Система аэрогазового контроля в зоне очистного забоя Российский патент 2023 года по МПК E21F17/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности работ в шахтах.

Уровень техники

Одним из важнейших элементов обеспечения безопасности работы шахт являются многофункциональные системы безопасности (МФСБ), с помощью которых диспетчер контролирует состояние всех механизмов и систем в шахте. При этом чрезвычайно ответственным является сбор и представление диспетчеру информации о концентрации взрывоопасных и вредных газов, а также динамике их изменения, особенно в зоне работы шахтных добывающих комбайнов, где осуществляется активное вскрытие газоносных пластов. Здесь происходит интенсивное выделение опасных газов, в частности метана, высокая концентрация которого при появлении искры от контакта режущего инструмента с твердыми вкраплениями может вызвать пожар и взрыв.

Традиционно для аэрогазового контроля используются стационарные датчики метана, закрепляемые на стенах забоя и элементах механической крепи, и метанометры, которые устанавливаются на горных машинах и обеспечивают отключение электроэнергии от механизма при достижении опасной концентрации метана. Некоторые метанометры, например, прибор МГМ-1, оснащены «черным ящиком» для хранения контрольно-измерительных данных, что позволяет считывать эти данные и анализировать, но только после окончания работы и возвращения прибора на поверхность, так как постоянная связь измерительных устройств с диспетчером шахты отсутствует. Вместе с тем, зона работы комбайна постоянно удаляется от места расположения стационарных датчиков, а для их переустановки требуется прекращение работ, что также является недостатком таких систем аэрогазового контроля.

Известна система дистанционного мониторинга, содержащая множество установленных на горных машинах датчиков контроля концентрации угарного газа и метана, осуществляющих передачу данных в цифровом виде, по запросу, через сеть повторителей на наземный компьютер, расположенный за пределами шахты (см. патент US 4968978, МПК: Е21С 35/24, G08C 15/00 и др., опубл. 06.11.1990 г). Передача данных осуществляется по естественному волноводному пути либо проводнику, посредством магнитной индукции.

В качестве проводников, образующих канал передачи данных, как правило, используются цепи питания и/или управления горной машиной. Однако подключение к этим цепям не всегда возможно, а в некоторых случаях небезопасно, и может привести к некорректной работе, и даже к выходу из строя дорогостоящего оборудования, кроме того для такого подключения требуется согласование с производителями горных машин.

Известна система шахтного сканирующего аэрогазового контроля (см. патент RU 2573659 МПК: G08B 21/02, E21F 17/18, опубл. 27.01.2016), которая включает мобильные устройства оповещения с датчиками внутришахтной среды, закрепленные на подвижных объектах, преимущественно рабочих, спускающихся в шахту, и установленные в выработках шахты базовые станции, осуществляющие сбор информации с датчиков посредством радиоканала, для чего мобильные устройства и базовые станции снабжены Wi-Fi приемо-передающими устройствами. Все базовые станции соединены проводной связью между собой и с контроллером кластера базовых станций, который снабжен устройствами цифровой связи с головным офисом.

Использование для радиосвязи в шахте сверхвысоких частот уровня Wi-Fi (2,5 ГГц) имеет ряд существенных недостатков. Так механическая крепь, размещенная вдоль всей лавы, сильно ограничивает распространение радиосигналов при допустимых (по условиям взрывобезопасности) уровнях мощности на выходе радиопередатчиков. В силу большого количества металлических устройств и изделий в шахте происходит многократное переотражение радиоволн, вследствие чего полезная информация становится трудноотличимой на фоне помех. Ситуация осложняется сильным поглощением радиоволн этих частот пластами горной породы.

Нормативное требование, предполагающее, что с каждого комбайна необходимо передавать информацию в систему безопасности шахты не менее чем с трех датчиков, дополнительно усложняет задачу радиопередачи сигнала, т.к. на сверхвысоких частотах резко сокращается расстояние безошибочной передачи информации, а использование низких частот делает передачу информации очень медленной и требует больших мощностей, при этом куски отбитой породы, активно бомбардирующие зону, прилегающую к комбайну, делают практически невозможным размещение сколь-нибудь протяженных антенн.

Еще одним недостатком системы по патенту RU 2573659, известной как система «Гранч», является использование оригинального специализированного оборудования, что позволяет ее реализовать только в условиях новой, вновь оборудуемой шахты. Для использования в старых, уже существующих шахтах эта система неприменима, так как для ее внедрения требуется практически полная замена существующего оборудования.

