СПОСОБ АЭРОГАЗОВОГО КОНТРОЛЯ (АГК) АТМОСФЕРЫ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Российский патент 2014 года по МПК E21F5/00 E21F17/18 

Способ аэрогазового контроля АГК относится к горному делу, а точнее к способам контроля атмосферы горных выработок угольных шахт, опасных по газу и пыли, на предмет слежения за изменениями состава и параметров рудничной атмосферы с целью предотвращения образования взрывоопасной среды и исключения взрывов метана и угольной пыли.

Известны способы аэрогазового контроля [1], включающие непрерывный контроль содержания метана и скорости воздушных потоков в горных выработках, передачу информации по каналам телеметрии на поверхность, фиксирование этой информации самописцами или стационарными ЭВМ, входящими в состав АСУТП, формирование команд управления для включения аварийной сигнализации; средств автоматической газовой защиты (АГЗ), воздействующей на установки и оборудование для поддержания безопасного аэрогазового режима, и, наконец, формирование команды АГЗ на отключение сети силового электроснабжения, если концентрация СГЦ превышает допустимые нормы.

Дальнейшим развитием способа явились реализованные в системе аэрогазового контроля «МИКОН» (аналог) [2] решения, касающиеся усовершенствования отдельных узлов и блоков системы; расширения функциональных возможностей, как за счет увеличения числа контролируемых параметров, так и числа формируемых команд управления; применения современных методов системотехники и способов и технических средств сбора и представления информации с использованием компьютерной техники.

Известен другой аналог (прототип) заявляемого способа, реализованный в системе аэрогазового контроля «Гранч МИС», являющейся частью комплекса «Умная шахта» [3]. Как и ранее выпускавшиеся системы аэрогазового контроля [1] и ныне выпускаемая система «МИКОН» [2], вариант системы «Гранч МИС», используемый для АГК, ориентирован на обеспечение требований нормативных документов, регламентирующих работу систем АГК и включающих:

- аэрогазовый контроль (содержание CH₄, CO, скорости воздушных потоков);

- автоматическую газовую защиту (отключение электроэнергии и прекращение работ при превышении допустимых норм СГЦ);

формирование команд на управление работой главных вентиляторных установок (ВГП) и вентиляторов местного проветривания (ВМП);

- автоматический контроль положения дверей вентиляционных шлюзов;

- телеизмерение и телесигнализация состава и параметров рудничной атмосферы;

- возможность телеуправления оборудованием поддержания безопасного аэрогазового режима в горных выработках.

Основное отличие системы АГК «Гранч МИС» заключается в том, что она интегрируется в единую сеть комплекса «Умная шахта» в которой телекоммуникации осуществляются как кабельной, так и беспроводной связью и основным элементом подземной инфраструктуры беспроводной сети связи являются базовые станции (БС), устанавливаемые вдоль выработок на расстоянии 200 м друг от друга и обеспечивающие организацию скоростного информационного канала до любых подвижных и стационарных объектов по WiFi стандарту.

Известен ближайший аналог (прототип) АГК, совмещенного с контролем геомеханических параметров лавы и автоматизацией технологических процессов, реализованых в системе «Маrсо System analyse und Entwicklund GmBH» немецкой фирмы «Marco» [4].

Эксплуатируемые системы аэрогазового контроля обслуживаются группой специалистов, осуществляющих систематическое наблюдение за работой аппаратуры, проверяющих методом сличения правильность показаний датчиков и в регламентированные сроки, проводящие метрологические поверки.

Однако, несмотря на наличие систем аэрогазового контроля на шахтах России, имеют место случаи взрывов метана, что свидетельствует прежде всего о нарушениях Правил Безопасности и в какой-то степени о несовершенстве существующих систем аэрогазового контроля, не защищенных от «несанкционированного вмешательства» в их работу. Суть «несанкционированного вмешательства» состоит в механическом ограничении диффузионного доступа анализируемой метано-воздушной смеси в реакционную камеру стационарного метанометра, что приводит к занижению показаний концентрации CH₄ и повышению вероятности взрыва, т.к. позволяет работать при концентрациях CH₄, превышающих допустимые нормы.

