Способ мониторинга выработанного пространства
METHOD FOR MONITORING OF MINED-OUT SPACE

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к технологии и способу контроля за содержанием опасных газов и очагов возгорания в выработанном пространстве, например, угольных шахт, и может быть использовано для предотвращения аварийных ситуаций и катастроф в горных выработках.
Из уровня техники известен способ регистрации и сохранения основных параметров взрыва метанопылевоздушной смеси в горных выработках, включающий установку в горной выработке устройств «черный ящик», в заданных точках (пикетах) на всем протяжении горных выработок на пути возможного распространения фронтов ударно-воздушной волны и пламени устанавливаются устройства «черный ящик», которые фиксируют направление развития или затухания взрывов и одновременно регистрируют величину избыточного давления во фронте ударно-воздушной волны и температуру фронта пламени, защищены от внешних механических воздействий и сохраняют зарегистрированную информацию до их обнаружения независимо от времени поисковых и восстановительных работ после аварии (см. Патент RU 2537308, опубликовано 27.12.2014).
Недостатком известного способа является отсутствие возможности своевременного информирования персонала о наличии опасных аварийных ситуаций в выработанном пространстве. Известное решение позволяет проанализировать параметры взрыва уже после случившейся аварии.
Также из уровня техники известен способ контроля аэрогазодинамических параметров рудничной атмосферы, заключающийся в том, что при обнаружении датчиками контроля параметров состояния рудничной атмосферы в горных выработках изменения концентрации кислорода в низшую или высшую сторону от критического значения, рассчитанного станцией обработки данных и формирования команд управления, уменьшение или увеличения скорости движения воздуха, увеличение температуры информация по каналу связи поступает на центральную станцию сбора и обработки показаний датчиков. Далее по каналу связи данные передаются на станцию обработки данных и формирования команд управления, где производится расчет на основе компьютерного трехмерного моделирования дальнейшего развития физико-химических процессов, протекающих в выработанном пространстве и формирует команды, передаваемые по каналу связи блоку автоматизированного управления вентиляционным режимом вентиляционной установки по специальным каналам связи передается сигнал вентиляторам, вентиляционным устройствам - лядам, шлюзам и т.д., в результате чего происходит перераспределение вентиляционных потоков, меняется скорость движения воздуха в выработках, изменяется тепловой режим и регулируется концентрация кислорода в горных выработках и в выработанном пространстве (см. Патент RU129992, опубликовано 10.07.2013).
Недостатком известного способа является отсутствие возможности проведения прямого измерения состояния очага возгорания заваленного пространства; низкая достоверность информирования об опасной ситуации, т.к. суждение о концентрации газа в очаге возгорания в выработанном пространстве осуществляется с помощью эмпирической зависимости; отсутствие информации о конкретной локализации места опасной концентрации газов на большой площади выработанного пространства.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ газового мониторинга активных выработанных пространств, включающий измерение концентрации контролируемого газа в исходящей струе вентиляционной выработки, примыкающей к выработанному пространству, по ее длине. Контроль концентрации газа осуществляют за местом перекрепления в зоне максимального притока этого газа из выработанного пространства. Устанавливают зависимость концентрации метана от расстояния между очистным забоем и местом перекрепления выработки при данной скорости подвигания лавы. Затем по этой зависимости определяют базовое расстояние от очистного забоя до места перекрепления выработки, соответствующее максимальному значению концентрации метана, при этом в процессе подвигания лавы поддерживают отставание места перекрепления выработки от очистного забоя лавы равным базовому расстоянию (см. Патент RU 2064046, конвенционный приоритет 21.05.1993).
Недостатками данного способа являются: низкая достоверность, т.к. суждение о концентрации газа в выработанном пространстве осуществляется с помощью эмпирической зависимости; отсутствие информации о конкретной локализации места опасной концентрации газов и/или об очаге возгорания в выработанном пространстве.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является предотвращение возникновения аварийных ситуаций в горных выработках.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности своевременного информирования о наличии опасных концентраций газов в выработанном пространстве и/или о наличии/отсутствии очагов самовозгорания в выработанном пространстве, позволяющее объективно оценить опасность/безопасность ведения добычных работ и своевременно принять меры по предотвращению аварийных ситуаций, обеспечение возможности точного определения места возникновения очагов самовозгорания и наличия опасной концентрации газов.
