CC BY
146
АВТОМАТИЗАЦИЯ . В . ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
©: Ю.Н.: Камынин, В.А. Камынин,'
, 2000
УДК 622.411.33:622.8
Ю.Н. Камынин, В.А. Камынин
ТРЕХУРОВНЕВАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ШАХТ ОТ ВЗРЫВА МЕТАНА
К
аждый взрыв метана в шахтной выработке подтверждает что:
1. Рудничный воздух на этом участке имел взрывную концен-трацию.
2. В местах появления- взрывной концентрации в момент взрыва находится воспламенитель взрывной концентрации рудничного воздуха.
3. До момента взрыва концентрация рудничного газа была в диапазоне от нижнего предела взрываемости 5 % объема до верхнего предела взрываемости 14 % объема, или при концентрации метана 3 % нижний предел взрывчатости взвешенной угольной пыли составлял 5 г [1] на один кубический метр выработки.
пературу более 650-750 градусов.
5. От очага возникновения метана с определенной газообильностью происходит заполнение во времени всего объема Q=S*L, где S - сечение выработки кв. метров, L - длина выработки в метрах, при этом длина загазованного участка Lg выработки с нижним пределом взрывания увеличивается во времени.
6. Чем больше длина загазованного участка Lg с нижним пределом взрывания, тем сильнее энергия возможного взрыва.
7. Чем раньше во времени будет зафиксирован загазованный участок, тем
меньше будет длина Lg, тем быстрее можно принять противоаварийные меры по предотвращению взрыва.
8. Эффективно управлять текущей газообильностью в угольной промышленности пока не могут.
9. Управление концентрацией метана возможно за счет подачи чистого воздуха к очагу газовыделения и выжигания метана по пути следования рудничного газа в специальных устройствах.
10. Уменьшение длины Lg неконтролируемого газового участка можно осуществлять за счет:
• увеличения числа п датчиков контроля взрывной концентрации по длине выработки;
• увеличение быстродействия датчиков метана;
явления воспламенителя в зоне взрывной концентрации газа возможна за счет:
• исключения искрения или нагрева элементов электросети при ее отключении;
• исключение фрикционного искрения механизмов отбойки угля и породы, их транспортировки и других потребителей;
• громкоговорящего оповещения всех шахтеров, находящихся на участке и вывод их из загазованной зоны;
• подача информации о загазованности диспетчера шахты.
12. Существующие средства (АТ3-
1, ТМРК и др.) не обеспечивают контроль важного параметра взрыва -контроль нижнего предела взрывае-мости.
Для проведения противоаварий-ных мер по взрыву газа необходимо разработать датчики, контролирующие нижний и весь диапазон взры-ваемости рудничной атмосферы (метан с пылью) а также стационарную и переносную аппаратуру контроля нижнего предела взрываемости.
13. Для прогнозирования временной ситуации при изменении концентрации рудничного газа необходима разработка системы определения величины фактического газовыделения в выработки.
14. Кроме средств и систем по пунктам 12 и 13 необходимо разработать интеллектуальную систему контроля, прогнозирования и предотвращения взрыва рудничного газа, в задачи которой входит не допустить с требуемой вероятностью взрыва метана в шахте.
Недостатки существующих стационарных систем защиты шахт от взрыва рудничного газа:
1. Датчики основанные на термокаталитических принципах могут отключаться в любой момент, поскольку их чувствительный элемент выводят из строя летучие соединения серы, часто сопровождающей метан.
2. Время срабатывания до 15-30
сек.
3. Потеря работоспособности при воздействии больших концентраций метана и нарушений после этого градуировки.
3.1 Изменение чувствительности термогрупп по времени представляет нестационарный случайный процесс, средняя по времени каждой реализации которого монотонно убывает по линейному закону.
3.2 Скорость убывания чувствительности существенно зависит от концентрации метана в среде, где работают термогруппы.
4. Возможно появление дли-ны неконтролируемого загазо-ванного участка шахты до 200 м (расстояние между датчиками).
5. Погрешность 0,2 объемной доли.
Рассмотрим основы теории автоматических предохранительных технических средств появления первоначального пламени взрыва метана в шахте.
