Автоматическая система предотвращения взрыва метана при внезапном выбросе угля и газа

кровли привело к снижению вытеснения газа метана с прилегающего к выработке массива, уменьшению абсолютного газовыделения до

1,5 м3/мин. Если абсолютная газообильность забоя на первых 160 м проходки с металлической арочной крепью составляла 5,13-6,35 м3/мин., то после перехода на анкерное крепление абсолютная газообильность составила 3,85-4,95 м3/мин., при ведении работ на одной и той же отметке. Для сравнения абсолютная газообильность ранее проводимых уклонов при креплении рамной крепью составляла 6,52-7,38 м3/мин.

Изменение технологии крепления выработки с использованием анкерной крепи позволило отказаться от ранее применяемой бортовой дегазации. Кроме того, на протяжении 600 м проходки не было выявлено ни одного значения показателя выбросоопасности пласта, не-

смотря на ведение работ по проходке в зоне ПГД от ранее отработанных пластов К13-К14.

Отсутствие опасных значений показателя выбросоопасности объясняется снижением опорного давления у груди забоя и снижением газоотдачи пласта.

Применяемый вид крепи конвейерного штрека 42К10-з позволил увеличить темпы проходки до 140-160 м в месяц, увеличить длину тупиков до 400 м.

Проходка конвейерного штрека 42К10-з с применением анкерной крепи привела к снижению абсолютного газовыделения в выработку, исключению проявлений опасных значений степени выбросоопасности пласта, значительному снижению объемов буровых работ, снижению трудоемкости и затрат на проходку выработок.

__ Коротко об авторах

Баймухаметов С.К - профессор, доктор технических наук, технический директор Угольного департамента ОАО «Испат Кармет», г. Караганда.

Оленченко П.П. - главный инженер шахты имени Кузембаева.

------------------------------------ © В.А. Камынин, Ю.Н. Камынин,

2004

УДК 622.411.33:533.17

В.А. Камынин, Ю.Н. Камынин

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВА МЕТАНА ПРИ ВНЕЗАПНОМ ВЫБРОСЕ УГЛЯ И ГАЗА

Семинар № 5

ш Ш ри внезапном выбросе угля и газа Л-Ш. следует считаться с тем, что электрооборудование и кабели могут внезапно подвергаться воздействию мощной ударной волны и выброшенной горной массы, а также тем, что при выбросе одновременно с горной массой выбрасывается большое количество метана [1].

В зоне выброса образуется взрывчатая концентрация метана и если электрооборудование или кабели будут повреждены, и происходит дуга или искра, возникает опасность взрыва метано-воз-душной смеси. Опасность усугубляется тем, что взрыв метано-воздушной смеси может спровоцировать взрыв находящийся во взве-

1. Начальная объемная доля метана перед выбросом, % 0 0,5 1,0 2,0

2. Время нарастания концентрации метана от начального до нижнего предела взрываемости (12) после внезапного выброса, с 2,84 2,36 2,0 1,14

шенном состоянии угольной пыли. На одной из шахт Донбасса откаточный штрек, лава и примыкавшие к штреку выработки были заполнены метаном с концентрацией до 70 % [1].

Время нарастания концентрации метана [3] от начального до нижнего предела взрываемо-сти (12) после внезапного выброса, сек. приведены в табл. 1.

Известно так же, что после внезапного выброса средней интенсивности нижний предел воспламенения метана 5,49 % на расстоянии 7 м от забоя появляется 5,75 с [1]. Инерционность 1;и серийно применяемой газовой защиты на термокаталитическом принципе составляет (АМТ-3, Метан, Метан АТВ - до 60 сек), (АТ3-

1, АТ-1-1, ТМС01, АМ1, Ам3 - до 15 сек), ТМРК3.1М - 20 с.

