CC BY
11
- © А.Э. Филин, 2014
УДК 622.41:533.17
А.Э. Филин
РАЗРАБОТКА ГЕОТОМОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗА УСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ «ГАЗОНОСНЫЙ УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ -ГОРНАЯ МАШИНА»
Рассмотрены аспекты разработки геотомографического комплекса для контроля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт - горная машина» для прогноза природной газоносности, газопроницаемости и газоотдачи углепо-родных массивов, своевременного выявления очагов критических деформаций, опасных природных и техногенных газодинамических, геодинамических и геомеханических явлений на угледобывающих предприятиях.
Ключевые слова: геотомографический комплекс, газодинамические явления, геодинамические явления, геомеханические явления, прогноз, оценка состояния горного массива.
В последнее время ведется разработка геотомографического комплекса для контроля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт - горная машина» на базе ИПКОН РАН с участием сотрудников МГГУ. Данный комплекс разрабатывается для снижения рисков аварий, повышения безопасности на основе функционирования системы «газоносный угольный пласт - горная машина» в сложных горногеологические и горнотехнических условиях путем прогноза природной газоносности, газопроницаемости и газоотдачи углепородных массивов, своевременного выявления очагов критических деформаций, опасных природных и техногенных газодинамических, геодинамических и геомеханических явлений на угледобывающих предприятиях посредством геотомографических методов контроля и прогноза устойчивости системы на основе исследования закономерностей изменения параметров газодинамического, геоакустического и теплового полей в элементах системы. Также целью выполнения работ является создание перспективных технологий добычи твердых полезных
ископаемых, исследования и разработки по которым осуществляются в соответствии с направлениями технологического развития, поддерживаемых в рамках Технологической платформы твердых полезных ископаемых.
Областью использования проектируемой автоматизированной системы являются действующие горнодобывающие предприятия РФ - угольные шахты, рудники, подземные объекты строительства и эксплуатации, которые сталкиваются с необходимостью мониторинга параметров горного массива для решения задач повышения показателей безопасности труда, производительности, технологических процедур и операций на высокопроизводительном оборудовании.
Разрабатываемая автоматизированная система процедурно предусматривает выполнение следующих операций:
• Формирование и измерение изменяющихся сейсмических, сейсмо-акустических и терморадиационных показателей на лабораторном стенде (подсистема моделирования и измерения сейсмотермопоказателей);
• Формирование и измерение изменяющихся показателей нагрузки,
осевой деформации и др. в модели горного массива на лабораторном стенде (подсистема моделирования и измерения тензопоказателей);
• Формирование автоматизированной системы приема, передачи и обработки показателей от стенда сейсмической и сейсмоакустической имитационной деятельности моделируемой системы «газоносный угольный пласт - горная машина» (информационно-аналитическая подсистема).
Взаимосвязь между указанными подсистемами предполагается осуществлять ресурсами информационно-аналитической подсистемы.
Основными требованиями к данной системе являются:
• Возможность исследования сейсмических, сейсмоакустических, терморадиационных и других информационных характеристик системы имитационного моделирования системы «газоносный угольный пласт - горная машина. Возможность выявления частотных (с точностью до 10 Гц), энергетических (с точностью до 10 Дж) и временных (с точностью до 1 мс) диапазонов эмиссий излучения, необходимых для получения в дальнейшем объективных данных;
• Возможность предварительной оценки реализации методов и средств геотомографического контроля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт - горная машина» для снижения рисков в дальнейшем техногенных аварий при добыче угля;
• Программа и методика лабораторных экспериментов должна обеспечить проведение исследований во всем диапазоне вариаций геофизического поля угольного пласта разрушаемого горной машиной с возможностью представления результатов с помощью математического пакета ДЫБУБ.
Структурно создаваемая система геотомографических методов контро-
ля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт - горная машина» делится на три подсистемы:
• Подсистема № 1 измерения сейсмических, сейсмоакустических и терморадиационных параметров;
• Подсистема № 2 измерения тен-зометрических параметров (значений изменения нагрузки, осевой деформации и др.);
• Подсистема № 3, обеспечивающая синхронизацию по времени измерений физических и механических параметров, а также их аналитическую обработку.
