Автореферат магистерской работы
Тема магистерской работы: Исследование и разработка автоматизированной системы
контроля состояния рудничной атмосферы в шахтных выработках
Содержание
- Обоснование и актуальность темы
- Обзор состояния вопроса на сегодняшний день
- Перечень нерешенных вопросов, цели и научная новизна
- Методика выполнения исследований
- Результаты исследований
- Практическая значимость
- Выводы
- Литература
Обоснование и актуальность темы
Задача автоматизации технологического процесса проветривания шахт
сводится к подаче и распределению по выработкам такого количества воздуха,
при котором обеспечивается заданная производительность забоев, соблюдаются
требования Правил безопасности и поддерживаются оптимальные режимы работы
вентиляторных установок. С ростом глубины разработки увеличивается газообильность
выработок, температура пластов и вмещающих пород, а также частота и интенсивность
газодинамических проявлений. В таких условиях особое значение приобретают вопросы
комплексного оснащения шахт непрерывно действующими средствами автоматического
контроля состава и параметров рудничной атмосферы . Только при наличии этих средств
можно организовать эффективную работу систем вентиляции, дегазации и кондиционирования
воздуха, от которых зависит безопасность и санитарно - гигиенические условия труда
шахтеров.
К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом
накоплен значительный опыт разработки и эксплуатации приборов и
аппаратуры автоматического контроля состава и параметров рудничной атмосферы.
Наибольшие успехи достигнуты в решении вопросов автоматического контроля метана.
Однако установлено, что в условиях шахт разрабатывающих пласты
опасные по внезапным газодинамическим явлениям , применение приборов и
аппаратуры автоматического контроля метана, осуществляющих только оценку
концентрации, недостаточно эффективно для своевременного предупреждения взрыва
и удушья горнорабочих.
Необходимой эффективности работы аппаратуры газового контроля
( АГК) можно достичь при дополнительном контроле скорости нарастания
и распространения концентрации метана в горной выработке или других
информационных признаков, свойственных опасным газодинамическим явлениям.
Как показали результаты поиска информации по данной тематике
в Internet, в настоящее время большое значения придается комплексному
контролю параметров рудничной атмосферы.
Таким образом, разработка автоматизированной системы контроля метана
для шахт разрабатывающих пласты опасные по внезапным газодинамическим явлениям
является актуальной задачей. Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
- получить зависимости изменения концентрации метана в выработке шахты;
- исследовать передлаточную функцию термокаталитического датчика метана
( коэффициэнт передачи и постоянную времени от изменяющихся параметров датчика );
- изыскать пути снижения статической и динамической погрешностей
термокаталитических преобразователей концентрации метана ;
- обосновать наиболее целесообразные способы измерения скорости нарастания
и распространения концентрации метана ;
- на основании выполненных исследований наметить пути улучшения существующий
аппаратуры газового контроля ( АГК).
Обзор состояния вопроса на сегодняшний день
В настоящее время в Украине применяются устройства, которые частично
позволяют контролировать состояние шахтной атмосферы и оборудования. Так,
для контроля аэрогазовой обстановки на шахтах применяется стационарная аппаратура
централизованной системой газовой защиты "Метан" с выдачей информации на поверхность
с помощью сигналов ТИ (стойки СПИ), для контроля скорости и направления движения
воздуха наиболее широко применяется аппаратура ИСНВ. Кроме того, для контроля и
управления проветриванием в тупиковых выработках применяется аппаратура контроля
работы ВМП - АПТВ. Данная аппаратура позволяет телемеханически управлять ВМП и
групповыми аппаратами с помощью устройства телеуправления и телесигнализации
"Ветер- 1М".
Типовое размещение АГК при проветривании тупиковой выработки приведена на рис.1.
В этом случае для обеспечения непрерывного контроля содержания метана необходимо четыре
датчика метана : Д1 – устанавливается у забоя, Д2 – около подстанции , Д3 – на исходящей
вентиляционной струи , Д4 – у вентилятора местного провертривания.
Рисунок 1 - Схема размещения АГК в тупиковой выработке
Специфика газовыделения в условиях взрывоопасных шахт требует принципиального нового
подхода к вопросам метанометрии. В частности, особенно остро встает вопрос выявления
газодинамических явлений в начальной стадии их развития. Это необходимо, как указывалось,
для опережающего отключения электроэнергии (к - отторжению горной массы и образованию ПДС
метана ) и предупреждения горняков об удушье, что приближается.