Из этого следует, что даже если датчик аппаратуры газовой защиты находится в зоне внезапного выброса, можно пренебречь транспортным запаздыванием на вход датчика взрывной концентрации, то нижний предел взрываемости Нн будет зафиксирован датчиком только через время

1н = - 12

В зависимости от типа применяемой газовой защиты запаздывание времени 1;и фиксации нижнего предела взрываемости концентрации и следовательно отключение электроэнергии с учетом таблицы 2 (12 = 2) составляет в пределах 1* = 13-58 с.

Это значит, поток взрывной концентрации метано-воздушной смеси пройдет без контроля расстояние по выработке равное Ь = Уу&с(1ь - 12) = 4-(13-58) = 52-232 V (2) иде Ь - длина забоя, по которой распространяется взрывная концентрация равная длине аварийно загазованного неконтролируемого потока воздуха с учетом быстродействия (1;и) датчика; Умакс - максимальная скорость воздуха для призабойного пространства очистных и тупиковых выработок - составляет 4 м/с (§205 ПБ); 1:и - инерционность (быстродействие), время срабатывания или задержки сигнала датчика после появления на его входе контролируемой концентрации метановоздушной смеси и выдачи с его выхода сигнала об этой концентрации.

Поток взрывной концентрации Н с длиной Ь будет двигаться по выработке до встречи с в какой-то точке пространства Ь с источником Т температуры воспламенения взрывной концентрации Н метано-воздуш-ной смеси. В момент встречи произойдет взрыв.

Логическая функция начала появления первоначального пламени

7 = Н П Т П 13

где О - знак логической конъюнкции; Н, Т, 13 - логические переменные; Н - наличия (в данной точке автоматического контроля) концентрированного предела распространения пламени НКПР (нижний предел взрываемости НПВ), (концентрационные пределы воспламенения) %; Т - наличия в данной точке температуры воспламенения взрывной концентрации метана или смеси; 13 - индукционный период (промежуток времени с момента контакта метана с источником тепла до его воспламенения).

Взрыв метана по выражению 3 произойдет только при совпадении координат Ни Тв выработке.

При значительной скорости нарастания концентрации метана Н = £(1) от начального до нижнего предела взрываемости, а так же фактической скорости распространения потока с НПВ, например при внезапном выбросе, при разработке автоматических систем контроля содержания метана и защиты людей существенными параметрами контроля являются:

- быстродействие или время срабатывания датчика после появления на его входе взрывоопасной концентрации газовой среды;

- длина допустимого опасного загазованного участка с ПНВ от первоначальной точки ее появления до фиксации и отключения источника поджигания;

- быстродействие автомата, отключающего электроэнергию участка.

Для защиты людей, оборудования и выработок при внезапном выбросе угля и газа разработана система АСУПВМ - предупреждения взрыва метана. В основе метода фиксации взрывной концентрации метана положены уравнения 3.

Основными задачами при разработке были:

- существенное повышение быстродействия - в десятки раз по сравнению с известной аппаратурой газовой защиты;

- уменьшение транспортного запаздывания (в десятки раз) при поступлении метана на вход датчика от места появления взрывной концентрации.

Датчики ДНПВ системы устанавливаются в точках контроля по длине выработки. Метан выработки поступает в камеру сжигания датчика и при наличии концентрации от 5,1 до

13,5 % СН4 и температуры Тч воспламенения, вырабатываемой в датчике, происходит взрыв метана. Взрыв в камере фиксируется по вспышке метана, или давлению, или температуры в камеру. Функционирования датчика происходит по выражению 4 (аналогично уравнению 3).

Ъч = Нч Л Тч Л тч

где Ъч - выходной сигнал с датчика о наличии взрывной концентрации метана в выработке; Нч - нижний предел взрываемости метановоздушной смеси (НПВ) пришедший из выработки через взрывонепроницаемые оболочки из металлических сеток в камеру сгорания датчика; Тч - постоянная по величине температура воспламенителя датчика в виде искрового разряда между электродами, установленными в камере сгорания датчика; - индукционный

период (промежуток времени с момента контакта метана величиной Нч с температурой Тч воспламенителя до его воспламенения.

