Вопросы обеспечения энергетической эффективности и безопасности ведения горных работ за счет усовершенствования систем управления вентиляторами местного проветривания угольных шахт

III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ

ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY

И.П. Маслов

инженер ООО «Кузбасский региональный горный центр охраны труда»

И.Ю. Семыкина

канд. техн. наук, доцент, заведующая кафедрой ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

УДК 622.23.05

ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ЗА СЧЕТ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРАМИ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Показана роль систем местного проветривания в обеспечении безопасных условий труда на угольных шахтах. Описаны функции, выполняемые системами местного проветривания в рамках автоматизированных систем аэрогазового контроля, и показаны направления совершенствования электроприводов вентиляторов местного проветривания, обеспечивающие повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (шифр МК-1963.2013.8).

Ключевые слова: ВЕНТИЛЯТОР МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОД, ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ

Введение

Россия по разведанным запасам угля занимает первое место в мире и пятое место по объему добычи, отставая от США, Китая, Австралии и Индии [1]. Угольная промышленность является одной из важнейших отраслей нашей страны. От других отраслей, связанных с добычей топлива, она отличается сложностью условий (особый микроклимат, значительные глубины, наличие горного давления и т.д.), большим количеством способов разработки месторождений, применением широкого ассортимента технологического оборудования. По данным Министерства энергетики РФ, угольная отрасль страны на 100 % представлена частными компаниями. Производственная мощность угле-

добывающих предприятий отрасли за 2004-2011 гг. выросла почти на 40 %. В 2011 г. был достигнут наивысший показатель добычи угля в постсоветской России - 336,1 млн.т, что на 4,0 % больше уровня 2010 г. Суммарная поставка российского угля потребителям в 2011 г. составила 305,1 млн т (+2,9 % к 2010 г.). Сальдированный финансовый результат в целом по отрасли превысил в 2011 г. 120 млрд рублей [2].

В январе 2012 г. Правительство Российской Федерации утвердило разработанную Минэнерго долгосрочную «Программу развития угольной отрасли на период до 2030 года». Документ состоит из восьми подпрограмм и учитывает мероприятия действующих федеральных целевых программ, отраслевых

стратегий и уже принятые решения правительства в отношении угольной отрасли. В основе программы лежит оценка перспектив спроса на российский уголь, исходя из прогнозируемой конъюнктуры внутреннего и внешнего рынков [3]. В рамках соответствующих подпрограмм и намеченных мероприятий предусматривается создание устойчивой инновационной системы для обеспечения угольной отрасли прогрессивными отечественными технологиями и оборудованием, научно-техническими и инновационными решениями. Программа предполагает, что к 2030 г. добыча угля вырастет до 430 млн т и будет осуществляться на 82 разрезах и 64 шахтах, а уровень производительности труда (добыча угля на одного занятого) в пять раз превысит показатель 2010 г. (9 000 т и 1 880 т соответственно). За весь период действия программы будет введено 505 млн т новых и модернизированных мощностей по добыче угля при выбытии 375 млн т мощностей неперспективных и убыточных предприятий и сокращении уровня износа основных фондов с 70 до 20 %.

Реализация этих показателей приведет к повышению количества и мощности применяемой техники, что при отсутствии дополнительных мер увеличит вероятность возникновения аварийных ситуаций. Тем не менее, удельный травматизм со смертельным исходом на 1 млн т добычи в 2011 г. снизился в целом по отрасли до 0,15 (2010 г. - 0,45), на шахтах - до 0,35 (2010 г. - 1,22) [2].

Помимо программы развития угольной отрасли, Минэнерго России разработало «Программу по обеспечению дальнейшего улучшения условий труда, повышения безопасности ведения горных работ, снижения аварийности и травматизма в угольной промышленности, поддержания боеготовности военизированных горноспасательных, аварийно-спасательных частей на 2012-2013 гг.» [4]. Документ предусматривает продолжение планового выполнения комплекса системных мер по совершенствованию требований и условий по охране труда и промышленной безопасности, в том числе по вопросам проветривания и управления пылегазовым режимом шахт, готовности шахт к локализации и ликвидации аварий, безопасному ведению горных работ, поддержанию постоянной боеготовности военизированных горноспасательных частей, совершенствованию норм проектирования.

