В рамках данной работы рассматривается процесс проветривания тупиковых выработок вентиляторами местного проветривания, контроль и управление которыми осуществляется с помощью аппаратуры контроля проветривания тупиковых выработок АКТВ. Эта аппаратура предназначена для автоматизированного местного и дистанционного управления ВМП; отключения электропитания при отклонении от заданного режима проветривания выработок с одним вентиляционным ставом; выдачи диспетчеру информации о проветривании через систему телемеханики, о состоянии ВМП (включен, отключен), о разрешении на включение группового аппарата (ГА), питающего оборудование тупиковой выработки, о наличии напряжения питания в резервной сети, о значении параметра скорости воздуха.

Проанализировав условия проветривания тупиковых выработок вентиляторами местного проветривания и возможности аппаратуры, применяемой для контроля и управления ВМП, можно утверждать, что процесс проветривания сложен в управлении в виду следующих причин:

• ВМП рассредоточены по шахте и удалены на значительное расстояние от пункта горного диспетчера;

• аппаратура автоматизации должна обладать высокой надежностью, так как отказ в системе проветривания может быть причиной взрыва или пожара;

• необходим непрерывный контроль за составом атмосферы, количеством воздуха, поступающего в подготовительный забой, а также количеством метана, выделяющегося в опасной по газу тупиковой выработке;

• аппаратура автоматизации, наряду с восполнением функций управления режимом проветривания должна обладать возможностью вести автоматическое разгазирование забоя.

Таким образом, целью данной работы является разработка аппаратуры, позволяющей используя непрерывный контроль за содержанием метана производить своевременное автоматическое разгазирование тупиковой выработки.

Для автоматизации опасного и сложного процесса разгазирования предварительно рассмотрим существующие специфические особенности объекта управления.

Можно представить обобщенную модель процесса (рис. 1) как взаимодействие выталкиваемого из тупика длиной L метана G_Т чистым воздухом Q, подаваемым на разбавление в условную зону смешения длиною х, через которую протекает газовая смесь Q_см [1]. В зависимости от конкретных условий углы α и β могут изменяться в широких пределах. Измеряемая на расстоянии х от начала условной зоны смешения концентрация метана С является регулируемым параметром. Часть Q_П общего потока Q, подаваемого ВМП для выталкивания метанового облака из тупика, представляет собой регулирующее воздействие.

Параметры G_Т и Q следует рассматривать как внешние случайно изменяющиеся в процессе разгазирования возмущения.

Рисунок 1 – Обобщенная модель процесса разгазирования

При неизменном значении Q_П параметр G_Т является функцией общего количества G₀ выделившегося за время θ₀ нарушения проветривания метана и распределения последнего по длине x_Т тупиковой выработки

(1)

где q(θ, x_T) – погонное абсолютное газовыделение как функция длины тупиковой выработки и длительности загазирования, м³/м·сек.

Внутренний интеграл в выражении (1) представляет собой общее количество газа, выделяющегося в единицу времени, как функция θ, м3/сек:

(2)

Функция f(θ) не может быть определена аналитически из-за невозможности прямого измерения величины q(θ, x_T).

В большинстве случаев можно считать f(θ) невозрастающей функцией времени, например:

.(3)

Общее количество метана, выделившегося за время θ₀ с учетом формул (1) и (2), равно

(4)

Если с момента θ=θ₀ начать разгазирование и предположить, что концентрация метана С будет при этом поддерживаться постоянной и равной допустимому значению C_{доп (отн.ед)}, то длительность разгазирования τ_p может быть определена из интегрального уравнения

(5)

Если предположить, что за время разгазирования f(θ)=f₀=const, то предыдущее выражение упрощается, при этом

(6)

Из выражений (5) и (6) следует, что при Q=const расчетное значение τ_p представляет собой рациональную (минимально возможную) длительность процесса разгазирования.

Если при прочих равных условиях осуществить разгазирование за время, меньшее τ_p, то концентрация на исходящей будет превышать допустимое значение C_доп, что недопустимо; наоборот, поддержание на исходящей более низкой концентрации, чем C_доп, приводит к резкому возрастанию длительности разгазирования, что также нежелательно. Ввиду этого следует обеспечить плавное регулирование производительности ВМП.

Рассмотрим более подробно причины, вследствие которых процесс контроля содержания метана и разгазирования столь остро нуждается в автоматизации, и обоснуем их.

Появление опасной концентрации метана может быть результатом нарушения режима проветривания, интенсивного выделения метана или его внезапного выброса [2]. Источником воспламенения может оказаться выброс пламени из шпуров при ведении взрывных работ, пробуксовка транспортерной ленты на барабане конвейера, электрическая дуга при коротких замыканиях в гибком либо бронированном кабеле и т. п. С этой точки зрения значительный интерес представляют числовые характеристики функций распределения времени нормального функционирования системы проветривания и времени нарушения функционирования системы проветривания подготовительных забоев.

