Концепция построения информационных систем аэрологической безопасности для шахт РФ

© С.З. Шкундин, В.В. Стучилин, А.Ю. Грачев, 2012

УДК 622.27:601.5

С.З. Шкундин, В. В. Стучилин, А.Ю. Грачев

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ АЭРОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ШАХТ РФ

Представлена концепция построения информационно-измерительных систем обеспечения безопасности угольных шахт. Даны рекомендации по совершенствованию систем АГК угольных шахт. Приводится обзор наиболее передовых методов и средств контроля концентрации метана, скоростей и расходов газовоздушных потоков.

Ключевые слова: АГК, угольная шахта, информационно-измерительная система, обеспечение безопасности, контроль концентрации метана, акустический анемометр, системы жизнеобеспечения подземного персонала, АСУТП.

Введение

1ТЛ основным выявленным причинам роста числа взрывов и -»V опасных ситуаций в российской угольной промышленности относится неэффективное функционирование или отсутствие информационно-измерительных систем обеспечения безопасности. Такие системы должны быть построены таким образом, чтобы обеспечить систематизированное и комплексное решение многих проблем промышленной безопасности российской угольной отрасли, а именно, безопасности подземных угледобывающих предприятий. Количество людей, погибших при авариях за последние годы, подчеркивает необходимость реализации реальной программы, соответствующей международной практике и предусматривающей введение мер, направленных на предотвращение опасности и сокращение аварий в угледобыче. Решить эту проблема призвана подпрограмма «Современные средства индивидуальной защиты и системы жизнеобеспечения подземного персонала угольных шахт» федеральной целевой программы «Национальная технологическая база на 2012-2016 годы».

В качестве главных целей подпрограммы заявлены: • Разработка и внедрение на предприятиях угольной промышленности конкурентоспособных высокотехнологичных систем и средств, обеспечивающих оперативное и достоверное предупре-

ждение об угрозах возникновения аварийных ситуаций, создание условий для безопасной работы и последующего восстановления трудоспособности подземного персонала угольных шахт;

• Создание потенциала инновационного развития и обеспечение конкурентоспособности российской промышлен-ности в процессе перехода к автоматизированным технологиям безлюдной выемки полезных ископаемых.

Достижение этих целей невозможно без разработки новой концепции построения шахтных информационно-измеритель-ных систем в целом и систем аэрогазового контроля в частности.

Программно-целевой подход к построению системы безопасности подразумевает:

а) устранение опасности в тех случаях, когда это возможно;

б) раннее обнаружение и смягчение опасных факторов в целях предотвращения их развития и последующего наступления;

в) увеличение шансов шахтеров на выживание в случае катастроф;

г) расширение возможностей осуществления эффективных аварийно-восстановительных работ в целях спасения людей и имущества в случае катастроф.

Устранение «человеческого фактора», как такового, при добыче полезных ископаемых способствует повышению промышленной безопасности.

Важным пунктом концепции построения шахтных информационных систем является универсальность и технологичность. Под единой инфраструктурой связи могут работать механизмы, сенсоры и устройства разных производителей, что способствует эффективности развития системы в будущем.

Автоматический контроль состояния людей и механизмов, а так же аэрогазовой обстановки в шахте позволяет информировать надзорные органы и части ВГС, независимо от желания руководителей конкретных добывающих предприятий, о возникновении угрозы аварии.

Своевременная информация позволяет корректировать, изменять или исправлять существующие или ожидаемые неблагоприятные условия. Хотя регулярная инспекция условий и корректирующих мероприятий для чрезвычайных ситуаций и прописана в существующих законодательных и нормативных актах, очевидно, что

существующая в России система мониторинга и контроля является неудовлетворительной из-за неадекватности оборудования.

Приоритеты. В рамках концепции построения АГК шахты основное внимание должно уделяться следующим вопросам:

а) внедрение непрерывного мониторинга вентиляционного режима, концентраций газа и пыли, предвестников пожара и внезапных выбросов;

б) непрерывный контроль местоположения каждого человека в шахте, независимый контроль жизненных параметров (пульс, давление, частота дыхания и пр.), независимый контроль аэрогазовой атмосферы шахты при помощи мобильных сенсоров в непосредственной близости от человека, обеспечение возможности двусторонней связи с каждым шахтером и его оповещения.

в) обеспечение, по возможности, заблаговременного обнаружения признаков опасных ситуаций;

г) непрерывный контроль и управление работой механизмов.