В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения принята автоматизированная система аэрогазового контроля и предотвращения взрыва в забое, см. патент RU 2539052, МПК: Е21F5/00, Е21F17/18, дата публикации 10.01.2015 г.

Ближайший аналог характеризуется следующими признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого решения, а именно: система аэрогазового контроля содержит установленные на шахтном комбайне измерительные устройства, каждое из которых включает датчик метана (метанометр), блок автономного питания и радиомодуль, и размещенный в безопасной зоне блок сбора данных (в патенте RU 2539052 это центральный пульт управления), который, с одной стороны, связан с измерительными устройствами через блоки промежуточного приема и передачи данных (в патенте RU 2539052 эти функции исполняют блоки контроля и управления секциями механической крепи, соединенные между собой проводами), и с другой стороны - с диспетчерским пультом системы безопасности шахты, размещенным на поверхности.

Одним существенным недостатком ближайшего аналога, как и вышеупомянутого, является ограниченный радиус действия радиомодулей, вследствие использования сверхвысокочастотных Wi-Fi сигналов. Из-за ограниченного радиуса действия блоки контроля и управления секциями механической крепи с приемо-передающим оборудованием размещают на каждой третьей секции механической крепи, что ведет к существенному усложнению системы, особенно если учесть, что в современных высокопроизводительных схемах добычи длина лавы достигает 500 метров.

Другим недостатком является наличие проводной связи в канале передачи данных, так как провода могут быть перебиты разлетающимися из зоны работы комбайна камнями, достигающими механической крепи, кроме того наличие проводов существенно усложняет процессы перемещения секций крепи.

Все вышесказанное свидетельствует о низкой эксплуатационной надежности системы контроля и её излишней конструктивной сложности.

К недостаткам можно отнести и то, что в этой системе, как и в системе «Гранч», предполагается использование оригинального оборудования, т.к. в реальности блоки контроля и управления оросительной системой имеют иное исполнение и не размещаются на секциях механической крепи.

Целью изобретения является разработка простой и надежной системы аэрогазового контроля в зоне очистного забоя, обеспечивающей передачу достоверной оперативной информации, и которая может быть встроена в любую уже существующую систему безопасности шахты с минимальными затратами.

Техническим результатом, обусловливающим достижение этой цели, является увеличение дальности передачи достоверного и устойчивого к помехам радиосигнала в условиях шахтного забоя, что позволило исключить использование проводных линий в зоне добычи и уменьшить количество оборудования, используемого для организации канала передачи.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена и вышеуказанный технический результат достигнут благодаря тому, что в системе аэрогазового контроля в зоне очистного забоя, содержащей установленные на шахтном комбайне измерительные устройства, каждое из которых включает метанометр, блок автономного питания и радиомодуль, и связанный с измерительными устройствами блок сбора данных, выполненный с возможностью связи с диспетчерским пультом системы безопасности шахты, размещенным на поверхности, согласно заявляемому изобретению, радиомодуль установлен в изолированном от метанометра отсеке защитного кожуха, закрепленного на шахтном комбайне, подключен к метанометру по тем же линиям, по которым выдается команда исполнительному механизму на отключение электропитания комбайна при превышении допустимой доли метана, и выполнен с возможностью обмена данными с блоком сбора данных на частоте от 800 до 1000 МГц по радиоканалу, образованному активными ретрансляторами, при этом блок сбора данных выполнен с возможностью оперативного ввода и вывода адресов измерительных устройств и снабжен набором типовых аналоговых и цифровых интерфейсов для подключения к шлюзу системы безопасности шахты.

В предлагаемом техническом решении весь путь от измерительного устройства, установленного на горнодобывающем комбайне, до блока сбора данных, размещенного в безопасной зоне и подключенного к проводной линии системы безопасности шахты, выполнен в виде канала беспроводной радиосвязи, что позволило исключить все риски, связанные с механическими повреждениями, имеющими место в проводных линиях ближайшего и других известных аналогов.

Отсутствие проводных линий связи в зоне активной работы комбайна позволило также полностью исключить влияние (наводки) электропитания силового оборудования комбайна на достоверность передаваемой информации.

Отличительной особенностью системы является использование для радиосвязи измерительных устройств с блоком сбора данных диапазона частот от 800 до 1000 МГц, что позволило решить ряд вышеупомянутых проблем, имеющих место при использовании сверхвысоких частот.