Т.о. возможность осуществления «несанкционированного вмешательства» является недостатком всех способов АГК, реализованных в аналогах и прототипе.

Другими недостатками систем АГК являются:

- ограниченность количества точек контроля метана в лаве, не позволяющая иметь информацию о распределении концентраций CH₄ по всему объекту контроля, особенно остро это сказывается с увеличением протяженности очистного забоя и повышением нагрузок на него, характерных для современных технологий выемки угля;

- невозможность с помощью только стационарных датчиков метана обеспечить быстродействие АГЗ≤0,8 с, регламентированное нормативными документами на случай быстропротекающих процессов образования взрывоопасных концентраций CH₄ при внезапных выбросах угля и газа, горных ударах и других масштабных газодинамических явлениях;

- нерешенность задач, связанных с реакцией АГЗ на кратковременные пульсации концентраций CH₄ с амплитудой, незначительно превышающей допустимую норму;

- незащищенность от «несанкционированного вмешательства» в работу термокаталитических датчиков метана.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение повышения эффективности аэрогазового контроля горных выработок угольных шахт за счет исключения отмеченных недостатков.

Техническим результатом изобретения является конструкторская и схемо- и системотехническая реализация в системах АГК предлагаемых решений по диагностированию и выявлению незаконных вмешательств в штатный режим работы систем АГК. Еще одним результатом изобретения является техническое воплощение процедуры реагирования на кратковременные пульсации концентраций CH₄, превышающие по амплитуде допустимые нормы.

Решение указанной задачи и получение технического результата достигается тем, что согласно предлагаемому способу повышение эффективности аэрогазового контроля угольных шахт обеспечивают увеличением количества точек контроля СН₄ объекта (например, лавы) до величины n*

(n - зависит от длины лавы и определяется как оптимальное по минимуму число точек контроля, достаточное для отслеживания меняющейся картины распределения концентрации CH₄ по вентиляционному потоку объекта контроля),

используя такое увеличение для выявления «несанкционированного вмешательства», которое осуществляют выполнением последовательности следующих операций: сначала фиксируют фоновое значение сигналов о концентрации CH₄ в контролируемых точках в подготовительную смену при неизменном вентиляционном потоке и неработающих забойных машинах и механизмах, S^o ₁ S^o ₂, S^o ₃ … S^o _n, затем в рабочие смены в режиме «on-line» фиксируют текущие значения сигналов S₁, S₂, S₃ … S_n и сравнивают их с соответствующими фоновыми значениями, а «несанкционированное вмешательство» выявляют, когда S₁<S^o ₁ и/или S₂<S^o ₂ и/или S₃<S^o ₃ и/или; … S_n-1<S^o _n-1 и перепроверяют путем сравнения между собой сигналов S₁, S₂, S₃ … S_n, исключая из сравнения сигнал, измеряющий в момент сравнения местное скопление CH₄ в районе действия комбайна и фиксируют подтверждение «несанкционированного вмешательства» наличием сигнала S_i, связанного с отключающим устройством АГЗ, по величине меньшим по сравнению с соседним и ближайшими к соседнему сигналами в точках контроля, расположенных в противоположном направлении вентиляционного потока.

Кроме того, при фиксировании на исходящей вентиляционной струе лавы кратковременных пульсаций концентраций CH₄ с амплитудой отдельных импульсов, превышающих допустимые пределы не более значения тройной величины основной погрешности измерения, подают команду на обеспечение местной и централизованной сигнализации на период, равный регламентированному нормативу для инерционности измерений, после чего при продолжающихся сверхдопустимых пульсациях подают команду на обесточивание электросиловых цепей и прекращение горных работ.