При проектировании системы следует учитывать следующие

важные соображения: (а) отбор контролируемых параметров; (б) выбор сенсоров; (в) места расположения сенсоров; (г) определение структуры системы передачи данных. Эффективная работа системы автоматического контроля требует, чтобы причинно-следственные отношения были предсказуемыми и известными, что не всегда возможно в различных ситуациях. Кроме того, стоимость системы возрастает при осуществлении мониторинга по большему числу показателей и при использовании большего числа сенсоров в одной и той же точке.

Вентиляция является одним из наиболее важных факторов соблюдения правил охраны здоровья и техники безопасности при шахтной добыче. Низкий уровень вентиляции может привести к чрезвычайным ситуациям таким, как разрушительные взрывы и удушение или медленно проявляющиеся последствия в виде пнев-мокониоза. Российские шахты - старые, имеют большую площадь, глубокие, многоуровневые, разветвленные, сильно загазованные, что сказывается на сложности вентиляционных систем. Во многих шахтах срок службы вентиляторов и валов истек, их мощность (объемы подаваемого воздуха и усилие нагнетания) превосходит запроектированный уровень. Многие шахтные вентиляционные системы постоянно работают в режиме краткосрочной или временной работы. Таким образом, временные схемы стали постоянными си-

стемами со всеми ограничениями, свойственными временным устройствам, которые так и не были устранены. Такие условия привели к меньшим потокам воздуха, нагнетаемого в выработки, повышенной концентрации газа и пыли, что представляет серьезную угрозу здоровью и безопасности шахтеров.

Интегрированная информационная система безопасности и управления позволит получать информацию в общих для всех пользователей форматах, и таким образом, данные, выработанные одним организационным подразделением, могут быть использованы другими подразделениями такими, как шахты, предприятия, инспекции, государственные органы и научно-исследовательские организации. Эта система позволит управлениям шахт адаптировать данные и интегрировать их по мере необходимости в соответствии с производственными нуждами мастеров забоя, среднего звена управленческого аппарата, инженеров по технике безопасности, руководства шахты и директоров. Она также обеспечит эффективную систему коммуникаций с целью стимулирования осознания необходимости техники безопасности в отрасли при помощи современных средств таких, как Интернет. Кроме того, она дает возможность получения данных в реальном времени из забоев посредством систем мониторинга всей шахты или из других источников на предприятии или даже из других отраслей промышленности или стран. Для этих целей информационная система, разработанная исходя из вышеуказанных принципов, может быть предоставлена в Минпроме России, Госхнадзоре и т.д.

Структура ИИСБ, каналы передачи информации

Одним из главных вопросов при создании ИИСБ, является вопрос выбора контроллера - нервного центра системы. Из-за особенностей измерительных приборов (датчиков), которые выдают информацию в виде либо аналоговых сигналов (токи, напряжения, изменение сопротивления), либо по собственному цифровому протоколу, необходимо преобразование этих сигналов в цифровое представление и выработка на основе преобразованных данных управляющих действий, что и делает контроллер.

Сейчас построение систем АГК шахты (как и других шахтных информационных систем) возможно по двум схемам:

- централизованная схема;

- распределенная схема.

При централизованной схеме один мощный контроллер стоит на поверхности, обрабатывает информацию от всех датчиков и управляет всеми устройствами.

Достоинством такой схемы является простота настройки и обслуживания контроллера, снижение требований к контроллеру в плане защищенности (не нужны разрешения для подземного использования). Недостатки такой схемы также очевидны:

- большое количество линий связи (проводов);

- ограниченное расстояние до датчиков (малый радиус охвата);

- ограниченное количество точек контроля (есть предел добавления датчиков).

Возможно, такая схема подойдет для маленькой шахты на начальном этапе. Но большинство шахт имеют большую протяженность выработок, и централизованная схема им не подходит. Поэтому, при разработке новой системы автоматизации уровня шахты предпочтительнее использовать распределенную схему.

При распределенной схеме размещения, несколько контроллеров располагаются непосредственно в лаве или других выработках шахты и соединены специальной сетью для передачи цифровых данных. Топология такой сети может быть различной - звезда, кольцо, шина и т.п., это зависит от типа контроллера.

На данный момент выбор контроллера полностью определяет всю систему. От типа контроллера зависит тип используемых в системе датчиков и исполнительных механизмов. От типа контроллера зависит линии связи и топология сети. От типа контроллера зависит тип SCADA-системы или программного обеспечения верхнего уровня. Поэтому, выбирая контроллер, мы полностью определяем стратегию развития информационной системы.