Технический результат изобретения достигается благодаря реализации предложенного способа мониторинга выработанного пространства, заключающегося в том, что в свободном доступном пространстве горной выработки, удаленном от очистного забоя, устанавливают приемное устройство, содержащее дешифратор и устройство оповещения, в процессе выемки полезного ископаемого механизированным очистным комплексом по меньшей мере в одну проходку вдоль очистного забоя на почве выработанного пространства между штреками последовательно устанавливают зонды, каждый из которых включает установленные внутри корпуса по меньшей мере один датчик газа и/или по меньшей мере один датчик температуры, контроллер и источник питания, последовательно по мере установки зондов и по мере перемещения очистного забоя соединяют каждый зонд с приемным устройством с помощью проводной линии связи, а после завала выработанного пространства с помощью по меньшей мере одного датчика газа и/или по меньшей мере одного датчика температуры каждого заваленного зонда осуществляют измерение соответственно концентрации газа и/или температуры в месте завала каждого зонда и от каждого заваленного зонда периодически отправляют на приемное устройство сигнал, содержащий информацию о концентрации газа и/или о температуре в зоне расположения соответствующего заваленного зонда, при этом с помощью устройства оповещения приемного устройства информируют о наличии опасной концентрации газа и/или о наличии или отсутствии возгорания в зоне расположения соответствующего заваленного зонда.
Кроме того, для отправки сигнала от каждого заваленного зонда на приемное устройство могут использовать проводную линию связи, выполненную в виде металлической проволоки, при этом каждый зонд дополнительно может содержать соединенный с контроллером передатчик акустического сигнала, а приемное устройство может содержать приемник акустического сигнала, соединенный с дешифратором и выполненный с возможностью преобразования акустического сигнала в электрический.
Кроме того, для отправки сигнала от каждого заваленного зонда на приемное устройство могут использовать проводную линии связи, выполненную в виде кабеля, уложенного в бронированную оболочку.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 схематично показана горная выработка с местом установки зондов и приемного устройства; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 схематично показан зонд, связанный с приемным устройством с помощью катанки (металлической проволоки); на фиг. 4 схематично показан зонд, связанный с приемным устройством с помощью бронированного кабеля.
Предложенный способ мониторинга выработанного пространства (горной выработки) осуществляется путем газового или температурного, или одновременно и газового и температурного мониторинга выработанного пространства, образованного в результате выемки полезного ископаемого, например, угля.
Предложенный способ осуществляется с помощью системы технических средств, включающих в себя (но, не ограничиваясь): зонды 1, приемное устройство 2, проводные линии 3 связи.
При осуществлении предложенного способа используют от одного зонда 1 и более. Преимущественно, используют совокупность зондов 1, каждый из которых соединен (связан) своей проводной линией 3 связи с приемным устройством 2. Количество приемных устройств 2 может быть любым от одного и более в зависимости от размера горной выработки, необходимого места установки устройства 2 и информирования рабочей бригады, находящейся в разных местах горной выработки (свободного пространства 14).
Каждый зонд 1 содержит ударопрочный корпус, выполненный или из металла (большой толщины), или из металлопластика, или из армированной прочной резины, или из любого другого материала, способного выдержать удары обрушившейся породы и давление от завала толстого слоя породы. Корпус зонда 1 может иметь любую форму (куб, параллелепипед, цилиндр, шар, пирамида и др.).
Внутри корпуса каждого зонда 1 установлены: один или несколько датчиков 4 газа (газоанализаторы); один или несколько датчиков 5 температуры (термометры); контроллер 6, соединенный с датчиками 4, 5 и обрабатывающий полученную от датчиков 4, 5 информацию; передатчик 7 сигнала, соединенный с контроллером 6 и выполненный, например, в виде стучалки, способной передавать зашифрованную информацию (акустические сигналы, волны) путем отстукивания по линии 3 связи; автономный источник 8 питания, соединенный с датчиками 4 и 5, с контроллером бис передатчиком 7 сигнала. При этом внутри корпуса зонда 1 может быть установлен либо только датчик 4 газа (в случае, если осуществляют газовый мониторинг), либо только датчик 5 температуры (в случае, если осуществляют температурный мониторинг), либо и датчик 4 газа и датчик 5 температуры (в случае, если осуществляют газово-температурный мониторинг). Количество датчиков 4 и/или датчиков 5 внутри корпуса зонда 1 может быть любым (от одного и более), причем, предпочтительно, размещать внутри корпуса каждого зонда 1 по несколько датчиков 4 и 5 с целью обеспечения возможности измерения концентрации газа и/или температуры в случае, если один из датчиков 4, 5 выйдет из строя.