Таблица 1
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 ^2),после внезапного выброса, с 2.84 2.36 2.0 1.14
4. Воспламенитель имел тем- 11. Уменьшение вероятности по-
Т=3=У
Логическая функция начала появления первоначального пламени взрыва метана
2=НпТп13,..........................(1)
где п - знак логической конъюнкции; Н,Т,1з - логические переменные: Н -наличия (в данной точке автоматического контроля) концентрационного предела распространения пламени НКПР (нижний предел взрываемости НПВ), (концен-трационные пределы воспламенения) %; Т - наличия в данной точке температуры воспламенения взрывной концентрации метана или смеси; ¿з-индукционный период (промежуток времени с момента контакта метана с источником тепла до его воспламенения 0,033-1,64 с).
Наличие температуры Т воспламенения взрывной концентрации метана, °С
1 - возможна, если включена система электроснабжения и горных машин
(2)
0 - невозможно, если отключена система электроснабжения горных машин Пространство сигнала рис. 1 аварийно-загазованной выработки, от суфлера до встречи с источником зажигания с температурой Т, определяется как
Н=/(Ьнпе).........................(3)
Длина Ьнпе аварийно-загазо-
ванного участка (с превышением норм концентрации СН4 до НПВ в поперечном сечении) горной выработки, м
Lнпв = инпв *¿1.................(4)
где инпв - скорость распространения газовой смеси с НПВ в горной выработке, м/сек; ¿1 - время распространения газовой смеси с НПВ в горной выработке, с.
Скорость инпв распространения газовой смеси с НПВ в горной выработке можно принять как
инпв=и м/сек....................(5)
где ив - скорость распространения потока воздуха в шахте в соответствии с ПБ, м/сек.
Взрыв метана можно представить рис. 1 как связь между множеством Н и Т, т.е. частичное включение множества Т в Н.
В качестве критерия Р2 для целе-
VI
вой функции (1) можно принять вероятность появления взрыва Рz=РнПРт, где Рн - вероятность появления Н; Рт - вероятность появления Т.
Чтобы уменьшить величину Pz как видно из рис. 1 необходимо зафиксировать величину Н непосредственно у точки В повышенного выделения метана и сократить длину Ьнпв неконтролируемого загазованного участка, а
Рис. 1. Взрыв метана как связь между множествами H и ^ В
- точка повышенного выделения СН4 в выработку; ^ - момент времени появления НПВ; Lт - длина пламени с температурой воспламенения
Рис. 2. Уровни защиты от взрыва метана и технические средства контроля
затем быстродействующими защитами отключить систему электроснабжения и горные машины и тем самым предотвратить появление электрических и механических источников (Т) поджигания взрывчатой смеси раньше чем аварийно-загазованный участок достигнет источника зажигания с температурой Т. Ограничениями целевой функции будет
5 %<Н<15 %
650 °С<Т<2200 °С 0,5< ив< 4 м/с 0,039 с < 13 < 1,64 с
Для уменьшения вероятности взрыва Р2 необходимо дополнительно к существующей системе защиты, включающей два уровня (1 и 3) рис.
2, ввести новый автоматический уровень контроля нижнего предела взры-ваемости рудничной атмосферы, основанный на фиксации взрывной кон-
Дi - датчик для контроля и фиксации нижнего предела взрываемости (НПВА) с иску-ственным воспламенителем Т; L - расстояние между датчиками; АК - аппарат контроля связывающий датчики Д^ Т - наличие в данном пространстве температуры воспламенения газа; инпв -скорость распространения газовой смеси с НПВ; В - точка повышенного выделения СН4 в выработку; Lнпв - длина аварийно-загазованного участка
центрации Н в необходимых координатах топологического пространства выработки с мгновенным отключением электроэнергии и тем самым предотвратить проявление электрических и механических источников поджигания взрывной смеси раньше, чем эта смесь
достигнет источников поджигания. Для случаев, когда источник воспламенения Т появляется в одном и том же месте с источником Н, рассмотрен-Таблица 2
увеличивается (табл. 1) и может образовываться взрывоопасная метановоздушная смесь. И чтобы избежать возникновения источников поджигания
го участка, а следовательно к увеличению энергии взрыва.