На данный момент лидирующие позиции в области разработки оборудования для шахтных информационных систем (в том числе и шахтных контроллеров) занимают несколько компаний. Особое внимание можно уделить разработкам НПФ «Гранч», в разработках которой широко применяется беспроводные технологии передачи данных.

В качестве шахтных контроллеров НПФ «Гранч» предлагает использовать контроллеры Granch SBTC2.

Контроллер выпускается в трех модификациях, отличающихся конструктивным исполнением, обеспечивающим разные степени взрывозащиты.

Для обеспечения искробезопасности линий используются ис-крозащитные барьеры, которые устанавливается в отсек вводов универсального измерительного контроллера Granch SBTC2.

Систему связи в шахтах предлагается организовать на основе беспроводных технологий (Wi-Fi IEEE 802.11), что обеспечит наилучшую масштабируемость, универсальность, избавит от загромождения туннелей шахт дополнительными проводами.

В качестве основного элемента системы связи предлагается использовать базовые станции. Они устанавливаются вдоль выработок и обеспечивают полное покрытие беспроводной связью всех подземных выработок шахты.

Базовые станции связаны между собой как по проводам, так и по технологии Mesh Net. Такая сеть способна учитывать непрерывные подключения и изменения конфигурации сети при возникновении проблем (неисправный узел или блокированный путь), выбирая оптимальный путь.

Инфраструктуру связи, базовые станции можно использовать для монтажа стационарных сенсоров, поскольку базовые станции являются коммутирующими и передающими элементами сети. Наличие в шахте гарантированных мест размещения стационарных датчиков увеличивает живучесть и безопасность системы в целом.

Клиентская часть системы связи может быть оборудована как стандартными устройствами связи в стандарте WiFi, так и специализированными устройствами оповещения, такими как индивидуальный шахтовый светильник, оборудованный голосовым процессором, датчиком метана и сетевым модулем WiFi, обеспечивающим постоянную связь с инфраструктурой.

Для определения положения используется технология RTLS -определение координат в реальном времени.

Электропитание базовых станций осуществляется искробез-опасным напряжением от контроллеров кластера. Базовые станции также оснащены резервными аккумуляторами, обеспечивающими автономную работу не менее 24 часов. Исполнение базовых станций РО. Удаление базовых станций от контроллера кластера до 2000 м.

Контроль концентрации метана в выработках угольных шахт

При измерении концентрации метана на угольных шахтах и предприятиях с взрывоопасной атмосферой в настоящее время применяются, в основном, датчики с термокаталитическими, тер-мокондуктометрическими и электрохимическими сенсорами. Это тепловые инерционные датчики, требующие частой поверки. Электрические элементы и устройства питания, являющиеся неотъемлемой частью этих датчиков, требуют применения средств взрыво-защиты. Все это снижает надежность работы и увеличивает эксплуатационные затраты. Кроме этого, точность измерения этих датчиков обычно не выше 0,2%об. и, в значительной степени, зависит от содержания в атмосфере кислорода.

В соответствии с Правилами безопасности в угольных шахтах службы ВТБ кроме контроля концентрации метана должны также производить измерение углекислого газа, а на шахтах, разрабатывающих пласты угля, склонного к самовозгоранию- окись углерода.

При авариях на шахте работники МЧС должны определять на шахте содержание кислорода, водорода, окиси углерода, тяжелых углеводородов и других газов. При этом используется громоздкая аппаратура и устаревшие методики.

В последнее время в России и за рубежом все чаще применяются оптоэлектронные датчики газов, использующие принцип инфракрасной спектроскопии. Эти датчики лишены вышеуказанных недостатков и обладают рядом преимуществ:

1. Быстродействие инфракрасных газоанализаторов может достигать долей секунды, в отличие от термокаталитических и электрохимических, в основе которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом.

2. Для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества, выводящие из строя или нарушающие работу датчиков, в основе работы которых лежат химические реакции.

3. Высокая чувствительность и стабильность работы, а также долговечность оптических датчиков обеспечивают более высокое соотношение качество/цена по сравнению с термокаталитическими.

4. Инфракрасные газоанализаторы могут работать в бескислородной среде, и их работа не зависит от процентного содержания кислорода в воздушной атмосфере.

5. Инфракрасные газоанализаторы могут измерять концентрации газов в широком диапазоне (от долей процента до 100%) в отличие от термокаталитических.