Таким образом, обязательным условием дальней-

шего развития угольной промышленности является техническое перевооружение, в ходе которого необходимо обеспечить комплексную механизацию и автоматизацию всех технологических процессов, включая вспомогательные. Современное оборудование должно быть максимально адаптировано к работе в сложных геологических условиях шахты, иметь повышенную надежность и максимально отвечать требованиям безопасности.

Безопасность с учетом вентиляции

Создание безопасных условий труда в шахтах во многом зависит от качества проветривания шахтных выработок, а также от постановки контроля параметров рудничной атмосферы и умения на базе полученной информации оперативно управлять шахтными вентиляционными струями.

По способу организации на рудных и угольных шахтах, опасных по газу и пыли, используют несколько вариантов включения вентиляторов местного проветривания (ВМП) в вентиляционную сеть:

• Установка одного большого вентилятора на головном участке трубопровода представляет собой обычный вариант работы вентилятора на сеть.

• Каскадный вариант, при котором в начальный период проходки на трубопровод устанавливается один вентилятор. Расход на выходе к забою в этом периоде превышает расчетную величину и снижается по мере увеличения длины трубопровода. При снижении расхода до расчетной величины устанавливается второй вентилятор и т.д.

Работа системы вентиляции управляется системой аэрогазового контроля (АГК). Современными системами автоматизации аэрогазового контроля шахты на примере системы АГК НПФ «Гранч» (рисунок 1) выполняются следующие функции [5]:

• аэрогазовый контроль в местах установки датчиков в горных выработках шахты;

• автоматическая газовая защита;

• автоматический контроль и управление работой главных вентиляторных установок;

• автоматический контроль и управление работой ВМП подготовительных забоев;

• автоматический контроль положения дверей вентиляционных шлюзов, устроенных в горных выработках для обеспечения режима проветривания;

Рисунок 1 - Система аэрогазового контроля НПФ «Гранч»

• телесигнализация и телеизмерение параметров (концентрация метана, концентрация оксида углерода, скорость воздушного потока в очистном забое и вентиляционных трубопроводах подготовительных забоев) рудничной атмосферы;

• телеуправление оборудованием поддержания безопасного аэрогазового режима в горных выработках.

Система обеспечивает:

• передачу непрерывной информации о значениях контролируемых параметров на автоматизированном рабочем месте (АРМ) инженера-оператора АГК и горного диспетчера и ее регистрацию;

• дистанционную звуковую и световую аварийную сигнализацию о превышении нормы любого из контролируемых параметров на АРМ инженера-оператора АГК и горного диспетчера;

• автоматическую выдачу команд на снятие напряжения с электрооборудования контролируемого объекта при достижении предельно допустимых значений одного из контролируемых параметров;

• дистанционное отключение и включение горным диспетчером электроснабжения объектов;

• осуществление оперативного изменения конфигурации системы и размещения оборудования в соответствии с изменением горнотехнических и горно-геологических условий в шахте с соответствующим изменением алгоритма функционирования с целью добавления реакции на вновь вводимые датчики или исключением реакции на выводимые из состава системы;

• самоконтроль основных элементов схемы, а также защиту от замыкания и обрыва цепи, соединяющей устройство с датчиком;

• хранение информации в памяти компьютера в течение года.

Системы других производителей выполняют аналогичные функции. При этом, как показывает анализ информационных материалов [6-8], ни одной из систем автоматизации аэрогазового контроля, представленных в настоящее время на рынке горношахтного оборудования, не предусмотрено автоматического регулирования рабочих характеристик ВМП, а функция автоматического контроля и управления работай ВМП сводится к его дистанционному включению и остановке, а также контролю за его состоянием. Для эффективного использования вентиляторных установок конструкцией в них предусмотрена система регулирования рабо-

чих характеристик. Регулирование осуществляется изменением угла установки лопаток рабочего колеса, направляющего аппарата и изменением сечения входного коллектора [9]. В то же время управление аэрогазовым режимом в тупиковой выработке путем изменения частоты вращения ВМП энергетически более эффективно по сравнению с регулировками, предусмотренными в конструкции вентилятора.