Рассмотрим влияние уменьшения расстояния между датчиками за счет
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ДОБЫЧНОЙ МАШИНЫ В УСЛОВИЯХ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА, ПЫЛИ И ИСКРООБРАЗОВАНИЯ.
№ Режимы работы машины Повышение содержания метана до 2 % и более Есть нижний предел взрываемости рудни- Есть фрикционное ис Есть вспышки метана и угольной пыли в начальной
На выходе очистного забоя У машины чной атмосфеы у машины крение стадии их развития у машины
Нормальная работа машины - - - - -
2 Отключение сети электроснабжения участка и прекращение работы машин + + +
3 Работа машины с включени-ем в работы взрывоподавля-ющих устройств +
4 Работа машины с включением в работу пылеподавляющх устройств +
ный способ позволяет сократить длину загазиванного участка, который может взорваться и тем самым уменьшить последствия от возгорания этого участка Н при встрече с источником Т поджигания.
Предельная длина такого участка будет равна расстоянию между датчиками.
Для исключения влияния изменений физико-химических параметров среды: температуры, влажности, содержания различных газов, пыли и др., целесообразно при реализации данной теории производить принудительное воспламенение этой контролируемой среды в камерах сгорания, рассредоточенных датчиками и фиксировать моменты появления микровзрыва или возгорания среды.
В настоящее время большинство шахт оборудовано аппаратурой газовой защиты АТЗ (АТ3-1, АТ1-1 ТМРК-
З и др.), а взрывы тем не менее происходят даже тогда, когда аппаратура газовой защиты работоспособна. В отдельных случаях это связано с малым быстродействием АГЗ (Г3 более 15 сек.) и значительными расстояниями Lg между датчиками АГЗ установленными в выработке. Выясним влияние параметров ¿3 и Lg на работоспособность системы АГЗ.
Сначала рассмотрим влияние времени задержки на срабатывания датчика метана (быстродействие) на увеличение вероятности взрыва метана. Как известно [2], при внезапном выбросе угля и газа концентрация метана в забоях и выработках быстро
смеси и предотвратить возможный взрыв, необходимо своевременно выключить все оборудование и остановить технологические процессы.
Концентрация рудничной атмосферы выше нижнего предела взры-ваемости происходит и в других случаях, например, при нарушении нормального проветривания и др. Известен способ контроля концентрации метана во всех выработках, где может выделяться или скапливаться метан, заключающийся в том, что в определенных местах выработки (оговоренных правилами) [4] устанавливаются стационарные автоматические приборы контроля содержания метана с уставками по концентрации 0,5; 1; 1,3; 2 %.
Если в одной и той же точке контроля находятся датчики метана на термокаталитическом принципе сжигания метана, то их быстродействие более 15 с (АТЗ-1, ATI-1, ТМРК, ...), а также быстродействующий датчик контроля нижнего предела взрывания, то быстродействующий датчик покажет взрывную концентрацию, в то время как применяемый на шахте датчик покажет содержание менее 2 %. В данном случае происходит на определенном участке времени пропуск сигнала - сигнал о недопустимой концентрации (2 %) с устройства контроля метана сигнала нет, а в действительно наблюдаемом объекте сигнал есть, и при том равен взрывной концентрации. При наличии воспламенителя в данной точке контроля произойдет взрыв. Увеличение времени t3 ведет к увеличению длины неконтролируемого загазованно-
увеличения их числа n на длину L и на уменьшение вероятности взрыва метана. При существующем методе и выпускаемом техническом средстве расстояние (рис. 1) между датчиками Д и Д2 составляет 150-250 метров, средняя скорость воздуха UB при забойных пространствах очистных выработок всех вахт и тупиковых выработок газовых шахт должна быть не менее 0,25 м/сек (§ 204 ПБ [4]). Если очаг выделения метана (точка В) находится сразу же за датчиком по направлению скорости вентиляции, то длина загазованного участка шахты приблизительно равна LHnezL1 ¡2&200m.