6. Селективность (независимость показаний прибора от наличия других газов).

7. Широкий диапазон измеряемых концентраций.

8. Долговечность, длительность межповерочных интервалов не менее 1 года.

С учетом вышесказанного при создании новой системы АГК целесообразно использовать именно оптические газоанализаторы (прежде всего датчики метана). Для постоянного контроля содержания метана система должна включать в свой состав стационарные датчики метана, прототипом которых может служить газоанализатор стационарный оптический ГСО-1 (ООО «Сигма»).

Для оперативного контроля газового состава система должна включать в свой состав портативные переносные газоанализаторы с возможность передачи данных в систему по беспроводному интерфейсу. Прототипом такого пробора может служить портативный газоанализатор МСП-Сигма.

Контроль скоростей и расходов газовоздушных потоков в выработках

Скорость газовоздушного потока в выработках шахты является одним из трех параметров, изменение которого необходимо контролировать согласно Правилам безопасности наряду с концентрацией пыли и метана, поскольку она определяет вероятность скопления вредных примесей на рабочих местах горняков, кондиционирование воздуха. Недостаточное проветривание может привести в т.ч. к кислородному голоданию горнорабочих, а резкое увеличение скорости газовоздушного потока способно поднимать осевшую угольную пыль, тем самым увеличивая вероятность возникновения взрывоопасной ситуации.

Для обеспечения проветривания, соответствующего Правилам безопасности, необходимо использование анемометров, способных точно измерять скорость потока в диапазоне от 0,1 до 20 м/с.

Основными приборами анемометрического контроля в угольных шахтах остаются тахометрические анемометры.

Эти приборы не удовлетворяют требованиям точности, надежности и удобства эксплуатации. С одной стороны, крыльчатка

должна быть как можно легче, чтобы порог трогания и чувствительность ее были удовлетворительными, с другой стороны, она должна быть как можно более жесткой, чтобы ее не деформировал турбулентный поток. Анемометры обладают рядом недостатков, происходящих из антагонистических требований к их конструкции.

С одной стороны, ось крыльчатки должна быть как можно меньшего диаметра, с другой стороны, тонкая ось быстрее изнашивается, накапливает погрешность, подвержена влиянию пыли.

Отклонение положения оси крыльчатки от оси потока приводит к дополнительной погрешности как и появление на входе турбулентных вихрей.

Погрешность измерений увеличивает также наличие в контролируемом потоке шахтной пыли, обладающей магнитными свойствами. Существуют приборы для измерения скорости потока, основанные на других принципах, но основной их проблемой является низкая чувствительность в нижнем пределе измерения скоростей.

На кафедре Электротехники и информационных систем МГГУ была предложена новая акустическая технология измерений скоростей газовоздушных потоков для создания портативных переносных и стационарных (для информационных систем обеспечения безопасности) анемометрических устройств.

Преимущества предложенной технологии измерений:

1. Анемометрический канал представляет собой цилиндр с абсолютно свободным поперечным сечением.

2. Процесс измерения никак не искажает структуру измеряемого потока и не влияет на него.

3. Акустический анемометр не содержит подвижных частей.

4. Низкое аэродинамическое сопротивление анемометрического канала относительно его длинны и поперечного сечения.

5. Широкий динамический диапазон измерений, - до 200.

6. Возможность измерения малых скоростей - от 0,05 м/сек и соответствующих расходов.

7. Безинерционность измерений (300 измерений в секунду).

Использование акустических анемометров в системах АГК

шахты позволяет осуществлять контроль над проветриванием во всех выработках в режиме реального времени. Стационарные акустические анемометры имеют интерфейс RS485, с помощью кото-

рого они могут быть легко интегрированы в любую действующую систему обеспечения безопасности угольной шахты.

Общая картина о проветривании в шахте может быть дополнена результатами измерения скорости газовоздушных потоков в тех местах, где отсутствуют установленные стационарные анемометры, полученными с помощью портативных акустических анемометров (эпизодический контроль). Портативные акустические анемометры снабжены беспроводным интерфейсом и способны передавать данные о производимых ими измерениях напрямую в систему обеспечения безопасности.

Использование стационарных и портативных акустических анемометров в системах АГК является наиболее предпочтительным по сравнению с их аналогами, поскольку ни один другой из ныне существующих анемометров не обладает всеми достоинствами акустического.