Данное утверждение справедливо, поскольку количество воздуха, которое необходимо подавать в призабойное пространство проводимой выработки, в течение всего периода проходки чаще всего остается постоянным, а в связи с изменением длины выработки увеличивается длина трубопровода и, соответственно, его сопротивление [10], определяемое по выражению:

R = 6,5 a l /d,,

тр 5

где а - коэффициент аэродинамического сопротивления применяемых труб, Нс2/м4; ¡тр> - длина трубопровода, м; ё - диаметр труб, м.

Таким образом, в связи с увеличением длины выработки характеристика трубопровода становится круче, режим работы вентилятора сдвигается влево с уменьшением производительности. С другой стороны, увеличение длины трубопровода ведет к увеличению утечек в нем. Все это вызывает неоправданные энергетические потери при работе ВМП, с одной стороны, а с другой - необходимость увеличения производительности вентилятора по мере роста длины проводимой выработки. Следовательно, вентилятор местного проветривания должен быть регулируемым, что подтверждается также многочисленными научными публикациями, например [13-15].

Система регулировки рабочих характеристик вентилятора, предусмотренная заводом-изготовителем, на практике не дает возможности быстро отреагировать на изменяющуюся аэрогазовую обстановку в призабойном пространстве, а также организовать регулирование в автоматическом режиме.

Одним из вариантов решения проблемы оперативного автоматического регулирования производительности ВМП может стать использование системы частотного регулирования скорости вращения рабочего колеса вентилятора. Общая струк-

тура такой системы изображена на рисунке 2, где ПЛК - программируемый логический контроллер; ПЧ - преобразователь частоты; ВМП - вентилятор местного проветривания; ВС - вентиляционная сеть; СН4, СО2, V, С - сигналы датчиков системы АГК в призабойном пространстве, соответственно, концентрации метана, диоксида углерода, концентрации запыленности атмосферы и скорости воздушного потока.

Предлагаемая система работает следующим образом: от контроллера подается сигнал управления на преобразователь частоты, который изменяет частоту питающей сети ВМП, обеспечивая регулирование частоты вращения рабочего колеса вентилятора, а также его плавный запуск и тем самым плавное заполнение вентиляционной трубы. Для поддержания в допустимых пределах параметров атмосферы в призабойном пространстве (таблица 1) [11,12] используются приборы, входящие в состав системы аэрогазового контроля, показания которых подаются на контроллер в качестве обратной связи для корректировки управляющего сигнала. Контроллер по шахтной сети Ethernet связан с АРМ диспетчера для передачи ему информации о состоянии вентилятора и возможности оперативно изменять его режим работы. Следовательно, такая система позволяет автоматически поддерживать параметры рудничной атмосферы в призабойном пространстве тупиковой выработки в пределах, установленных Правилами безопасности, что обеспечит создание безопасных условий труда в шахтах.

Рисунок 2 - Структурная схема предлагаемой системы автоматического управления ВМП

Таблица 1 - Предельные значения рудничной атмосферы

Контролируемый параметр Значение

Концентрация метана в призабойном пространстве тупиковой выработки, % <2

Концентрация метана на исходящей струе тупиковой выработки, % <1

Запыленность в исходящей струе тупиковой выработки, мг/м3 <150

Скорость воздуха в призабойном пространстве тупиковой выработки, м/с 0,25 - 4

Концентрация кислорода в выработке, % >20

Концентрация диоксида углерода в выработке, % <0,5

Несмотря на положительный опыт применения преобразователя частоты на других общепромышленных установках, его внедрение на шахтах имеет ряд трудностей, связанных с несовершенством нормативно-технической базы, инерционностью промышленного производства, сопряженной с бюрократическими препонами сертифицирующих организаций, и низкой квалификацией инженерно-технического состава горных предприятий.

Выводы

Анализируя изложенный материал, можно сделать следующие заключения:

1. Для обеспечения безопасности ведения горных работ необходимо выдерживать параметры рудничной атмосферы в пределах заданных значений.

2. Для поддержания нормальных аэрогазовых условий в призабойном пространстве тупиковой выработки необходимо регулировать рабочие характеристики вентилятора местного проветривания.

3. Для регулирования рабочих характеристик вентилятора местного проветривания экономически эффективно применение частотного управления.

4. Система частотного управления должна быть интегрирована в действующие системы аэрогазового контроля, поскольку в качестве обратной связи в ней используются сигналы приборов, входящих в состав АГК.

