CC BY
76
УДК 622.031.56: 622.817.47: 622.83.35
С.С. Кубрин
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ КАК ПЛАТФОРМА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТАДИЙ И ОПЕРАЦИЙ В ЕДИНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Рассмотрены подходы к построению интегральных многофункциональных систем управления технологическими процессами угледобывающих предприятий. Для решения вопросов повышения эффективности операционного управления горным производством необходимо управлять технологическими стадиями и операциями, разрозненными процессами (основным и вспомогательными) как одним непрерывным процессом. Предложено использовать для этой цели существующие на современных угольных шахтах АСУ ТП. Определены требования к интегральной многофункциональной системе управления основным производством, обеспечивающей комплексирование технологических стадий и операций в единую геотехнологию высокоинтенсивной отработки запасов угля комплексными механизированными забоями. Ключевые слова: комплексирование, технологические стадии, автоматизированные системы управления, технологический процесс, уголь, метан, дегазация, контроль, информационные системы, мониторинг, управление.
Россия является одним из мировых лидеров по производству угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ресурсов угля (173 млрд т) и пятая часть разведанных его запасов. Запасы энергетических углей составляют около 80%. Промышленные запасы действующих предприятий составляют почти 19 млрд т, в том числе коксующихся углей — около 4 млрд т. Добыча угля за 2015 г. составила 358,2 млн т угля (рис. 1) из низ 155 млн т угля поставлено на экспорт (рис. 2) [3]. При этом основной рост добычи угля в Российской Федерации пришелся на второе полугодие 2015 г. (рис. 1).
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 96-107. © 2016. С.С. Кубрин.
Рис. 1
Основным направлением повышения эффективности освоения недр является обеспечение непрерывности технологического процесса — добычи угля не зависимо от изменений горногеологических условий. Такой подход возможен на основе комбинированных технологических схем, сочетающих различные технологические процессы и технологические стадии освоения месторождений, которые совместно обеспечивают экономически выгодные и экологически безопасные условия разработки месторождений твердых полезных ископаемых при изменении условий, осложняющих выемку полезного ископаемого в сложных горно-геологических условий на больших глубинах. При этом необходимо обеспечить безопасность ведения горных работ. Реализация такого подхода возможна на базе автоматизации и информатизации угольных предприятий, позволяющих реализовать концепцию настраиваемых и адаптируемых к изменяющимся условиям геотехнологий [1, 2]. Комплексирование на основе автоматизации — это объединение разнообразных добычных и вспомогательных технологических процессов в единую информационно-управляемую технологическую цепочку последовательно и параллельно выполняемых технологических
Рис. 2
операций, работ, представляющих собой некоторые технологические стадии процесса извлечения твердых полезных ископаемых. Полное использование геоинформационных ресурсов, данных систем мониторинга природной и техногенной среды (массив горных пород, рудничная атмосфера, состояние выработок, гидросфера), аналитических систем [4] позволит повысить эффективность добывающего комплекса, снизить экономические издержки, улучшит управляемость горного производства. Реализация такого подхода представляет собой развитие комбинированных геотехнологий [2]. Вопросы формирования высокоинтенсивных технологий техногенного преобразования недр на основе автоматизации и информатизации обусловливаются следующим:
• необходимостью объединения в единую технологию нескольких технологий, ранее применявшихся без детерминированной взаимосвязи, для достижения установленных показателей ее применения;
• преобразованием объединяемых технологий в технологические стадии;
• выполнением технологических стадий в параллельном режиме;
• необходимостью использования отдельных технологий в составе единой технологии в режиме «последовательная программа, параллельная подсистема».
В связи с вышеизложенным особую значимость приобретает совершенствование существующих, создание новых геотехнологических процессов, способных обеспечить безопасность ведения горных работ, высокую интенсивность и экономическую эффективность в особо сложных условиях разработки месторождений и вопросы включения их в единую комбинированную геотехнологию, расширение списка задач, решаемых в рамках геинформационного обеспечения работы горнодобывающего комплекса, необходимость проведения синтеза разнородных наблюдаемых данных с помощью различных систем мониторинга техногенной среды и технологических процессов на геоинформационной платформе. Поставленная задача решается на основе комплексной модернизации технологического оборудования шахт, направленной на повышение производительности труда путем автоматизации технологических процессов, повышения комплексности освоения месторождений, за счет повышения интенсивности разработки, применения новых методов управления геомеханическими процессами, реа-
лизуемых в едином детерминированном комплексе «сквозной, поточной», единой геотехнологии.