Как было установлено практическим путем, частотный диапазон 800-1000 МГц обеспечивает наиболее оптимальное соотношение между мощностью и дальностью передачи сигнала, и при этом обеспечивает высокую помехоустойчивость, что гарантирует надежную передачу достоверной информации на сравнительно большое расстояние. При этом в радиотракте с такими частотами могут быть использованы малогабаритные всенаправленные антенны, габариты которых приемлемы для работы в сложных условиях шахтной лавы.

Увеличение дальности передачи достоверного сигнала позволило существенно упростить систему и уменьшить количество используемого оборудования. Так для передачи данных из зоны активной работы комбайна - в безопасную зону, например, зону размещения энергопоезда, где, как правило, располагается шлюз системы безопасности шахты, достаточным является использование 2-3 ретрансляторов при длине лавы 450 м.

Таким образом, благодаря вышеупомянутым отличительным признакам, достигается существенное упрощение системы аэрогазового контроля с одновременным повышением ее эксплуатационной надежности.

Благодаря тому, что блок сбора данных снабжен набором типовых аналоговых и цифровых интерфейсов, обеспечена возможность согласования передаваемых системой данных с практически любой известной системой безопасности шахты, что обеспечивает возможность встраивания предлагаемой системы в уже существующие (эксплуатируемые) шахтные системы безопасности при сохранении конструктивной простоты системы.

Предпочтительно, на одном шахтном комбайне установлено не менее трех измерительных устройств.

В качестве измерительных устройств в предлагаемой системе могут быть использованы известные метанометры, отключающие электропитание комбайна при превышении допустимой доли метана, которые дополняются радиомодулем.

Предпочтительно, метанометр разъемно соединен с блоком автономного питания с образованием переносного модуля и установлен в защитном кожухе, стационарно закрепленном на шахтном комбайне. Радиомодуль установлен в том же кожухе и подключен к линии связи метанометра с исполнительным механизмом, отключающим электропитание комбайна при превышении допустимой доли метана. Антенна радиомодуля размещается в радиопрозрачном взрывозащищенном корпусе и устанавливается на поверхности комбайна.

Конструкция активного ретранслятора предполагает наличие контроллера, источника автономного питания, автоматически подключаемого по сигналу контроллера, и приемопередатчика, работающего на частоте измерительного устройства и блока сбора данных.

Благодаря тому, что измерительные устройства и ретрансляторы имеют блоки автономного питания, а блок сбора данных получает питание от аварийной сети шлюза, обеспечивается возможность передачи информации о газовой атмосфере во время и после возникновения аварийной ситуации, и в течение нескольких часов после отключения электропитания в забое.

Блок сбора данных может быть выполнен на базе программируемого контроллера и снабжен клавиатурой и цифровым табло для возможности ввода-вывода адресов измерительных устройств и контроля функционирования элементов системы.

Корпуса ретрансляторов и блока сбора данных предпочтительно выполнены из радиопрозрачных материалов, что позволяет размещать антенны радиомодулей внутри них, и дополнительно способствует повышению эксплуатационной надежности системы.

Предлагаемая система аэрогазового контроля предусматривает возможность включения в нее других измерительных устройств, например, стационарных датчиков метана, установленных в забое и оснащенных соответствующими радиомодулями, а также переносных многогазовых анализаторов, закрепляемых, как правило, на одежде или касках шахтеров, спускающихся в забой.

Для обеспечения связи с этими и другими измерительными устройствами, приемопередатчик которых работает на другой частоте, отличной от рабочей частоты измерительного устройства и блока сбора данных, в конструкцию активного ретранслятора может быть встроен дополнительный приемопередатчик.

Сущность изобретения поясняется нижеприведенным примером реализации предлагаемой системы и чертежами, на которых в форме «блок-схема» представлены: на фиг. 1 - система аэрогазового контроля в зоне очистного забоя; на фиг. 2 - измерительное устройство; на фиг. 3 блока сбора данных; на фиг. 4 активный ретранслятор.

Осуществление изобретения Система аэрогазового контроля в зоне очистного забоя содержит (см. фиг. 1) установленные на шахтном комбайне 1 измерительные устройства 2, установленные на стенках забоя и конструкциях механической крепи 3 активные ретрансляторы 4, блок сбора данных 5, подключенный к шлюзу 6 проводной линии системы безопасности шахты, диспетчерский пульт 7 которой размещен на поверхности.

Количество измерительных устройств 2 определяется нормативными документами, и в приведенном примере составляет не менее трех.