С переводом шахт и рудников на более глубокие горизонты в разных странах мира
при отработке полезных ископаемых выросло число катастрофических выбросов, что иногда
сопровождаются большими человеческими жертвами, длительными остановками и закрытием
добывающих участков. Поэтому борьба с газодинамическими явлениями, которые происходят
в угольных шахтах при отработке взрывоопасных слоев, одна из актуальных задач.
Как известно, внезапные выбросы сопровождаются выносом (как правило, в значительном
количестве) угля и газа в выработку. При этом содержание метана в месте выброса за
относительно короткий промежуток времени может достигать 100 %. вплоть до исходящей
струи шахты и сохраняется достаточно длительное время (до 7 часов). Скорость
распространения фронта нарастания содержания метана более 5 %/с. Можно допустить,
что в ряде случаев содержание метана растет еще быстрее. Описаны случаи, когда
метановыделение при выбросах было настолько интенсивным, что приводило к опрокидыванию
вентиляционной струи. Скорость угля, что летит, при выбросах может достигать 20 м/с,
в связи с чем становится очень вероятным повреждение электрооборудование и кабельной
сети, что при образовании взрывоопасного содержания метана могут появиться источники
воспламенения.
Для получения выходных данных с целью разработки БАГК в МАКНИИ прошлому
проведенные исследование из изучения закономерности изменения содержания метана при
сотрясательних взрывах.
Установлено, что при выбросах, что вызванные сотрясательним взрывом,
в начале решения газодинамического явления ( в интервале времени t =0,25с)
изменение содержания метану в призабойной части выработки описывается параболической
зависимостью вида
(1.1)
с коэффициентом вероятной связи , а при сотрясательных взрывах,
которые не вызывали выбросы, зависимость содержания метана от времени имеет вид прямой
(1.2)
В этой же работе с коэффициентом доверия ? =0,95 определен верхнюю
доверительную границу динамики содержания метана при выбросе, что имеет следующий вид
(1.3)
где 
- множитель, что зависит от времени, величины
которого приведенная в работе.
На рис.2. приведенные регрессивные кривые изменения содержания метана,
соответственно при сотрясательных взрывах, которые сопровождались выбросами І,
и не вызывали выбросы 3, а также верхняя доверительная граница динамики содержания метана
(кривая 2) при выбросах.
Из этих графиков выплывает, что предельно допустимое содержание метана 2 % в
призабойной части соответственно регрессивной кривой 2 может появиться приблизительно
через 6с, а согласно кривой 2 верхней доверительной границы - приблизительно через 0,8с
с момента начала решения газодинамического явления. Исходя из скорости нарастания
содержания метана начальному участку кривой 2 (начальной скорости), равной 0,5%/с),
что допускается динамической погрешностью срабатывания 0,4 %, время срабатывания при
данной скорости для быстродействующей АГК составило - 0,8с.
Рисунок 2.- Регрессивные кривые изменения содержания метана (n1 -
при сотрясательных взрывах, которые сопровождались выбросами; n2 - верхняя
доверительная граница динамики содержания метана при выбросах; n3 - при сотрясательных
взрывах, которые не вызывали выброс
Анализатор метана термокаталитический быстродействующий
(АТБ) является составной частью системы диспетчерского управления
проветриванием и предназначен для непрерывного централизованного телеавтоматического
контроля объемной доли метана, а также скорости ее нарастания в горных выработках шахт.
Однако данная аппаратура имеет недостаточные статические и динамические
характеристики ограничивающие её возможности.
Перечень нерешенных вопросов, цели и научная новизна
На данный момент существует два принципа построения систем по управлению
аэрогазовым режимом шахты. Первый, наиболее распространенный в данное время,
принцип заключается в глобальном контроле концентрации метана в горных выработках
и при ее превышении - в оперативном отключении электроэнергии на данном участке.
После этого производятся разгазирование с последующей подачей напряжения.
Этот принцип с точки зрения сложности применяемых технических средств хотя
и является наиболее простым, но вызывает необходимость простоев добычного
оборудования, что влечет за собой большие материальные убытки. На этом принципе
построена система централизованной газовой защиты "Метан", широко применяемая на
шахтах. Второй принцип заключается в глобальном контроле двух параметров:
концентрации метана и скорости воздухах. На основании полученных данных
производится анализ и формируются управляющие воздействия на ВГП или (и) РРВ.