В свою очередь, при мгновенно возникающих и быстропротекающих процессах образования взрывоопасных концентраций CH₄ осуществляют формирование опережающего воздействия на средства АГЗ аварийных сигналов (команд), вырабатываемых системами контроля и прогноза внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и иных масштабных аварийных газодинамических проявлений.

Наконец, на объектах, где затруднена или невозможна по горнотехническим условиям прокладка и эксплуатация проводных линий связи, точки контроля CH4 оснащают беспроводными радио-приемо-передающими метанометрами, работающими в энергосберегающем режиме с автономными источниками питания.

На примере механизированного очистного забоя (лава), оборудованного современными или будущими стационарными метанометрами, входящими составными элементами в системы АГК, рассмотрим вариант реализации предлагаемого Способа в условиях атмосферы лавы механизированного очистного забоя длиной порядка 200-300 м. Количество стационарных датчиков метана, распределенных по длине лавы - 5, из них датчик, размещенный на исходящей вентиляционной струе из лавы (в заявке фигурирует под №1), подсоединяется проводной линией с устройством АГЗ на откаточном штреке, обеспечивающим питание датчика, ретрансляцию телеизмерительной информации и выполнение функций АГЗ, при этом проводная линия проложена от датчика до устройства АГЗ по обходным выработкам, а не по лаве. Остальные датчики размещают по длине лавы, каждый из которых включает автономный источник питания, работающий в энергосберегающем режиме, и беспроводную связь через встроенные приемопередающие устройства с оператором АГЗ. Данные всех 5-ти датчиков обеспечивают в режиме «on-line» наблюдение за картиной пространственного распределения концентраций CH₄ по лаве и участвуют в оперативном обнаружении случаев «несанкционированного вмешательства» по алгоритму с соответствующим программным обеспечением на основе предлагаемого способа диагностики.

Схема размещения точек контроля метана и аппаратуры АГК в очистном забое и призабойном пространстве при сплошной системе разработки (лава-штрек) на пологих и наклонных пластах, опасных по внезапным выбросам, представлена на фиг.1.

Здесь: Д1 - датчик метана на исходящей вентиляционной струе лавы, имеющий проводную связь с устройством АГЗ и системой ТИ с диспетчером шахты;

Д2, Д3, Д4 … Дn - датчики метана, размещенные по длине лавы, обеспечивающие пространственный контроль CH4 в лаве и участвующие в обнаружении «несанкционированного вмешательства», соединяются с диспетчером шахты через комбинированную систему телекоммуникаций по радиоканалу и проводной связи.

Д(n+1) - датчик метана на входящей вентиляционной струе лавы, контролирующий концентрацию CH₄ при внезапном выбросе.

ПРС - приемник радиосигналов,

АГЗ - устройство автоматической газовой защиты, выполняющее также функции блока питания датчиков метана с проводной связью и ретранслятора ТИ получаемой от них информации.

Литература

1. Е.Ф. Карпов, Б.И. Басовский. Контроль проветривания и дегазации в угольных шахтах. Москва, «Недра», 1994 г., 333 стр.

2. http://www.ingortech.ru/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=121&Itemid=53.

3. http://www.granch.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=40&Itemid=70.

4. Система «Marco System analyse und Entwicklund GmBH», http://www.marco.de.