Предполагается возможность совместимости разрабатываемой автоматизированной системы с другими смежными системами, позволяющими выполнять более широкую аналитическую базу с уточнением методов контроля и прогноза устойчивости, включая режимы безопасности, работы системы «газоносный угольный пласт - горная машина».
Режим функционирования автоматизированной системы зависит от режима работы горнодобывающего предприятия, которое, как правило, работает по системе 3 смены рабочие, т.е. по добыче полезного ископаемого, и одна смена ремонтная, т.е. без задействования добычных ресурсов предприятия. Таки образом режим работы определяется режимом работы предприятия по добыче полезного ископаемого, в процессе которого и возникают изменения напряжено-деформированного состояния массива с другими показателями работы добычного комплекса. Диагностирование автоматизированной системы предполагается производить согласно паспортным требованиям разработчиков элементов и компонентов оборудования.
Для обеспечения стабильной работы автоматизированной системы предусматривается 3 штатные едини-
цы управляющего и обслуживающего персонала:
• Администратор автоматизированной системы с квалификацией научного сотрудника, не ниже кандидата технических наук;
• Инженер-оператор автоматизированной системы с квалификацией специалиста в области 1Т технологий;
• Лаборант автоматизированной системы с квалификацией бакалавра в области 1Т технологий.
Разрабатываемый комплекс должен обеспечить:
• Снижение показателя потерь трудоспособности ЦПРН по фактору предотвращения горно-геологических осложнений ведения горных работ и разрушения сооружений, в том числе смертельный травматизм, не менее чем в 2 раза при внедрении создаваемой научно-технической продукции;
• Снижение материального ущерба от проявлений горно-геологических осложнений при ведении горных работ не менее, чем в 5 раз при внедрении создаваемой научно-технической продукции;
• Снижение материального ущерба от разрушений сооружений и агрегатов не менее, чем в 2,5 раза при внедрении создаваемой научно-технической продукции.
Кроме этого, для выявления очагов критических деформаций и оценки рисков возникновения техногенных катастроф и их предотвращения на угледобывающих предприятиях комплекс должен быть конкурентоспособным, по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами, в части информативности, надежности и скорости принятия решений.
Состав комплексов задач для решения поставленной цели условно можно разделить на следующие:
• Получение комплекса показателей массива вмещающих горных по-
род и полезного ископаемого, зависящих от работы добычного комплекса шахты;
• Передача полученной информации (показателей) в необходимом объеме (данный объем имеет значительные объемы информации с точки зрения ранее использовавшихся систем) в базы данных;
• Обработка данных, проведение аналитических и расчетных процедур для контроля и прогноза устойчивости системы «газоносный угольный пласт - горная машина» с целью очагов критических деформаций и оценки рисков возникновения техногенных катастроф и их предотвращения на угледобывающих предприятиях.
Возможно в перспективе проведение работ, направленных на выработку решений технического, технологического, организационного и т.п. вида.