Интенсификация очистных и проходческих работ на угольных шахтах, переход горных работ на большие глубины, осложнение геологических и горнотехнических условий их проведения, рост динамических проявлений различной физической природы, в том числе, в катастрофической форме, потребовала проведения организационных мероприятий по снижения уровня рисков аварий и аварийных происшествий до приемлемого уровня. Одним из основным механизмом повышения уровня промышленной безопасности стали многофункциональные системы безопасности (МФСБ) горного предприятия. Первоначальные требования к МФСБ были опубликованы в приказе 1158 от 20.12.2012 Росстехнадзора «О внесении изменений в Правила безопасности в угольных шахтах, утвержденные Постановлением Госгортехнадзора России от 5 июня 2003 г. № 50» (Зарегистрировано в Минюсте РФ 15.03.2011 № 20113). Дополнительные разрозненные требования опубликованы в ПБ 05-618-03. МФСБ строятся на базе существующих систем контроля и мониторинга внешней среды и горного оборудования и предназначены для обеспечения эффективного управления предприятием при заданном уровне безопасности (допустимого уровня риска) на подземных угледобывающих предприятиях (таблица), для выполнения мероприятий и действий по:
• противодействию возникновения условий для реализации аварии;
• выявлению и прогнозированию тенденций и признаков опасных ситуаций, состояний и явлений;
• контролю соответствия технологических процессов заданным параметрам в нормальном режиме;
• контролю шахтной атмосферы и горного массива по видам опасностей аэрологического и техногенного характера;
• предоставлению информации в нормальных (штатных), предаварийных и аварийных режимах лицам, принимающим решения технологического и производственного характера;
• постоянной готовности средств и систем противоаварий-ного управления и защиты, защиты от вредного воздействия аварии, спасения;
• предотвращению / предупреждению реализации аварии;
• противоаварийному управлению и защите;
• уменьшению ущерба от аварии / снижению негативного воздействия;
Цель МФСБ Обеспечение допустимого уровня риска
уменьшение вероятности причинения ущерба уменьшение тяжести ущерба
Режим работы предприятия/участка нормальный / штатный предаварийный аварийный
Уровни защиты предприятия/участка противодействие возникновению условий для реализации аварии предотвращение / предупреждение реализации аварии уменьшение ущерба от аварии/ снижение негативного воздействия
Цель обработки информации прогнозирование опасностей контроль соответствия проектным решениям контроль соответствия нормативным документам прогнозирование развития аварии
Способ воздействия на объект управления оперативное управление противоаварийное управление и защита защита от воздействия аварии спасение
Объект управления предприятие, производственные процессы, технологические процессы, персонал технологические процессы, персонал предприятие, производственные процессы, технологические процессы, персонал персонал
Тип управления организационное, автоматическое, автоматизированное и ручное управление автоматические противоаварийные управление и защита организационное, автоматическое, автоматизированное и ручное управление, автоматические противоаварийные управление и защита
Сигнализация (шкала опасности) нормальная предупредительная предаварийная аварийная
• применению систем защиты людей, оборудования и сооружений при аварии;
• безопасности ведения аварийно-спасательных работ.
На сегодняшний день автоматизированные системы контроля и управления технологическими процессами на угольной шахте представлены в разобщенном виде. Каждый технологический процесс имеет собственную систему управления, не связанную с системой управления другим технологическим процессом. Такой подход правомерен при управлении основного производственного процесса различными службами горного предприятия. При этом предполагается, что все службы обеспечены требуемыми ресурсами (материальными, энергетическими, техническими, технологическими, информационными и людскими) и они работают совместно и эффективно. В случае сбоя работы какой-либо службы горного предприятия вся информации представляется горному диспетчеру. Горный диспетчер пытается оперативно организовать мероприятия по ликвидации сбоя работы службы и восстановлению выполнения производственного процесса в оперативном режиме. Время простоя зависит от опыта горного диспетчера, его знаний и навыков. Такой подход к организации управления производством можно определить, как управление по запланированным параметрам вплоть до появления сбоя, далее включатся ситуационное управление человеком по восстановлению работоспособности технологического процесса. В дальнейшем технологический процесс в зависимости от результатов, вызванных вынужденным простоем, либо выполняется по плановым показателям, либо исполнители пытаются наверстать упущенное время ускоряя технологический процесс. В этом случае проектные параметры основных технологических процессов могут выйти за рамки ограничений.