Для повышения быстродействия датчика величина Тч принята более 1200° с целью уменьшения задержки воспламенения (тч) в уравнении 4. Быстродействие разработанного датчика с момента появления метана величиной Нч в камере сгорания датчика до выдачи электрического сигнала в канале связи составляет 62 мс, что в сотни раз превышает быстродействие существующих средств газового контроля.

Итак, в уравнение 4 первоначального пламени взрыва метана в датчике и в выработке уравнение 3, при одинаковом значении Н = Нч взрывная концентрация метана в выработке и в камере датчика, величина Тч > Т, что способствует повышению быстродействия датври. контроле взрывной концентрации системой с данным датчиком исключено влияние

изменения физико-химических параметров среды: температуры, влажности, содержания различных газов, пыли, скорости воздуха.

Способ предотвращения взрыва метана в шахте заключается в том, что контролируют наличие взрывного газа путем установки стационарных приборов, фиксирующих недопустимую концентрацию газа по объему, производят фиксацию появления нижнего предела взрывчатости газовой смеси в нескольких точках контроля, для чего в каждой точке производят принудительное воспламенение атмосферы по уравнению 4 во взрывобезопасной камере сгорания, отличающийся тем, что после фиксации нижнего предела взрывчатости (НПВ) в первом загазованном участке отключают источник поджигания прежде, чем этот участок с НПВ не возрастет до опасной длины.

Длину Ьу загазованного участка с НПВ определяют из условия

Ьу = 11 + 1пс + 1Ю = 11 + ^'Ум + 14'УМ < Lg (5) где Ь - длина допустимого опасного загазованного участка с НПВ от точки появления НПВ до ее фиксации и отключения источника поджигания, м (в соответствии с ПБ Ь > 2 м); 11 - длина вдоль выработки газового участка с НПВ от места появления НПВ до входа газа в датчик, м; 1пс - длина газового участка с НПВ пропущенного датчиком в зависимости от его быстродействия 13 и максимальной скорости Ум распространения газовой смеси, м; 1оэ - увеличение длины газового участка с НПВ, которое определяется временем срабатывания 1 аппарата, отключающего электроснабжение и максимальной скоростью Ум распространения газовой смеси, м; Ум - максимальная скорость распространения газовой смеси с НПВ, м/с; 13 -время срабатывания (быстродействие) датчика после появления на его входе газовой смеси, с; 14 - время срабатывания аппарата, отключающего электроснабжение, после подачи к нему сигнала с датчика о взрывной концентрации, с.

По сигналу с датчика о появлении НПВ отключают электроэнергию участка и проводят в действие противоаварийную защиту.

При равновеликом удалении исходной координаты НПВ от смежных датчиков расстояние между ними равно г = 211, 11 = г/2, тогда уравнение 5 будет

і 10; т, пи т» т* Шп

т, Фн і (1,<.и, I | и | |'«І /„ Ш: | пъ^ | ! «*- г— »{ пи №5 т* т„

ш. н? т2 ! т, дР пи пь Шб пи

Рис. 1. Появление в поле контроля т]...тп взрывной концентрации метана (НПВ) и источника поджигания

(Т) (В): V Т - источник поджигания (воспламенения); шх, Ш2...тп - точки контроля нижнего предела взрывной концентрации, где устанавливаются датчики; г - расстояние между двумя смежными датчиками; Н - начальная

координата появления нижнего предела взрывной концентрации (НПВ) в контролируемом пространстве; Lg, Ьу, (І1, 1пс, 1оэ) - опасный загазованный участок и его элементы по выражению 1

Lg = г/2 + Ум-

Расстояние Ъ между смежными точками контроля газа с установленными в них датчиками при равновеликом удалении координаты НПВ между датчиками определяют из условия: г = 2[Ц - Ум-

Опасным загазованным участкам по терминологии ПБ (§238) будем считать участок длиною свыше 2 м. При появлении в этом участке с НПВ длиной 2 м источника поджигания, взрыва не произойдет, а смесь метана с воздухом от 0 до 5 % по объему может кратковременно, ввиду ограниченной длины участка, гореть вблизи источника высокой температуры. Известно, что температура воспламенения ме-

’ * тана 645-809 °С [1], индукцион-

г/2 I ..