Для исследования случайной величины – времени нормального функционирования системы проветривания – необходима гипотеза о математической модели. С этой целью исследуем причины, вызывающие нарушения проветривания подготовительных забоев. Статистические данные показывают, что нарушение проветривания подготовительных забоев происходит из-за отсутствия электроэнергии (48,7%); плановых остановок главного вентилятора (21,4%); плановых остановок забоя (25,3%); отказов магнитных пускателей и вентиляторов местного проветривания (3,3%) и прочих причин (3,3%).

В качестве математической модели наиболее целесообразно использовать экспоненциальный закон распределения времени нормального функционирования системы проветривания. Результаты обработки статистических данных по времени нормального функционирования системы проветривания свидетельствуют о том, что эмпирические данные на графике расположены достаточно близко к теоретической функции распределения. Для определения стохастических параметров отдельных составляющих нарушений нормального функционирования подготовительных забоев можно использовать некоторые положения теории безгранично-делимых функций распределения и принципа суперпозиции.

Рассмотрим более подробно рис. 2. Здесь вероятности нормального функционирования подготовительных забоев показаны прямыми II (плановая остановка забоя), III (отключение электроэнергии по шахте), IV (плановая остановка из-за главного вентилятора), V (отключение электроэнергии по горизонту), VI (отключение электроэнергии в одном забое), VII (отказы магнитных пускателей и вентиляторов местного проветривания) и VIII (аварийное отключение электроэнергии по шахте).

Рисунок 2 – Вероятности нормального функционирования системы проветривания подготовительных забоев

Для исследования случайной величины – времени нарушения проветривания также необходима гипотеза о математической модели. Как и в случае со временем нормального функционирования, принимаем гипотезу об экспоненциальном законе времени нарушения проветривания подготовительных забоев. Значения теоретических функций распределения и эмпирические данные по времени нарушения проветривания достаточно близко совпадают и представлены на рис. 3 линиями и соответствующими обозначениями: I – отключение электроэнергии в одном забое; II – отказы ВМП и их пускателей; III – отключение электроэнергии по горизонту; IV – отключение электроэнергии по шахте; V – аварийное отключение электроэнергии по шахте; VI – по всем причинам; VII – плановая остановка забоя; VIII – плановая остановка из-за вентилятора главного проветривания.

Рисунок 3 – Вероятности продолжительности нарушений системы проветривания подготовительных забоев

Таким образом, экспериментальные точки расположены достаточно близко к аппроксимирующим теоретическим законам. Количественная оценка близости эмпирических данных к соответствующим функциям распределения с помощью критерия согласия А. Н. Колмогорова показала, что гипотеза об экспоненциальном законе не опровергается. Все это говорит о высокой интенсивности нарушений проветривания и значительной величине времени нарушения. Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать:

1. Основными причинами нарушений проветривания подготовительных забоев являются: отключение электроэнергии (48,7%), плановые остановки подготовительного забоя (25,3%) и вентилятора главного проветривания (21,4%). Среднее время нормального функционирования подготовительного забоя составляет 125 час. Среднее время нарушения проветривания подготовительного забоя равно 3,76 час. Среднее количество нарушений проветривания подготовительного забоя достигает 68 раз в год, при этом суммарное время нарушения проветривания оказывается равным 255 час.

2. Продолжительность остановки ВМП в 85% случаев превышает 30 мин, что, как правило, достаточно для загазирования подготовительного забоя.

3. В 70% от общего количества простоев ВМП остановка их вызвана причинами, не зависящими от условий работы подготовительных забоев, при этом средняя длительность простоя ВМП составляет 2,5 час. Таким образом, резервирование электроснабжения ВМП имеет ограниченную эффективность.

4. Поскольку в большинстве случаев загазирование забоев неизбежно, следует процесс разгазирования полностью автоматизировать.

Для сокращения времени разгазирования и соблюдения необходимых требований безопасности желательно плавное регулирование производительности ВМП, что достижимо за счет применения специальных устройств. В данном конкретном случае используется устройство, описанное в источнике [3].

Рисунок 4 – Устройство для разгазирования:
а, б – схемы устройства; в – схема установки; 1 – патрубок; 2 – клапан; 3 – ролики; 4 – трос; 5 – ручная лебедка

Устройство (рис. 4) представляет собой патрубок 1 цилиндрической или прямоугольной формы с клапаном 2, имеющим уплотнение из пористой резины.

Расход воздуха у забоя выработки регулируется изменением положения клапана 2 с помощью троса 4 вручную или электроприводом.

Устройство для разгазирования тупиковых выработок размещается в тупиковой части выработки в 5 - 10 м от ее устья.

Процесс разгазирования тупиковой выработки заключается в следующем. До включения резервного ВМП предварительно опускается клапан 2, частично или полностью перекрывая сечение патрубка 1. Затем подается импульс на включение резервного ВМП и он включается в непрерывную работу. Угловое положение клапана является регулируемой величиной, вследствие чего обеспечивается плавное поднятия клапана 2 в воздухоподающем трубопроводе и у забоя выработки обеспечивается такой расход воздуха, при котором концентрация метана, непрерывно измеряемая переносным автоматическим прибором у устья выработки, не будет превышать 2%.