Результатом такого регулирования должно стать снижение концентрации метана на
данном участке. Последний принцип построения является наиболее перспективным,
поскольку не требует отключения электроэнергии, т. е. исключаются вынужденные
простои оборудования.
Однако как первый так и второй принцип требует своевременной информации
о содержании метана , поскольку существующая АГК имеет большую инерционность
что приводит к динамической погрешности снижающей эффективность работы.
Цель работы : разработка математической модели изменения концентрации метана в
выработке шахты при газодинамических проявлениях и способа оценки эффективности
работы АГЗ для создания оптимальной структуры АГЗ.
Идея работы : состоит в разработке способа количественной оценки
эффективности функционирования АГЗ , исследовании снижающих эффективность
факторов и в разработке способа обеспечивающего требуемую динамическую погрешность
при внезапном газодинамическом проявлении.
Научная новизна : проведенных исследований состоит в следующем :
- уточнена аналитическая зависимость динамики концентрации метана в тупиковой
выработке шахты;
- установлены закономерности процессов тепло- газообмена в термокаталитическом
датчике метана:
- обоснован оптимальный способ снижения динамической погрешности измерения
концентрации метана;
- разработана математическая модель оценки динамической погрешности различных
вариантов построения АГЗ;
- теоретически обоснован оптимальный алгоритм функционирования АГЗ.
Методика выполнения исследований
На отдельных этапах работы были применены:
- методы теории случайных процессов и теории автоматического управления -
при оценке эффективности работа АГЗ;
- методы теории массопереноса в турбулентном потоке - для исследования динамики
метана в выработке;
- методы теории цепей и тепло-массообмена - для описания динамических процессов
в термокаталитическом датчике метана.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Сигнал, пропорциональный концентрации метана, формируется на каталитически
активном элементе за счет повышения температуры на поверхности элемента в результате
горения метана и изменения сопротивления делали из платинового провода, который владеет
достаточно высоким значением температурного коэффициента сопротивления (TKС).
Таким образом, увеличение сопротивления платинового провода 
является мерилом
концентрации метана. Превращение в электрический сигнал осуществляется путем
подключения платиновой спирали в одно из плеч мостовой измерительной схемы.
Для компенсации измерения окружающей температуры, давления и других не измеряемых
параметров атмосферы в смежное плечо мостовой измерительной схемы подключается
компенсационный элемент, который по своим характеристикам и конструктивному выполнению
аналогичный каталитически активному элементу и отличается только отсутствием активного
покрытия, и метан на нем не окисляется.
Каталитически активный и компенсационный элементы, которые соответственно дальше
будут называться рабочий превращающий элемент (ТПЭ) и компенсационный ТПЭ, содержатся
в реакционную камеру и образуют датчик метана. Реакционная камера являет собой полость,
стенками которой служит газообменный фильтр, выполненный из пористой металлокерамики или
керамики (в большинстве ранних конструкциях в качествах газообменного фильтра
использовалась двойная металлическая сетка).
Соединение газообменного фильтра с другими элементами конструкции камеры
осуществляется с соблюдением требований Правил изготовления взрывозащищенного
электрооборудования, потому что газообменный фильтр служит не только для сообщения
ТПЭ с анализируемой средой, но и является средством взрывозащиты. Толщина стенок
газообменного фильтра , количество и размер пор выбираются из условия обеспечение
необходимой проницаемости, достаточно высокого гидравлического сопротивления и
удовлетворительная прочность фильтра .
С переходом на керамические и металлокерамические фильтры появилась возможность
при изготовлении фильтров формировать величину гидродинамического сопротивления
и выбирать ее значение, что удовлетворяет условиям газообмена через фильтр практически
только за счет молекулярной диффузии.
Рассмотрим взрывозащищенную реакционную камеру цилиндровой формы.
Для достаточно узких щелей, в которых зазор равняется толщине пограничного слоя,
при протекании газа через щель существенную роль будет играть вязкость.
Поэтому скорость течения газа будет намного меньше скорости потока, что натекает V0.
В этом случае оболочку можно считать непроницаемой.
Скорость воздуха в горных выработках должна быть не менее 0,25 и не более 6 м/с.