Автоматизированная система «газоносный угольный пласт - горная машина» должна обеспечиваться следующими функциональными характеристиками согласно п. 2.2.4.9 РД 50-34.698-90:
1) Работать в режиме реального времени;
2) Иметь защиту от несанкционированного доступа;
3) Иметь журнал записи событий системы, с фиксацией измерений, изменений, проверок, настроек, работоспособности оборудования;
4) Использовать датчики сейсмической, сейсмоакустической информации, ИК излучения;
5) Измерять параметры:
• количество сейсмоакустических импульсов в единицу времени;
• относительное изменение уровня регистрируемого сигнала в процессе измерений;
• скорости распространения упругих колебаний в массиве горных пород;
• уровень теплового излучения горных пород;
• в сейсмическом диапазоне частот от 1 до 200 Гц, в сейсмоакусти-ческом диапазоне частот от 200 до 2000 Гц;
• обеспечивать мгновенный динамический диапазон на уровне не ниже 115 дБ. Измерять скорости сейсмоа-кустических волн должно обеспечиваться в диапазоне 200-7000 м/с с погрешностью не более 7%;
• Измерять тепловые поля в диапазоне от 5 до 40 °С с погрешностью не более 1%;
6) Использовать алгоритмы геотомографического восстановления очагов критических деформаций;
7) Использовать алгоритмы идентификации природы процесса изменения параметров (марковский, немарковский);
8) Использовать алгоритмы определения характеристик процесса изменения параметров (энтропия, временной интервал, дробная размерность);
9) Использовать алгоритмы вычисления прогнозных значений параметров как для марковского, так и для немарковского процессов их изменения;
10) Для сбора и передачи информации должен использоваться универсальный стандартный протокол обмена данных;
11) Для сбора данных должна быть предусматривается возможность использования локальной сети на витой паре, на оптическом волокне;
12) Иметь возможность производить самодиагностику и выявлять отказы в оборудовании.
Результаты исследований измерения сейсмических, сейсмоакусти-ческих и терморадиационных параметров должны обрабатываться в пакетах математического моделирования Ма^аЬ, МаШсаа, 8ТДТ18Т1СД
и ANSYS для достижения обеспеченности сходимости результатов 95% и выполнения прогноза с вероятностью 78%.
Для приведения информации, формируемому автоматизированной системой на уровне датчиков и регистраторов, будут использоваться стандартные решения, что бы результаты исследований измерения сейсмических, сейсмоакустических и терморадиационных параметров могли обрабатываться в пакетах математического моделирования Matlab, Mathcad, STATISTIC A и ANSYS для достижения обеспеченности сходимости результатов с достаточной достоверностью.
Поскольку в процессе деятельности угледобывающего предприятия условия могут существенно меняться в зависимости от природных и техногенных причин, система должна подвергаться коррекции в следующих направлениях:
• Техническом, т.е. направленном на изменение количества датчиков, регистраторов, модемов, коммуникаций передачи информации в системе, в том числе изменения возможны при наличии других технических ресурсов, приемлемых для разрабатываемой системы;
• Организационном, т.е. направленном на изменение штатного состава персонала, обслуживающего автоматизированную систему и график его работы;
• Информационно-аналитическом, т.е. направленном на оптимизацию и повышение эффективности работы программного комплекса, предоставляющего показатели горного массива и механизированного комплекса;
Учитывая тот факт, что горнодобывающие предприятия являются опасными производственными объектами с повышенными рисками, разрабатываемая автоматизированная система
должна обладать следующими специальными ресурсами:
• Надежно сохранять информацию, необходимую для проведения расследования инцидентов, аварий, катастроф и других негативных событий на предприятии в полном объеме, что может быть достигнуто введением в систему специальных баз данных-архивов;
• Выдерживать агрессивную среду подземных горных выработок с их
специфическими газообразными и механическими примесями, температурным фактором, высокой влажностью, вспышками метано-воздушной смеси, механическим воздействием и др., что достигается выбором необходимого оборудования в специальном исполнении;
• Не провоцировать негативные проявления в условиях ведения горных работ на угольной шахте. итш
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Филин Александр Эдуардович - доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected], МГИ НИТУ «МИСиС»
UDC 622.41:533.17
design of geo-tomography equipment set
for stability prediction and control in gas-bearing
coal bed-and-mining machine system
Filin A.E., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected],
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
The article deals with aspects of the geotomographic complex development for the monitoring and forecast of the «gas-bearing coal seam - mining machine» system stability for the prediction of the natural gas content, gas permeability and gas recovery coal rock mass, early detection of the critical deformation zone, unsafe natural and anthropogenic gas-dynamic, geodynamic and geomechanical effects at the coal mining enterprises.
Key words: geo-tomography equipment set, gas-dynamic events, geodynamic events, geomechanical events, prediction, rock mass condition assessment.
Д.