„ ныи период, характеризующий

1—1 запаздывание воспламенения

взрывчатой смеси после контакта с источником поджигания может достигать несколько секунд (т в уравнении 3), в то время как электроснабжение будет автоматически отключено и вспышки не произойдет.

На рис. 1 представлен опасный загазованный участок Ьу < Ь и его элементы определяются выражением 5.

Опасная величина Ь взаимосвязана с:

- первоначальной координатой появления взрывной концентрации с НПВ (есть Н, нет

н);

- координатой источника поджигания

(воспламенения) (есть Т, нет Т) ближайшей к координате НПВ;

- скоростью V перемещения переднего фронта загазован-

Рис. 2. Граф состояний и переходов концентрации Н метана с воздухом и источником поджигания (Т): Н - наличие взрывной концентрации мета-но-воздушной смеси; Н - отсутствие взрывной концентрации метановоздушной смеси; Т - наличие источника поджигания (воспламенения) с температурой воспламенения метана; Т -отсутствие источника поджигания (воспламенения); Н Т, НТ, нт, нт -состояние логических переменных Н и Т в данной точке пространства и времени; 1э - индукционный период; 12 - минимальное время нарастания концентрации метана от начального до нижнего предела взрываемости после внезапного выброса

ного участка с НПВ к воспламенителю В.

Граф состояния величин НиТ представлен на рис. 2. Там же указаны состояния H, Т на которых происходит взрыв метановоздушной смеси (выражение 3), если величина Ly > Lg (выражение 6).

Состояния H Т, HT с точки зрения взрыва метана не представляют никакой опасности и в дальнейшем не рассматриваются. В состоянии нт электроэнергия отключится после прохождения переднего фронта НТВ точки Ш; с установленным датчиком с учетом быстродействия и датчика и автоматического выключателя. Данное состояние НТ не представляет опасности для взрыва в данный момент времени, но имеется опасность прохождения Н в другие смежные выработки. Возникает проблема вывода людей на свежую струю, разбавления метана до концентрации ниже взрывной. Состояние НТ является опасным для взрыва метана. Такое состояние может быть:

- НиТ находятся в интервале одних и тех же смежных датчиков ш;, Ш;+1 (рис. 1 А);

- НиТ находятся в смежных промежутках ш;, ш;+1 и Ш;+1, ш;+2 между датчиками (рис. 1В);

- НиТ находятся в разных не смежных промежутках между датчиками (рис. 1Г).

Вероятность появления ситуации А, Б, В (рис. 2) определяется при условии, что длина контролируемой выработки L, количество датчиков n, расстояние между датчиками г = L/n.

В соответствии с [2] вновь создаваемые машины для выемки угля в лавах, проведение подготовительных работ, нарезки разгрузочных пазов, щелей и бурения скважин по углю диаметром свыше 80 мм на пластах должны иметь средства дистанционного управления. Система дистанционного управления должна обеспечить управление с расстояния (м) 15, 30, 50 и более для проходческих и нарезных комбайнов, буровых установок,

струговых установок в опасным по выбросам зонам на угрожаемых пластах.

Для контроля появления

взрывной концентрации метана в этих опасных по выбросам зонах целесообразно устанавливать разработанную систему АСУПВМ.

При этом расстояние между дат-

чиками должно быть не более 3-4 м, из условия появления самого опасного состояния А.

В этом случае электроэнергия отключается раньше, чем произойдет взрыв метана, хотя по выработке проходит контролируемая воздушная струя с повышенным содержанием метана вплоть до взрывной концентрации.

Предприятиями ФГУП «Гипроуглеавтома-тизация» и ООО МП «Милак» разработана, а Быковским заводом ООО «Логика» изготовлены технические средства системы АСУПВМ.