В горных выработках, штреках, стволах, вентиляционных каналах эпюра аэродинамического распределения скоростей в сечении имеет неправильную форму. Вид ее может изменяться во времени при изменении средней скорости потока, состава среды и ее температуры. Поэтому измерение расхода в названных воздуховодах при помощи точечных анемометров или расходомеров с приемлемой точностью представляет собой весьма сложную задачу.

На данный момент все анемометры в угольной промышленности являются анемометрами точечного типа, то есть измеряют скорость воздуха в месте своей локализации.

Рис. 1. Схема работы интегрального акустического анемометра

В то же время для определения расхода воздуха в выработке необходимо знать среднюю по сечению выработки скорость (и, конечно, величину этого сечения). При ручном измерении скорости необходимо обвести анемометром поперечное сечение выработки и после этого рассчитать среднюю в сечении скорость.

При автоматизированном контроле, без присутствия человека, среднюю по сечению выработок скорость существующими сегодня приборами измерить точно невозможно.

В Московском государственном горном университете разработаны метод и приборы для интегрального измерения расхода в горных выработках.

Сущность метода состоит в том, что при распространении звука под углом примерно в 45° к направлению потока воздуха часть вектора скорости воздушного потока, действующая в направлении распространения звука, приводит к увеличению его фазовой скорости. Наоборот, при распространении звука под углом в 45° против направления потока воздуха часть вектора скорости воздушного потока, действующая против направления распространения звука, приводит к уменьшению его фазовой скорости (см. рис. 1).

Основным достоинством разработанных приборов является измерение интегрального расхода газовоздушного потока в автоматическом режиме. При этом сохраняются и все достоинства точечных акустических анемометров: низкая погрешность, отсутствие подвижных частей, большой динамический диапазон (более 300), возможность измерения низких скоростей (от 0.1 м/с), чувствительность к направлению газовоздушного потока.

Интегральный анемометр может передавать данные в систему как по аналоговому, так и по цифровому (RS485) интерфейсу.

Необходимо отметить, что на шахтах России практически отсутствуют собственные средства поверки анемометров. Удаленность метрологических центров от горнодобывающих предприятий приводит к тому, что на практике анемометры поверяются в лучшем случае раз в год, хотя фактически нуждаются едва ли не в ежемесячной поверке. В концепцию построения современно шахтной информационной системы желательно заложить методики и инструментарий для поверки датчиков системы АГК (прежде всего анемометров).

В качестве поверочного средства для стационарных и портативных анемометров можно рассмотреть аэрометрическую установку, разработанную МГГУ.

Аэрометрическая установка представляет собой замкнутую аэродинамическую трубу, рабочая зона которой представляет собой разрыв в системе воздуховодов. Такая конфигурация обеспечивает большую универсальность и позволяет осуществлять поверку новых типов анемометров (акустических), поверка которых в замкнутой камере затруднительна. Установка может работать в автоматическом, полуавтоматическом или ручном режиме (в зависимости от типа поверяемого прибора). Позволяет поверять различные типы анемометров, независимо от принципа их работы.

Заключение

Итак, предложенная концепция позволит построить систему АГК шахты (в составе единой информационно-измерительной системы обеспечения шахтной безопасности), характеризующуюся следующими отличиями:

1. Включение в систему всех, находящихся под землей людей, контроль их местоположения и состояния. Использование имеющихся у них измерительных средств как элементов системы с помощью беспроводных каналов передачи информации.

2. Основанные на новых физических принципах методы измерения состава, скоростей и расходов газовоздушных потоков существенно улучшающие качество и надежность измерений (оптические датчики состава атмосферы, акустические датчики скоростей расходов воздуха, интегрирующие аэродинамические эпюры скоростей).

3. Многосвязность и распределенность информационной структуры системы, повышающая ее живучесть.

4. Использование общепромышленных протоколов информационных сетей, адаптированных для угольных шахт, для организации единой информационной ифраструктуры связи.

5. Непрерывный контроль состояния и местонахождения горнодобывающей техники и механизмов под землей. Создание технологии дистанционного автоматического управления механизмами для безлюдного способа добычи полезных ископаемых.

6. Обеспечение двусторонней непрерывной связью подземного и наземного персонала шахт, сетью автоматической передачи данных от сенсоров и механизмов в шахте на диспетчерский пост на поверхности, а при возникновении возможных аварийных ситуаций автоматическое оповещение надзорных органов и частей ВГСЧ. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Шкундин Семен Захарович - профессор доктор технических наук, зав. кафедрой, Стучилин Владимир Валерьевич - доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru Грачев Александр Юрьевич - директор НПФ «Гранч».