Чаще всего это происходит при выполнении основного технологического процесса по добыче угля в очистном забое. На сегодняшний день производительность очистного комплекса в несколько раз превышает проектные параметры ведения очистных работ. Это в основном связано с метаном, который появляется из отбитого угля, груди забоя, вмещающих пород, отработанного пространства, и который система проветривания не успевает удалить из очистного забоя. Для снижения природной газоносности угольного пласта до приемлемого уровня (13 м3/т с.м.) производят предварительную пластовую дегазацию в пределах выемочного участка. Для этого бурятся дегазационные скважи-
Рис. 3. Мнемосхема автоматизированной системы контроля шахтной дегазационной системы
ны по пласту, как из штреков, так и навстречу движения очистного комплекса, над куполом обрушения пород и, при необходимости, на нижележащий пласт из участковых выработок, с земной поверхности. Все подземные скважины объединяются в единую дегазационную систему. Контроль и управление потоками каптируемой метановоздушной смеси (МВС) выполняет автоматизированная система контроля и управления подземной дегазационной сетью (автоматизированная система контроля шахтной дегазационной системы АСК ШДС) (рис. 3) [5].
Контроль за параметрами МВС осуществляется с помощью разработанной специализированной станцией контроля параметров дегазации (СКПД), позволяющей измерять концентрацию метана СН4 во всем диапазоне от 0 до 100% об. (установлено два датчика), концентрация оксида углерода (СО) в пределах от 0 до 200 ppm, содержание кислорода (О2) в диапазоне от 0 до 25% об., давление МВС от 400 до 1200) мм рт. ст.; дифференциальное давление в диапазоне от 0 до 200) мм вод. ст. (рис. 3). На основе полученных данных производится расчет объемного рас-
хода МВС, проходящей через точку контроля. В автоматизированную систему управления технологических процессов шахты интегрируется подсистема контроля и управления дегазационными установками и подземной дегазационной сетью. Такое решение обеспечивает контроль и управление рассмотренной комбинированной геотехнологии очистных работ и промышленного извлечения метана.
При этом используются несколько стадий, основными из которых являются — разработка проектных решений, предварительная управляемая пластовая дегазация выемочного столба и сближенных пластов для обеспечения высокоинтенсивной и безопасной отработки запасов с последующей дегазацией погашенного пространства.
Однако потенциал системы дегазации угольного пласта используется не полностью. При подходе к кусту дегазационных скважин очистного комплекса работа скважин прекращается. Общеизвестно, что использование увлажнения угля [6] со смачивающими добавками уменьшает выделение пыли и газа метана при отбойке угля. Соответственно, подсоединив дегазационный трубопровод к насосу, осуществляющему подачу водяного раствора, можно дозировано увлажнить угольный пласт к моменту подхода очистного комплекса. Процессом предварительного увлажнения призабойной части угольного пласта перед подходом очистного комплекса должна управлять автоматизированная система.
На современных угольных шахта параметры технологических процессов и окружающей среды, на которые воздействуют технологические процессы, контролируются автоматизированными системами управления технологическими процессами (рис. 5).