В случае, когда в выработке проложено два и более вентиляционных трубопровода, разгазирующим устройством оборудуется один трубопровод.

Эффективность и надежность процесса разгазирования выработки может быть существенно повышена, если степень закорачивания воздушного потока будет регулироваться автоматически в зависимости от фактического процентного содержания метана.

Для решения этой задачи на базе микроконтроллера ATmega16 производства фирмы «Atmel» разработано устройство автоматического разгазирования, предусматривающее совместную работу с аппаратурой АКТВ и «Метан».

Cтруктурная схема системы автоматизации с учетом вышесказанного представлена на рис. 5.

Рисунок 5 – Структурная схема процесса автоматического разгазирования

На схеме приняты следующие обозначения: ДМ1-3 – датчики метана; МК – микроконтроллер; ИР_рез – исполнительные реле резервного ВМП; ПВ_рез – пускатель резервного ВМП; ПВ_доп – дополнительный пускатель; КВ – концевые выключатели; БК – блок-контакты резервного ПВ; RS485 – интерфейс для обеспечения связи с диспетчером Д.

Реализация функции разгазирования, исходя из всего выше перечисленного, осуществляется программно по приведенному на рис. 6 алгоритму.

Рисунок 6 – Алгоритм работы разгазирующего устройства совместно с аппаратурой АКТВ

Датчики метана, находящиеся в тупиковой выработке и рассчитанные на пороговую концентрацию 2%, 1% и 0,5%, постоянно опрашиваются микроконтроллером. Величина их аналогового выходного сигнала отображает реальную концентрацию метана в тупиковой выработке. Как только первый из датчиков (Х_2%) зафиксировал превышение концентрации метана в атмосфере, микроконтроллером запускается фрагмент программы на разгазирование выработки в соответствии с приведенным алгоритмом. Если превышение зафиксировано только одним датчиком, то включается двигатель, который вращая трос на барабане поворачивает клапан на определенный угол до момента срабатывания концевого выключателя (КВ_1), расположенного возле барабана. После этого формируется команда на включение резервного ВМП, что осуществляется по следующей цепочке: сигнал на включение ВМП (F1) – ждущий мультивибратор – усилитель сигнала – тиристор, находящийся в цепи промежуточного реле и обеспечивающий автоматическое включение резервного ВМП (что аналогично нажатию кнопки «Пуск 2»). В зависимости от того замкнуты блокировочные контакты или разомкнуты, в микроконтроллер поступает сигнал, определяющий состояние резервного ВМП: включен или выключен (Х_БК).

Далее программно, в соответствии с выражением (6) определяется оптимальное время разгазирования t_p. После этого производится дальнейший опрос датчика и, если концентрация метана пришла в норму, включается приводной двигатель, который вращаясь в обратном направлении поднимает клапан вплоть до полного его закрытия, что фиксируется по срабатыванию концевого выключателя (КВ_0).

В случае дальнейшего повышения концентрации метана по сигналам от двух других датчиков, имеющих различные пороги срабатывания, алгоритм процесса разгазирования повторяется с той только разницей, что в зависимости от того сигнал от какого датчика поступил, клапан разгазирующего устройства будет открыт на угол, соответствующий той или иной интенсивности разгазирования.

Для повышения надежности питание микроконтроллера осуществляется от энергонезависимого источника тока.

На основе анализа существующих решений и методов построения систем автоматизации проветривания тупиковых выработок разработана аппаратура автоматизации процесса разгазирования на базе аппаратуры АКТВ с использованием микропроцессорного устройства, выполняющего функции, отсутствующие в аппаратуре АКТВ. Разработанная аппаратура автоматизации процесса разгазирования позволяет, используя непрерывный контроль за содержанием метана производить своевременное и безопасное автоматическое разгазирование тупиковой выработки без участия человека. Таким образом, реализация устройства на базе МК создает предпосылки для дальнейшей реализации других необходимых функций аппаратуры автоматизации ВМП, что позволяет повысить научно- технический уровень автоматизации данного объекта.

1. Автоматизированные системы и средства управления производственными процессами в угольной промышленности. Труды института, выпуск XIII. М., 1973.

2. Местер И. М. и др. Надежность проветривания подготовительных забоев. "Безопасность труда в промышленности", 1971, № 1.

3. Збірник інструкцій до правил безпеки у вугільних шахтах. Київ, 2003.

4. Батицкий В.А., Лупоедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности.- М.: Недра, 1991-303с.

5. Гаврилов П.Д., Гимельштейн Л.Я., Медведев А.С. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985 - 215с.

6. Автоматизация процессов подземных горных работ под ред. проф. А.А. Иванова, - Донецк: Главное изд-во, 1987- 328с.