Если расстояние между датчиками L1,2 составляет например 200 м, то из уравнения (4) время t1 распространения газовой смеси с НПВ в горной выработке или время, на которое выработка не контролируется при взрывной концентрации, составляет при скорости UHne < 0,25 м/с распространения газовой смеси с НПВ:
ti=LHne/UHnS=200/0.25=800 с
Из примера видно, что участок шахты при существующих схемах контроля и времени нарастания концентрации метана при внезапном выбросе от начального до нижнего предела взрываемости находится без контроля за газовой ситуацией в течении 800 сек. Это бесконтрольное состояние приводит к трагическим последствиям, в случае если увеличивающийся загазованный участок встретится с источником воспламенения Т (рис. 1). Итак, чем больше рас-
стояния между датчиками метана, тем больше длина загазованного участка с нижним пределом взрывания тем сильнее энергия возможного взрыва. Чем меньше расстояние между датчиками метана, тем раньше во времени будет зафиксирован загазованный участок Lg, тем меньше будет длина Lg, тем быстрее можно принять противоаварийные меры предотвращения взрыва.
Учитывая значительное влияние на вероятность появления взрыва, как времени задержки срабатывания датчика метана, так и расстояния между датчиками предполагается объект с существующим уровнем защиты от повышения концентрации метана от 1 или 2 %. с техническими средствами АТЗ-1, АТІ-1, ТМРК-3 дополнить новым вторым уровнем защиты концентрации метана с многоточечным контролем нижнего предела взрываемо-сти рудничной атмосферы рис. 2.
Метод контроля второго уровня защиты от взрыва метана заключается в следующем.
Для исключения влияния изменений физико-химических параметров среды: содержание каждого из горячих компонент (метана, пыли, водорода и т,д.) смеси в %. по объему, температуре, влажности давления запыленности, предлагается собирать в нескольких точках пространства контролируемую среду в небольшие по объему камеры сгорания рис. 3, производить принудительное воспламенение этой контролируемой среды в камере, фиксировать момент появление микровзрыва или возгорания среды и выводить информацию о взрыве от каждой точки в исполнительное устройство противоаварийной защиты,
Предложенный метод позволяет создавать новый класс приборов по точности и быстродействию вне зависимости от физико-химических параметров контролируемой среды: температуры, давлений, влажности, запыленности, видов горючих газов.
На основании метода контроля второго уровня автоматической защиты от взрыва метана разработан способ контроля аварийной загазованности пространства [3] заключающийся в том, что производят фиксацию появления нижнего предела взрывчатости газовой смеси в нескольких точках контроля, для чего в каждой точке производят принудительное воспламенение атмосферы во взрывобезо-
пасной камере сгорания. Расстояние У между точками контроля принимают в зависимости от длины Lнпв допустимого аварийного загазованного пространства выработки с концентрацией газа выше нижнего предела взрывае-мости (НПВ) и определяют из условия
К>У<1нпв= инпв%
где инпв (м/с) - скорость распространения газовой смеси; Г1(с) - время распространения газовой смеси до встречи с датчиком контроля; К
- минимальная допустимая длина аварийного загазованного участка.
Определяется правилами, при этом Lнпв определяется при ¿=¿2 + ГЗ
где ¿2 (с) - время нарастания концентрации газа от начального до нижнего предела взрываемости; ¿3 (с) - время с момента встречи потока газовой смеси с источником воспламенения до момента взрыва.
Момент появления взрыва во взрывобезопасной камере сгорания определяют с помощью логической функции (1).
Фиксирует этот момент М = ПпД одновременно с появлением пламени П и давления Д во взрывобезопасной камере сгорания, отождествляют одновременно появление пламени П и давления Д с наличием Н газа выше нижнего предела взрываемости как в точке установки камеры сгорания, так и в пространстве вокруг этой камеры. Приводят в действие противоаварий-ную защиту.
В соответствии с разработанным способом [3] на рис. 3 приведена схема расположения датчиков в горной выработке.
По данной схеме максимальная длина неконтролируемого загазиро-ванного участка меньше расстояния У между датчиками.
Если воспламенитель и начало участка с взрывной концентрацией находятся в различных промежутках, ограниченных предыдущими и последующими датчиками контроля нижнего предела взрываемости, то вспышки метана не произойдет, т.к. эта концентрация будет зафиксирована датчиком, прежде чем она появится у воспламенителя.