На сегодняшнем уровне развития оперативное управление основным производственным процессом — добычи угля, распадается на несколько не связанных между собой технологических операций, стадий. Для повышения эффективности операционного управления добычей полезного ископаемого необходимо перейти к интегральной многофункциональной системе управ-
Рис. 4. Специализированная станция контроля параметров метановоздушной смеси
— Система контроля и управления очистным оборудованием
--Система контроля и управлений проходческим оборудованием
Система контроля и управления технологическим комплексом
Система контроля и управления конвейерным транспортом
Система контроля и управления дегазационными установками и подземной дегазационной сетью
Система контроля и управления энергоснабжением
Система контроля и управления гэзоотсасыэающими установками Система контроля и управления стационарными вентиляторными установками Система контроля и управления вентиляторами местного проветривания
Система контроля и управления водоотливом
Система контроля и управления стационарными подъемными установками
Система контроля и управления пожарным водоснабжением Си ст е м а о п р е дел е н и я м е сто п о ло ж е н и я п е р со н ал а в го рн ы х в ы ра б от к а х ш а к т ы
-
Система прямой телефонной, оперативной, технологической, громкоговорящей и аварийной подземной связи
Система управления транспортом
Г
Система контроля складов ВМ
Система защиты объектов поверхности и устьев горных выработок от проникновения
посторонних лиц
Система контроля и управления газоперерабатывающими установкам и и сооружениями
Система контроля и уп ра ал е н и я телл о с н а 6 ж е н ие м
Система контроля и управления кондиционированием
Рис. 5
ления основным производством (ИМФУ ТП) так же, как для повышении промышленной безопасности с целью снижения рисков аварий и аварийных происшествий перешли к МФСБ. Базой для этого выступят АСУ ТП горного производства.
В этом случае объектом управления выступает угольная шахта, производственный (очистной или проходческий) участок. При этом объект управления — это многомерный природный и техногенный объект, в котором выделяются горные выработки с вмещающим массивом горных пород, рудничная атмосфера, технические и технологические системы и средства и производственный персонал. Тогда ИМФУ ТП — взаимосвязанный комплекс технических, технологических, инженерных и информационных систем, производственных мероприятий и персонала, которые реализуют проектные решения и обеспечивают эффективное операционное управление основными и вспомогательными технологическими процессами горного производства с учетом горно-геологических условий. Следовательно, ИМФУ ТП является информационно-управляющей, включающей в себя технические, программные средства системой, базирующейся на существующей организационной структуре горного предприятия. Задачи решаемые ИМФУ ТП должны выполняться как единый управляемый процесс самостоятельными системами управления. Поэтому, все составные автоматизированные системы управления технологическими процессами в рамках ИМФУ ТП должны быть совместимы между собой (в терминах ГОСТ 34.003-90) на информационном и организационном уровнях. ИМФУ ТП является свободно-компонуемой, открытой системой и обладает гибкой структурой, перестраиваемой при необходимости вовлечения дополнительных процессов в обеспечении основного горного производства.
Наиболее эффективным способом обеспечения оптимального управления основным производством является недопущение образований условия для остановки работ по причине возникновения опасного состояния рудничной атмосферы или возникновения угрозы геогазодинамических явлений в угольном пласте. ИМФУ ТП МФСБ должна обеспечивать многоуровневую обработку информации о параметрах состояния геосистемы шахты, технических средств и технологического оборудования, используя наземный программно-компьютерный комплекс, реализующий алгоритмы контроля, оценки, прогноза и управления технологическими стадиями, операциями.
ИМФУ ТП должна предоставлять единое информационное пространство с данными о всех параметров технологических процессов и управляющих воздействий на технологическое оборудование и технические средства. ИМФУ ТП должна производить обработку потока данных с целью получения агреги-
рованных критериев оценки выполнения основного и вспомогательных процессов горного производства и производить анализ по выявлению причин отклонения от оптимального режима управления. При выявлении отклонений от оптимального режима управления горным производством ИМФУ ТП должна производить выработку предложений по корректировки управления технологическим процессом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каплунов Д. Р., Калмыков В. Н., Рыльникова М. В. Комбинированная геотехнология. — М.: Руда и металлы, 2003. — 560 с.
2. Кубрин С. С. Теоретико-информационный анализ систем управления запасами и их отработкой с учетом конкурентной способности углей. — М.: Энергоатомиздат, 2002. — 182 с.
3. http://www.minenergo.gov.ru
4. Кубрин С. С. Математические модели и методы информационно-аналитических систем. — М.: Энергоатомиздат, 2002. — 132 с.