Каждое измерительное устройство 2 (см. фиг. 2) включает метанометр 8, разъемно соединенный с блоком автономного питания 9 с образованием переносного модуля, который устанавливается в защитном кожухе 10, стационарно закрепленном на комбайне 1 и предохраняющем метанометр от ударов кусков добываемого продукта.

В изолированном от метанометра 8 отсеке кожуха 10 установлен радиомодуль 11, подключенный к метанометру 8 по тем же линиям, по которым выдается команда исполнительному механизму 12 на отключение электропитания комбайна 1 при превышении допустимой доли метана. Такое конструктивное решение позволяет не вносить изменений в конструкцию метанометра и обеспечивает возможность использования известных метанометров, применяемых на шахтах. Антенна 13 радиомодуля 11, размещенная в радиопрозрачном взрывозащищенном корпусе, может быть установлена сверху на поверхности комбайна 1.

Блок сбора данных 5 устанавливается в безопасной зоне, удаленной от зоны активных работ, например, в поперечном к забою проходе, где размещается энергопоезд, рядом с которым, как правило, находится шлюз 6 системы безопасности шахты.

Блок сбора данных 5 (см. фиг. 3) включает радиомодуль 14, контроллер-дешифратор 15, в программную память которого введены адреса измерительных устройств 2, набор интерфейсов 16 для связи с системой безопасности шахты, клавиатуру 17 и индикаторное табло 18. Клавиатура 17 и табло 18 закрываются крышкой (не показана), обеспечивающей взрывобезопасность оборудования.

Основным назначением блока сбора данных 5 является согласование данных, принимаемых и передаваемых по радиоканалу, с сигналами проводной линии системы безопасности шахты. Набор интерфейсов 16 включает типовые аналоговые и цифровые интерфейсы, например, такие как: токовая петля 1-5 мА, RS-485, RS-422 и другие, благодаря чему обеспечивается возможность подключения практически к любым шахтным системам безопасности, как современным, так и давно эксплуатируемым.

К функциям блока 5 относятся: передача команд с запросом информации на измерительные устройства 2; прием данных от измерительных устройств 2; оперативный ввод и вывод из системы адресов измерительных устройств 2, например, при смене состава оборудования в зоне работ, что осуществляется посредством клавиатуры 17; контроль функционирования блоков системы с отображением на табло 18 результатов.

Активный ретранслятор 4 служит для увеличения расстояния двунаправленной радиосвязи. Конструкция ретранслятора 4 (см. фиг. 4) предполагает наличие контроллера 19, приемопередатчика 20 с антенной и источника автономного питания 21, автоматически подключаемого при отключении сети электропитания. Необходимое количество ретрансляторов 4 определяется в зависимости от криволинейности лавы, числа опрашиваемых устройств и исходных уровней радиосигналов.

Радиомодули 11 и 14 и приемопередатчики 20 выполнены с возможностью обмена данными в диапазоне частот от 800 до 1000 МГц. В радиотракте с такими частотами могут быть использованы малогабаритные всенаправленные антенны, габариты которых приемлемы для работы в сложных условиях шахтной лавы. Антенны радиомодуля 14 и приемопередатчиков 20 могут быть размещены внутри корпусов соответственно блока 5 и ретрансляторов 4, при условии выполнения корпусов из радиопрозрачных материалов. Система функционирует следующим образом.

По команде системы безопасности шахты блок сбора данных 5 в автоматическом режиме передает через ретрансляторы 4 запрос с адресом измерительного устройства 2 на передачу информации о составе газовой среды.

Радиомодуль 11 измерительного устройства 2, адрес которого содержится в запросе, принимает радиосигнал и в ответ на полученный запрос передает, используя тот же путь, пакет данных о концентрации метана, измеренной в зоне размещения устройства. Передача радиосигналов между ретрансляторами 4 производится последовательно и по кратчайшему пути, что обеспечивается автоматически.

Блок сбора данных 5 преобразует полученные по радиоканалу данные в соответствующие электрические сигналы для передачи через шлюз 6 в проводную линию системы безопасности шахты. Информация поступает на диспетчерский пульт 7 шахты, где обрабатывается и представляется в соответствии с заданными алгоритмами.

Использование для передачи информации о концентрации газовой атмосферы в систему безопасности шахты радиоканала исключает влияние на органы управления горных машин и все риски, связанные с механическими повреждениями линии связи.