5. Для упрощения процесса массового внедрения таких систем частотного управления необходимо переработать и дополнить действующую нормативно-техническую документацию.

Таким образом, разработка и интеграция в действующие системы аэрогазового контроля системы частотного регулирования для вентиляторов местного проветривания является актуальной задачей как с точки зрения экономической эффективности управления режимами работы, так и повышения уровня безопасности и санитарно-гигиенических условий труда рабочих при проведении горных работ в условиях постоянного роста производительности горнодобывающих предприятий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Морозова, Т.Г. Экономическая география России / Т.Г. Морозова. - М.: Юнити, 2008.

2 Министерство энергетики Российской Федерации. Состояние отрасли [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/activity/coalindustry/state_of_the_industry/.

3 Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года: утв. Правительством РФ 24.01.2012 г. N 14-р.

4 Программа по обеспечению дальнейшего улучшения условий труда, повышения безопасности ведения горных работ, снижения аварийности и травматизма в угольной промышленности, поддержания боеготовности военизированных горноспасательных, аварийно-спасательных частей на 2012-2013 годы: утв. Минэнерго России, Минздравсоцразвития России, МЧС России, Ростехнадзором в 2012 г. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/documents/fold13/index.php?ELEMENT_ID=14017.

5 ПродукцияНПФ «Гранч»[Электронныйресурс]. -Режим доступа:http://www.granch.ru/index.php?option=com_c ontent&view=article&id=40&Itemid=7.

6 Продукция ООО «ИНГОРТЕХ» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ingortech.ru/produktsiya/

statsionarnye-sistemy/paragraf-41-pb/aerologicheskaya-zashchita-p-41-pb.html.

7 Продукция Davis Derby Ltd [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.davisderby.com/product_ group.php?range=5.

8 Продукция Trolex Ltd [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.trolex.com/systems.

9 Ивановский, И.Г. Шахтные вентиляторы: учеб. пособие / И.Г. Ивановский. - Владивосток: ДВГТУ, 2003. - 196 с.

10 Ушаков, К.З. Аэрология горных предприятий: учебник для вузов / К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, Л.А. Пучков, И.И. Медведев. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 421 с.

11 ПБ 05-618-03. Правила безопасности в угольных шахтах: утв. Госгортехнадзором РФ 05.06.03 № 50 (редакция от 20.12.10).

12 Положение об аэрогазовом контроле в угольных шахтах: утв. Ростехнадзором 01.12.11 N 678.

13 Сарваров, А.С. Энергосберегающий электропривод вентиляторных механизмов по системе НПЧ-АД с программным формированием напряжения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Челябинск, 2002. - 36 с.

14 Пивняк, Г.Г. Методы и средства энергоконтроля процессов подземной угледобычи / Г.Г. Пивняк, В.Т. Заика, В.В. Самойленко // Электрика. - 2006. - № 6. - С. 3-7.

15 Дацковский, Л.Х. Электропривод шахтных стационарных установок. Современное состояние и перспективы / Л.Х. Дацковский, В.И. Роговой // Электромашиностроение и электрооборудование. - 2006. - № 66. - С. 94-102.

QUESTIONS OF POWER EFFICIENCY AND Маслов Иван Петрович

MINING WORKS SAFETY PROVISION WITH THE e-mail: ivan-maslov@yandex.ru

HELP OF COAL MINE LOCAL FANS CONTROL Семыкина Ирина Юрьевна

SYSTEM IMPROVEMENT e-mail: siyu.eav@kuzstu.ru

I.P. Maslov, I.Yu. Semykina

The role of local ventilation systems to ensure safe

working conditions in the coal mines is shown. The

functions performed by local ventilation systems in

the framework of the automated control systems

of air and gas are described, the directions of the

local ventilation fan electricdrive improvement are

shown. They are boosting the efficiency and safety

of mining operations.

The work was financially supported by the Ministry

of Education and Science of the Russian Federation

within the frames of the Russian Federation President

grant for support of young Russian scientists-

candidates of sciencs

Key words: LOCAK VENTILATION FAN, ELECTRIC

DRIVE, FREQUENCY CONTROLE, POWER

EFFICIENCY, SAFETY

110