5. Захаров В. Н., Кубрин С. С. Автоматизация процессов дегазации и утилизации метана при отработке метаноносных угольных пластов // Уголь. - 2010. - № 7. - С. 28-30.
6. Кудряшов В.В., Соловьева Е.А. Метод оценки пылесмачивающе-го действия растворов ПАВ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - ОВ13. - С. 157-169. ЕИ2
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Кубрин Сергей Сергеевич - доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: [email protected], Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 96-107. S.S. Kubrin
AUTOMATED CONTROL SYSTEM OF MINING, AS A PLATFORM OF INTEGRATION OF PROCESS STEPS AND OPERATIONS IN A SINGLE TECHNOLOGICAL PROCESS
Under consideration are approaches to integral multi-functional control systems for production processes in coal mines. Enhancement of efficiency of operating control over mine production requires exercising management over production stages and piecemeal operations (basic and auxiliary) as a single continuous process flow. To this effect, it is suggested to use automatic process control systems available in modern coal mines. The integral multi-function production control system requirements are determined to ensure integration of production stages and operations into a joint technology of high-rate fully mechanized coal mining.
Key words: Integration, production stages, automatic control systems, production process, coal, methane, degassing, control, information systems, monitoring, management.
UDC 622.031.56: 622.817.47: 622.83.35
AUTHOR
Kubrin S.S., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia, e-mail: [email protected].
REFERENCES
1. Kaplunov D. R., Kalmykov V. N., Ryl'nikova M. V. Kombinirovannaya geotekh-nologiya (Combined Geotechnology), Moscow, Ruda i metally, 2003, 560 p.
2. Kubrin S. S. Teoretiko-informatsionnyy analiz, sistem upravleniya zapasami i ikh otrabotkoy s uchetom konkurentnoy sposobnosti ugley (Information-theoretic analysis of inventory management systems and perfecting given the competitive ability of coal), Moscow, Energoatomizdat, 2002, 182 p.
3. http://www.minenergo.gov.ru
4. Kubrin S. S. Matematicheskie modeli i metody informatsionno-analiticheskikh sistem (Mathematical models and methods of information-analytical systems), Moscow, Ener-goatomizdat, 2002, 132 p.
5. Zakharov V. N., Kubrin S. S. Ugol'. 2010, no 7, pp. 28-30.
6. Kudryashov V. V., Solov'eva E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009, Special edition 13, pp. 157-169.
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ (СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Мендебаев Токтамыс Нусипхулович — доктор технических наук, ТОО «Научно-внедренческий центр Алмас», Казахстан,
Соловьев Николай Владимирович1 — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Смашов Нурлан Жаксибекович1 — аспирант, e-mail: [email protected], 1 Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе.
Дано описание направленного бурения скважин в структуре геологоразведочных работ. Приведены сведения о конструктивных элементах и их взаимодействиях в составе разработанной забойной компоновки с навигационной системой управления направлением скважин. Изложены технические характеристики используемого оборудования, результаты лабораторно-стендовых испытаний забойной компоновки. Приведены результаты производственной апробации забойной компоновки. Забойная компоновка с навигационной системой управления скважин является новым средством направленного бурения.
Ключевые слова: скважина, бурение, инструмент, забойная компоновка, алмазное буровое долото, шаровой поплавок, геологоразведка.
DRILLING DIRECTIONAL WELLS USING THE NAVIGATION SYSTEM CONTROL
Mendebaev T.N., LLP «Research and innovation center Almas», Almaty, Kazakhstan, Solov'ev N.D}, Smashov N.Zh}, 1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidzе, 117997, Moscow, Russia.
In the article it is said about the significance of the directed drilling of well in the structure of geological survey works. Is given the information about structural elements and their interactions in the composition of the developed driving in layout with the navigation system for control of the direction of bore holes. The technical characteristics of the utilized equipment are presented, the results of laboratory- bench tests - driving in layout. It is given information about the conditions for the production approval of driving in layout, obtained results. Driving in layout with the navigation system for the control of bore holes is the new means of directed boring.
Key words: borehole, drilling tool, down-hole layout, diamond drill bit, ball float, telesound, geological exploration.