Принцип действия АСУПВМ заключается в принудительном воспламенении рудничной атмосферы в точках контроля и фиксации фактического микровзрыва в камере сгорания датчика ДНПВ. Воспламенение контролируемой газовой смеси обнаруживается и фиксируется путем определения изменения проводимости нагретого газа в камере сгорания.

Техническая характеристика АСУПВМ

1. Составными частями АСУПВМ являются (рис. 3):

- аппарат контроля аварийной загазованности пространства - АЗП - 1 шт.;

- датчик контроля нижнего предела взрываемости атмосферы - ДНПВ - 10 шт.;

- барьер искробезопасной развязки и сопряжения с ЭВМ - БИРС - 1 шт.

2. АСУПВМ его составные части должны соответствовать параметрам, приведенным в табл. 2.

3. АСУПВМ обеспечивает выполнение следующих функций:

3.1. Непрерывный автоматический контроль взрывоопасной газовой среды в местах установки датчиков.

3.2. При достижении нижнего предела

взрываемости воздушно-метановой смеси

включает местный световой сигнал, отключает электроэнергию от потребителей, расположен-

OÛupiïi вщ t'HL'Ti'MU АСУПВМ - [|]л;.^|р-‘жд^н1ы в^ыЫ ыегша

* :

If If 4 . • : У |— или!

ДНПН ГДО31Н

№1 JlVIO

Рис. 3

№ п/п Параметр Ед. измерения Величина параметра

1 Количество контролируемых точек ед. 10

2 Длина магистральной сети от ДНПВ до АЗП м до 2000

3 Расстояние между соседними контролируемыми точками м 4-25

4 Напряжение питания сети переменного тока при частоте 50 Гц В 36, 127, 380, 660

5 Потребляемая мощность - аппарат АЗП - аппарат ДНПВ - барьер БИРС ВА ВА ВА не более 15 не более 2 не более 2

6 Напряжение дистанционного питания датчика В не более 80

7 Длина канала передачи информации от АЗП до БИРС м до 1000

ных в контролируемом пространстве, передает диспетчеру шахты по системе телемеханики (реализуемой аппаратами ДНПВ, БИРС и ЭВМ) сигнал об аварийной газовой ситуации на участке.

4. Датчик контроля нижнего предела взры-ваемости - ДНПВ выполняет следующие функции:

4.1. Воспламеняет, поступающую из загазованного пространства во взрывобезопасную камеру сгорания, газовую смесь с нижним пределом взрываемости.

4.2. Обнаруживает возникновение взрыва внутри камеры.

4.3. Выдает в магистральную кабельную линию сигнал о появлении нижнего предела взрываемости при непрерывной работе датчика или взрывной концентрации при периодическом подключении датчика.

4.4. Выдает в магистральную кабельную линию сигнал о координате (номере датчика) точки пространства, где появился нижний предел взрываемости атмосферы.

4.5. Осуществляет местную сигнализацию о взрывной концентрации в месте установки датчика.

5. Аппарат контроля аварийной загазованности пространства - АЗП выполняет следующие функции:

5.1. Питает искробезопасным напряжением датчики контроля нижнего предела взрываемости атмосферы через магистральную кабельную линию.

5.2. Принимает сигнал о появлении нижнего предела взрываемости атмосферы у данного датчика и формирует сигнал на отключение систем энергоснабжения объектов, находящихся в контролируемом пространстве.

5.3. Выдает диспетчеру сигнал об аварийной ситуации и о нормальной работе с целью формирования у диспетчера управляющего сигнала средствами предупреждения взрыва.

5.4. Выдает сигналы в местную световую и звуковую сигнализацию по участку шахты о наличии взрывной концентрации рудничного воздуха с целью прекращения всех работ и выводе людей с участка шахты.

5.5. Контролирует короткое замыкание и обрыв в магистральном канале датчиков.

6. Барьер искробезопасной развязки и сопряжения с ЭВМ - БИРС выполняет следующие функции:

6.1. Обеспечивает гальваническую развязку между выходными цепями ЭВМ расположенной на поверхности и подземной частью изделия.