Приемное устройство 2 содержит корпус, внутри которого установлены: приемник 9 сигнала, выполненный, например, в виде пьезодатчика, способного принимать акустический сигнал и преобразовывать акустический сигнал от передатчика 7 (от стучалки) в электрический сигнал; дешифратор 10, соединенный с приемником 9 сигнала и способный расшифровывать сигналы зонда 1; устройство 11 оповещения (или устройство визуализации), выполненное, например, в виде дисплея или монитора (экрана) с динамиками, или другого устройства, способного воспроизводить визуальную, звуковую и световую информацию. Устройство II оповещения способно отображать информацию о состоянии датчиков 4 и 5, а именно о наличии или отсутствии определенной концентрации газа и/или очагов самовозгорания в месте установки соответствующего зонда 1, а также иной информации, необходимой для осуществления контроля состояния выработанного пространства (например, отображает место установки соответствующего зонда 1, его работоспособность, имеет индикаторы отображения изменения необходимых для контроля параметров, воспроизводит звуковые или визуальные сигналы аварийности и др.).
Проводная линия 3 связи, соединяющая каждый зонд 1 с приемным устройством 2, представляет собой толстую металлическую проволоку (катанка, толщиной не менее 5 мм). Металлическая проволока (катанка) способна переносить акустический сигнал (акустическую волну), который образуется в результате воздействия на него стучалкой (передатчиком 7, например, по принципу азбуки Морзе), при этом проволока не разрушается при обрушении на нее горной породы.
Также проводная линия 3 связи может быть выполнена в виде кабеля, уложенного в бронированную оболочку, защищающую кабель от разрыва и способную выдержать удары или давление от образуемых в горной выработке толщи завалов (при обвале). В случае, если для соединения (связи) зондов 1 с приемным устройством 2 используют линии 3 связи в виде кабеля в бронированной оболочке, то зонды 1 не содержат стучалки (передатчика 7 сигнала), а приемное устройство 2 не содержит пьезодатчик (приемник 9 сигнала). В данном случае контроллер 6 напрямую соединен линией 3 (кабелем) с дешифратором 10, при этом кабель передает от датчиков 4 и 5 электрические аналоговые сигналы. Дешифратор 10 способен принимать аналоговые сигналы от датчиков 4 и 5 по кабелю 3 и преобразовывать их в цифровые сигналы, которые в соответствующем необходимом виде отображаются на устройстве 11 оповещения.
Предложенный способ мониторинга выработанного пространства осуществляется следующим образом. Рассмотрим на примере горной выработки полезного ископаемого в виде угольного пласта 15 (угольные шахты).
Перед выемкой угольного пласта 15, по простиранию угольного пласта 15 образуют штреки 12 (расположенные с противоположных сторон угольного пласта 15 по его ширине, либо с одной стороны от пласта 15, и прилегающие к выработанному пространству 16). При этом в конечной зоне штреков 12 (например, такая зона может совпадать с концом угольного пласта 15) в свободном пространстве 14, где выемку осуществляют в последнюю очередь горнопроходческого цикла, устанавливают одно или несколько приемных устройств 2 (например, в разных зонах свободного пространства 14).
При выемке угольного пласта механизированный очистной комплекс 13 осуществляет проходки, двигаясь вдоль очистного забоя 17 от одного штрека 12 к противоположному штреку 12 и обратно, т.е. осуществляет добычные циклы, при этом очистной забой 17 в процессе выемки поступательно перемещается. При выемке угольного пласта 15 образуется пространство (пространственная выработка 16), внутри которого в доступном месте на почве выработки вдоль очистного забоя 17 между штреками 12 последовательно друг за другом (после прохождения механизированного комплекса 13) устанавливают зонды 1. Зонды 1 могут устанавливать в промежутках между секциями комплекса 13. В одну проходку механизированным комплексом 13 могут устанавливать либо один зонд 1, либо несколько зондов 1 последовательно друг за другом (в зависимости от пространственного расположения угольного пласта 15, наличия или отсутствия подземных вод и других обстоятельств). Однако, возможен вариант, когда в одну проходку комплексом 13 зонды 1 не устанавливают, а устанавливают их в следующую проходку комплексом 13, или через одну, или через несколько проходок.
При последовательной установке зондов 1 в доступном месте горной выработки (в выработанном пространстве 16), по мере перемещения очистного забоя 17 каждый зонд 1 (последовательно друг за другом) соединяют с приемным устройством 2 соответствующей линией 3 связи (либо катанкой, либо кабелем по мере необходимости и в зависимости от наличия/отсутствия внутри зонда 1 стучалки). При этом каждый зонд 1 (в не зависимости от того произошло ли обрушение горной породы или нет) начинает фиксировать параметры наличия или Отсутствия взрыва, очагов самовозгорания, концентрации газов, и начинает периодически отправлять на приемное устройство 2 сигнал, который по мощности достаточен для прохождения через заваленное пространство (заваленное пространство на фиг. 1 и 3 совпадает с выработанным пространством и обозначено позицией 16). Каждый сигнал от каждого зонда 1 содержит (несет) закодированную информацию о концентрации газов в месте установки соответствующего зонда 1 или о значении температуры, или одновременно о концентрации газов и о значении температуры в точке (точках) заложения зондов 1. Периодичность отправки сигналов зондами 1 настраивается заранее (в момент установки, или до установки зонда 1), и сигнал может отправляться, например, один или несколько раз в течение нескольких минут, или один или несколько раз в течение часа или нескольких часов, и так далее в зависимости от необходимости и скорости выемки угольного пласта 15.
