерителей, позволяющих достоверно и оперативно фиксировать отклонения в газовом составе атмосферы (СО, С02, Н2 - для возгорания большинства горючих материалов в шахтах, НС1 - для конвейерных лент и т.д.), наличие аэрозольных частиц дыма диаметром менее 0,1 мкм, температуры.
Ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяются составом именно тех материалов, которые участвуют в этом процессе. Однако в большинстве случаев можно уверенно выделить и основные характерные газовые компоненты. Подобные исследования проводились в Институте пожарной безопасности (г.Балашиха Московской обл.) с использованием стандартной камеры объемом 60 м3 для имитации пожара.
Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии. Эксперименты дали следующие результаты. Водород (Н2) -основной компонент выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы.
На начальной стадии пожара, в процессе тления, концентрация водорода составляет 0,001-0,002%. В дальнейшем происходит рост содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода - оксида углерода (СО) - 0,002-0,008%. При появлении пламени растет концентрация диоксида углерода (СОг) до уровня 0,1%, что соответствует сгоранию 40-50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м" и эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. Такой уровень ССЬ достигается также в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 ч.
Наиболее распространенным способом обнаружения пожаров считается контроль оксида углерода в шахтной атмосфере. В подземных выработках СО образуется в результате естественных окислительных процессов, взрывных работ, работы двигателей внутреннего сгорания, нагревания и непосредственного возгорания материалов. Поэтому контроль возгораний по динамике оксида углерода является неселективным методом, требующим значительных затрат времени диспетчером на определение фактических причин роста выходного сигнала датчиков СО. Кроме этого, датчики контроля СО обладают значительно большей инерционностью по сравнению с датчиками дыма, контролирующими рост плотности (радиоизотопные датчики дыма) или прозрачности атмосферы (оптические датчики контроля аэрозолей дымных фракций).
Сравнительные испытания датчиков на различных физических принципах измерений указывают на возможность распознавания пожаров по изменению плотности (или прозрачности) атмосферы, как одного из наиболее надежных и быстродействующих.
Технологический уровень распознавания пожаров напрямую связан со свойствами добываемого полезного ископаемого (химическая активность, горючесть, склонность к самовозгоранию), технологией добычи и транспорта (как источников поступления в атмосферу различных газов), сложностью и разветвленностью систем вентиляции (как основного способа нормализации шахтной атмосферы и выноса вредных примесей).
Указанные факторы определяют фоновые и пиковые значения концентраций различных газов без признаков пожара (например после проведения буро-взрывных работ, запуске транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и др), а таюке места расстановки соответствующих средств контроля.
Интеллектуальный уровень проблемы распознавания пожаров сводится к определению реальной причины роста показаний датчиков контроля: пожар или вынос продуктов БВР при открывании одного из вентиляционных сооружений, а также к определению реального места возгорания.
Реакция пожарного датчика на реальное возгорание свидетельствует о наличии очага между сработавшим датчиком и расположенными выше навстречу струе воздуха датчиками, показывающими нормальные концентрации газов.
Сложный перекрестный опрос датчиков всех типов, наличие модели шахтной вентиляционной сети, устанавливающей взаимовлияние расходов, концентраций и других аэрологических параметров, взаимодействие с другими подсистемами мониторинга параметров безопасности позволят провести распознавание фактического возгорания на ранней стадии и определить реальное место возникновения пожара.
![Разработка методов, моделей и алгоритмов прогнозирования и донозологической диагностики кожных болезней, имеющих представительство на проекционных зонах, с использованием нечеткой логики принятия решений и рефлексодиагностики [Электронный ресурс]](/i/i/4381/168311.png "Разработка методов, моделей и алгоритмов прогнозирования и донозологической диагностики кожных болезней, имеющих представительство на проекционных зонах, с использованием нечеткой логики принятия решений и рефлексодиагностики [Электронный ресурс] Ходеев Денис Владимирович")