Частотный диапазон радиоканала, соответствующий 800-1000 МГц, обеспечивает наиболее оптимальное соотношение между мощностью и дальностью передачи сигнала, и при этом высокую помехоустойчивость, что позволяет передавать достоверную информацию на достаточно большое расстояние. По сравнению с известными аналогами, в системе существенно сокращено количество используемого оборудования. Как показали проведенные испытания, при длине лавы 450 метров, достаточным является использование двух-трех активных ретрансляторов 4.

Важным условием функционирования системы безопасности шахты является возможность получения информации о газовой атмосфере во время развития аварии и после нее. Для этого все устройства системы имеют аварийное питание, обеспечивающее передачу информации в течение нескольких часов после отключения электропитания в забое. Измерительные устройства 2 и ретрансляторы 4 имеют блоки автономного питания в своей конструкции. Блок сбора данных 5 получает питание от аварийной сети шлюза 6.

Предлагаемая система отличается конструктивной простотой и высокой эксплуатационной надежностью.

Система позволяет создавать локальные узлы аэрогазового контроля непосредственно в местах проведения работ с повышенным риском опасного изменения состава воздуха из-за проведения механических воздействий на залегающие пласты.

Система позволяет максимально задействовать уже используемое оборудование на шахте и требует минимальных затрат для проведения работ по установке нового оборудования.

При необходимости к системе могут быть подключены другие измерительные устройства, например, установленные в забое стационарные датчики метана 22, оснащенные радиомодулем, а также переносные устройства, такие как многогазовые анализаторы «Спутник» или сигнализаторы метана СМС-7, которые имеют встроенный радиоканал, используемый в ламповых.

Для связи с этими и другими измерительными устройствами, работающими на частоте, отличной от рабочей частоты метанометров 8 и блока сбора данных 5, в конструкцию активных ретрансляторов 4 может быть встроен дополнительный приемопередатчик 23.

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности работ в шахтах. Технический результат заключается в увеличении дальности передачи достоверного и устойчивого к помехам радиосигнала в условиях шахтного забоя. Система аэрогазового контроля в зоне очистного забоя содержит установленные на шахтном комбайне измерительные устройства и размещенные в шахте активные ретрансляторы, и блок сбора данных, выполненный с возможностью связи с диспетчерским пультом системы безопасности шахты, размещенным на поверхности. Активные ретрансляторы служат для передачи данных между измерительными устройствами и блоком сбора данных, в обоих направлениях, при этом данные передаются на частоте от 800 до 1000 МГц. Блок сбора данных снабжен набором типовых аналоговых и цифровых интерфейсов, посредством которых подключен к шлюзу проводной линии системы безопасности шахты. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система аэрогазового контроля в зоне очистного забоя, содержащая установленные на шахтном комбайне измерительные устройства, каждое из которых включает метанометр, блок автономного питания и радиомодуль, и связанный с измерительными устройствами блок сбора данных, выполненный с возможностью связи с диспетчерским пультом системы безопасности шахты, размещенным на поверхности, отличающаяся тем, что радиомодуль установлен в изолированном от метанометра отсеке защитного кожуха, закрепленного на шахтном комбайне, подключен к метанометру по тем же линиям, по которым выдается команда исполнительному механизму на отключение электропитания комбайна при превышении допустимой доли метана, и выполнен с возможностью обмена данными с блоком сбора данных на частоте от 800 до 1000 МГц по радиоканалу, образованному активными ретрансляторами, при этом блок сбора данных выполнен с возможностью оперативного ввода и вывода адресов измерительных устройств и снабжен набором типовых аналоговых и цифровых интерфейсов для подключения к шлюзу системы безопасности шахты.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что на одном шахтном комбайне установлено не менее трех измерительных устройств.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что метанометр соединен через разъем с блоком автономного питания с образованием переносного модуля, и установлен в защитном кожухе, стационарно закрепленном на шахтном комбайне.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что активный ретранслятор включает контроллер, приемопередатчик и источник автономного питания, автоматически подключаемый по сигналу контроллера.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что антенны активных ретрансляторов и блока сбора данных размещены внутри радиопрозрачных корпусов.

6. Система по пп. 1 и 4, отличающаяся тем, что она включает установленные в забое стационарные датчики метана, оснащенные радиомодулями, и переносные газоанализаторы, при этом в конструкцию активного ретранслятора встроен дополнительный приемопередатчик для связи с этими и другими измерительными устройствами, работающими на частоте, отличной от рабочей частоты метанометров и блока сбора данных.