Когда концентрация дойдет до координаты воспламенителя, источник воспламенителя под действием защиты, будет локализован.
Вспышка метана может произойти при одновременном появлении вос-
Рис. 3. Расположение комплекса технических средств контроля нижнего предела взрываемости рудничной атмосферы в выработке:
пламенителя и загазованного участка взрыва концентрации на одном и том же промежутке длины выработки между предыдущим и последующим датчиком. Расстояние между датчиками Y<К выбирают такое, чтобы эта вспышка не принесла ущерба.
Использование высокопроизводительных очистных комбайнов, которые в минуту разрушают до 10 т угля с выходом штыба 20 % [1] и более неизбежно приводят иногда к взрывам газа и угольной пыли от фрикционного нагревания борозд резания и искрообразова-ния.
Фрикционное искрение как источник воспламенения газовозушной среды в горных выработках угольных шахт РФ достигает пятую часть к занимает
второе место [1] после взрывных работ, в связи с этим необходим третий уровень защиты шахт от взрыва метана.
Третий уровень защиты позволяет контролировать фрикционное искрение режущего органа добычной и проходческой машины с выдачей сигнала на форсированную подачу воды, а также регистрировать воспламенение метановоздушной или пылеметановоздушной смеси и выдачи сигнала на взрывопода-вители. Для реализации третьего уровня защиты от взрыва можно использовать датчик пламени ДП и блок обработки информации система обнаружения взрывов типа "СОВА", разработанный институтами МакНИИ и Автоматугле-рудпром и изготовляемую заводом "Красный металлист".
Автоматическая система обеспечения технологической безопасности разрушения горкой породы (угля) в условиях выделения метана, пыли и искрообразования, полученные с использованием технических средств первого, второго и третьего уровня
защиты позволяет, например, контролировать режимы добычной машины, рассмотренные в табл. 2.
Выводы
Для исключения взрыва метана в шахте система защиты на участке контроля должна быть трехуровневой:
• первый уровень защиты автоматически контролирует наличие взрывного газа за счет стационарных и переносных приборов, фиксирующий недопустимою концентрацию газа (0,5 %, 1 %, 2 %.) по объему (существующая защита);
• второй уровень защиты автоматиче-
ски контролирует взрывную концентрацию рудничного газа (5 %-15 %) и с быстродействием менее 0,5 с фиксирует в нескольких точках нижний предел взрывчатости газовой смеси (5 % по метану и 3 % метана с взвешенной угольной пылью) по факту появления взрывной концентрации:
• третий уровень защиты автоматически контролирует вспышки метана в борозде резания угля (породы).
Кроме того в перспективе на диспетчерском пульте шахты должна действовать интеллектуальная система контроля, прогнозирования и пре-
дотвращения взрыва рудничного газа, которая должна непрерывно контролировать выполнение пунктов ПБ в части:
- контроля метана, отключений электроэнергии, вывода людей, диагностического контроля аппаратуры измерения содержания метана, скорость воздуха пусковой аппаратуры систем электроснабжения, а также работа организационных структур по четкому выполнению Правил безопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соломатин А.Г., Забудаев Г.С. Выемка мощных пологопадающих пластов и проблемы пылеподавления и искровзрывозащиты исполнительных органов очистных комбайнов «Уголь», июль 1996 г.
2. Колосюк В.П., Континов В.П., Замжицкий В.С., Время отключения электропитания и электрооборудования горных машин. Безопасность труда в промышленности 92-4.М., Недра, 1992 г.
3. Камынин Ю.Н., Осипов Э.Р., Петров А.И., Камынин В.А. Способ контроля аварийной загазованности пространства и устройство для его осуществления. Решение о выдаче патента на изобретение 96103426/28 от 22.02.96
4. Правила безопасности в угольных шахтах. Москва,1995 г., Самарский дом печати 1995 г.
/ /
Камынин Ю.Н. — профессор, доктор технических наук, «Г ипроуглеавтоматизация» Камынин В.А. — студент, Московский государственный горный университет