Если для передачи сигнала используется линия 3 связи в виде катанки, то в зонде 1 используется передатчик 7 (стучалка), который управляется контроллером 6 и заранее кодируется на совершение определенного количества стуков по катанке с определенной периодичностью, которые информируют о наличии или отсутствии опасной концентрации газа и/или повышенной температуре, свидетельствующей о самовозгорании в месте установки зонда 1. При этом в устройстве 2 приемник 9 сигнала (пьезодатчик) преобразует акустические волны в электрические сигналы и передает их на дешифратор 10, который, в свою очередь, преобразует электрические сигналы в цифровую форму и передает на устройство 11 оповещения.
Если для передачи сигнала используется линия 3 связи в виде кабеля, то контроллер 6 напрямую от датчиков 4 и 5 отправляет аналоговый электрический сигнал на дешифратор 10, который преобразует электрические сигналы в цифровую форму и передает их на устройство 11 оповещения.
По мере поступательного перемещения очистного забоя 17, установленные зонды 1 оказываются заваленными обрушающейся с кровли горной массой, при этом за счет ударопрочного корпуса они сохраняют целостность и работоспособность. Благодаря проводным линиям 3 связи, способным выдержать давление обрушенной горной массы, сигнал надежно отправляется от зондов 1 на приемное устройство 2, находясь под толщей завала горной массы.
Заваленные горной массой зонды 1 в недоступных местах горной выработки осуществляют измерение параметров газов (концентрацию) и/или температуры. Результаты измерений передаются на приемное устройство 2 и воспроизводятся на устройстве 11 оповещения. Рабочий персонал, находясь в свободном пространстве 14 в месте установки устройства 2, с помощью устройства 11 оповещения контролирует и осуществляет мониторинг ситуации в местах завала. При отсутствии опасной концентрации газов и/или повышенной температуры, зонды 1 отправляют соответствующий сигнал, информирующий персонал об этом. В случае наличия опасной концентрации газов и/или повышенной температуры, свидетельствующей о наличии самовозгорания в месте установки зонда 1, от зонда 1 поступает на устройство 2 соответствующий сигнал, по которому персонал судит об опасной аварийной ситуации. При этом устройство 11 оповещения отображает место расположения зонда 1, или сообщает о порядковом номере зонда 1, и персонал может определить точное место возникновения опасной ситуации и своевременно принять меры для недопущения причинения вреда и ущерба в случае возникновения аварийной ситуации. Причем в случае наличия опасной концентрации газов и/или повышенной температуры, соответствующий зонд 1 в этом месте может отправлять сигнал вне своего расписания, т.е. немедленно. При этом на устройстве 11 может воспроизводиться тревожный звуковой сигнал или световой сигнал, или их комбинация, информирующие персонал об аварийной ситуации и месте ее возникновения в горной выработке.
Осуществление предложенного способа служит для информирования персонала (рабочей бригады) о наличии или отсутствии опасной ситуации в горной выработке. Благодаря измерению и фиксации зондами 1 в недоступных (заваленных горной породой) местах параметров газа и/или температуры, и передачи измеренных значений на приемное устройство 2, расположенное в доступном свободном месте 14, осуществляется своевременное достоверное информирование инженерно-технических работников шахты о наличии опасных концентраций газов в выработанном пространстве и о наличии/отсутствии там очагов самовозгорания. Такое своевременное информирование позволяет объективно оценить опасность/безопасность ведения добычных работ и своевременно принять меры по предотвращению аварийных ситуаций. В результате осуществления предложенного способа обеспечивается возможность осуществлять мониторинг всего выработанного пространства в любом месте и в любой конкретной точке (где установлен соответствующий зонд 1). Рабочий персонал получает полную первичную информацию о концентрации опасных газов и/или информацию о наличии очагов самовозгорания в одной контрольной точке или в нескольких контрольных точках выработанного пространства 16 заранее определенных для измерения (точки заложения зондов 1). Осуществление предложенного способа позволяет избежать жертв, а также любого ущерба в случае возникновения опасных аварийных ситуаций в шахтах.