6.2. Обеспечивает прием информации от АЗП и передачу ее на ЭВМ.

6.3. Совместно с ЭВМ, установленной на диспетчерском пункте шахты, устройства ДНПВ, АЗП, БИРС выполняют следующие функции.

1. Осуществлять непрерывный автоматический контроль состояния взрывоопасной газовой среды (взрывная среда или нет).

2. Зафиксировать в памяти ЭВМ первую координату в горной выработке, где рудничная атмосфера достигла взрывной концентрации, и выдать информацию о ней на дисплее горному диспетчеру.

3. Автоматически определять основные параметры загазованного объекта.

3.1. координаты ш; (хі,уі,гі) выработки и ее наименование в точках появления взрывной рудничной атмосферы;

3.2. длину Ь(м) аварийного загазованного участка с взрывной концентрацией, наимено-

вание выработок, по которым распространяется взрывная концентрация, их расположение на плане горных работ или схемы вентиляции;

3.3. Скорость V распространения газовой смеси с взрывной концентрацией по выработкам.

4. Автоматически прогнозировать расположение переднего фронта взрывной газовой смеси в выработке наперед заданное время (например, через 20 мин) и представить эту информацию на плане горных работ (схема вентиляции).

5. Координаты возможных воспламенителей Т (двигатели, пускатели, движущие части, кабельные коробки, кабели и др.), расположенных в выработке:

5.1. после первого датчика зафиксировавшего взрывную концентрацию до второго смежного, который не зафиксировал взрывную концентрацию;

5.2. по всей длине загазированной выработки;

5.3. после переднего фронта взрывной газовой смеси, до прогнозируемого переднего фронта через заданное время.

6. Автоматически определять и представлять на экране дисплея наименование и план горной выработки на момент появления в ней новой точки с взрывной концентрацией рудничного газа.

7. Автоматически выдавать диспетчеру номер плана ликвидации аварий (ПЛА) на случай вероятного (возможного) появления аварии (вспышка метана) на коротком участке.

1. Колосюк В.П., Ихно С.А. Взрывобезопасность горного оборудования, - М.: - Недра, 1994.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа. М., 1989, Министерство угольной промышленности СССР.

8. Автоматически подавать управляющие сигналы на системы отключения электроснабжения и машин, систему вывода людей из загазированной зоны на свежую струю, систему управления вентиляцией, систему оперативного разгазирования, систему автоматической ликвидации взрывов и пожаров в горных выработках, устранения аварий при взрывных работах.

Выводы

Разработанная система с большим быстродействием (<0,1 с) распознает по всему контролируемому пространству длиной Ь минимальную длину Ьу метано-воздушной смеси с нижним пределом взрываемости, производит аварийную сигнализацию и защитное отключение электроэнергии. Система автоматически представляет диспетчеру шахты следующие параметры загазирован-ного объекта: координаты, длину аварийного загазованного участка, наименование выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрываемости, скорость его распространения, номер позиции плана ликвидации аварий и др.

Система должна так же выдавать контрольную и управляющую информацию на систему отключения электроснабжения и машины, систему вывода людей из загазированной зоны на свежую струю, систему управления вентиляцией, систему оперативного разгазирования, систему автоматической локализации взрывов и пожаров в горных выработках, подсистему устранения аварий при взрывных работах.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Патент на изобретение №2124745 «Способ контроля аварийной загазованности пространства и устройство для его осуществления» Камынин Ю.Н., Осипов

Э.Р., Петров А.И., Камынин В.А., 10 января 1999.

___ Коротко об авторах ___________________________________________________________________________

Камынин В.А. - аспирант, Московский государственный горный университет.

Камынин Ю.Н - профессор, доктор технических наук,

ФГУП Гипроуглеавтоматизация

— © Ю.Ф. Васючков, 2004

УДК 622.411.33:533.17 Ю. Ф. Васючков