Изобретение относится к способам контроля состава и параметров атмосферы угольных шахт, а именно к газовому анализу. Техническим результатом является повышение эффективности аэрогазового контроля в горных выработках угольных шахт за счет выполнения диагностики и выявления незаконных вмешательств в штатный режим работы систем аэрогазового контроля (АГК), а также реагирования на кратковременные пульсации концентраций метана, превышающих по амплитуде допустимые нормы. Предложенный способ АГК атмосферы угольной шахты заключается в непрерывном мониторинге состава и параметров рудничной атмосферы и использовании данных для диагностики ее состояния, а также для выявления «несанкционированного вмешательства» в штатный режим работы системы АГК. При этом для повышения информативности АГК обеспечивают увеличение количества точек контроля метана на объекте до величины n, которая зависит от длины лавы и определяется как оптимальное по минимуму число точек контроля, достаточное для отслеживания меняющейся картины распределения концентраций метана по вентиляционному потоку объекта контроля. Причем для выявления несанкционированного вмешательства осуществляют следующие операции: сначала фиксируют фоновое значение сигналов о концентрации метана в контролируемых точках в подготовительную смену при неизменном вентиляционном потоке и неработающих забойных машинах и механизмах; затем в рабочие смены в режиме онлайн фиксируют текущие значения этих же сигналов и сравнивают их с соответствующими фоновыми значениями, и судят о «несанкционированном вмешательстве», если текущие значения сигналов ниже фоновых значений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ аэрогазового контроля (АГК) атмосферы угольных шахт, включающий непрерывный мониторинг состава и параметров рудничной атмосферы и использующий данные контроля геомеханических параметров зон повышенного давления и сейсмоакустической активности угольных пластов и пород на шахтах, опасных по газу и пыли, горным ударам и внезапным выбросам, отличающийся тем, что повышение информативности АГК достигают увеличением количества точек контроля CH₄ объекта до величины n, которая зависит от длины лавы и определяется как оптимальное по минимуму число точек контроля, достаточное для отслеживания меняющейся картины распределения концентраций CH₄ по вентиляционному потоку объекта контроля,
используя такое увеличение для выявления «несанкционированного вмешательства», которое осуществляют выполнением последовательности следующих операций: сначала фиксируют фоновое значение сигналов о концентрации CH₄ в контролируемых точках в подготовительную смену при неизменном вентиляционном потоке и неработающих забойных машинах и механизмах: S^o ₁, S^o ₂, S^o ₃…S^o _n, затем в рабочие смены в режиме «on-line» фиксируют текущие значения сигналов S₁, S₂, S₃…S_n и сравнивают их с соответствующими фоновыми значениями, а «несанкционированное вмешательство» выявляют, когда S₁<S^o ₁ и/или S₂<S^o ₂ и/или S₃<S^o ₃… и/или S_n-1<S^o _n-1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обнаруженное «несанкционированное вмешательство» перепроверяют путем сравнения между собой сигналов S₁, S₂, S₃…S_n, исключая из сравнения сигнал, измеряющий в момент сравнения местное скопление CH₄ в районе действия комбайна, и фиксируют подтверждение «несанкционированного вмешательства» наличием сигнала S_i, связанного с отключающим устройством АГЗ, по величине меньшим по сравнению с соседним и близлежащими к соседнему сигналами в точках контроля, расположенных в противоположном направлении вентиляционного потока.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при фиксировании на исходящей вентиляционной струе лавы кратковременных флуктаций концентраций CH₄, вызванных турбулизацией перемещающихся по длине лавы местных скоплений метана, при этом амплитуды отдельных пульсаций превышают допустимые нормированные значения содержания CH₄ на величину, не превышающую тройного значения основной погрешности измерений - подают команду на подачу предупредительной местной и централизованной сигнализации на период, равный допустимому значению времени инерционности измерений, и если после этого флуктации не прекращаются, формируют и подают команду на отключение силовой электросети.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на объектах, где не возможна или затруднена по горно-техническим условиям прокладка и эксплуатация проводных линий связи, точки контроля СН₄ оснащают беспроводными радио-приемо-передающими метанометрами с автономными, работающими в энергосберегающем режиме, источниками питания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при мгновенно возникающих и быстропротекающих процессах образования взрывоопасных концентраций CH₄, параллельно с сигналами АГК, воздействующими на АГЗ, осуществляют формирование опережающего воздействия на автоматическую газовую защиту (АГЗ) аварийных сигналов, вырабатываемых средствами контроля и прогноза внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и иных масштабных аварийных газодинамических проявлений.