Как экспериментально установлен Визельсбергом , в этом интервале чисел Рейнольдса
коэффициент лобового сопротивления cw остается постоянным, близким к единице. Это
обстоятельство свидетельствует, что в рассмотренном случае характер роспределения
давления на поверхности цилиндра не меняется.
Непосредственные измерения Флаксбарта показали, что отношение разницы давлений на
поверхности цилиндра р и на бесконечности р0 к динамическому давлению
в интервале углов
близко к теоретическому, которое выходит в рамках теории идеальной жидкости.
Для других значений углов отмеченное отношение в широком интервале чисел
Рейнольдса оказалось негативным и почти постоянным. В частности, для Re = 1,85•105
оно близко к минус единицы.
Учитывая сказанное, зависимость давления на поверхности цилиндра от полярного угла
отсчитанного от направления вектора - v0, можно аппроксимировать следующим выражением:
(2.1)
Что же касается давления среды в оболочке р, будем считать его не зависимым от
Черезналичие динамического напора
оно отличается от статического давления из потока р0.
Причем его значение такое, что перепад давления 
имеет разные знаки на разных участках щели. На тех участках, где
положительно, МВД поступает в камеру, а там, где
негативно, - выплывает. В целом же полное давление в
камере не меняется, потоэму значение перепада давления
проинтегрированное по
, должно обратиться в нуль. Используя это условие, нетрудно получить следующее выражение
для
(2.2)
Из этой формулы нужно, что при 
значения перепада давлений положительно, поэтому в этом интервале углов будет
происходить заполнение камеры.
Найдем величину потока МВД, что поступает в камеру. В силу малости толщины камеры I,
в сравнении с радиусом основания цилиндра R, элемент зазору, образованный полярным
углом dц, можно считать плоским. В этом случае под действием перепада давления
скорость течения смеси в зазоре будет определяться выражением
(2.3)
Что касается потока частиц МВД через малый элемент Rdцdz, то вон равен
получим искомое выражение:
(2.4)
- эффективная скорость, из которой газ поступает в камеру. Думая в
, получим: и = 0,002 ... 0,048 м/с.
Таким образом, скорость течения МВД в зазоре по крайней мере
на два порядка меньше скорости газа, что натекает v0.
Перейдем теперь к выводу уравнения, что описывает изменение концентрации
взрывоопасного газа п в камере со временем t. Будем считать его концентрацию
окружающим среде постоянной и ровной v0. Тогда в единицу времени что убегает МВД
вносит в камеру n0Q/nc частиц метана, а выносит n0 /nc. Следовательно, общее изменение
количества из этого газа, связано с гидродинамическим движением:
(2.5)
Рассмотрим теперь процесс заполнения камеры, что обусловлен диффузией.
В соответствии с законом Фика, поток частиц метана через площадь поперечного
перереза 
равен
(2.6)
где D — коэффициент диффузии.
Диффузия молекул внутри камеры происходит значительно быстрее, чем в области щели.
Это обстоятельство позволяет считать, что падение концентрации газа происходит в
основном по длине зазора I, поэтому заменим в (2.6) dn/dp на (п — n0) /l. Ошибка,
которая допускается при этомд ля камер, обычно используемых на практике
не превышает нескольких процентов.
Составим обе части уравнений (2.5) и (2.6) и полученное равенство разделим на объем камеры V.
Учитывая, что d (Nv - Nn)/(Vdt) = dn/dt, получим уравнение
(2.7)
Полагая, что в начальный момент времени t0 концентрация взрывоопасного газа
равна nit проинтегрируем это уравнение. В результате получим
(2.8)
где
Т — постоянная времени заполнения камеры.
Рисунок 3-Конструкция термокаталитического датчика метана.
1 - рабочий элемент; 2 - сравнительный элемент; 3 - стойка крепления;
4 - перегородка (экран); 5 - керамический фильтр.
Рисунок 4- Продольное сечение реакционной камеры.
Оценим относительную роль гидродинамического и диффузионного механизмов заполнения камеры.
Параметром, что определяет взносы этих механизмов, есть величина y = Ul / 2D.
В тех случаях, когда y>>1, что доминирует будет гидродинамический механизм заполнения
камеры. Если же y <<1, то определяющую роль будет играть диффузия. И, наконец, при
y =1 взносы обоих механизмов будут равны.
Для характерных значений величин
построим зависимость
y и Т от u.
Рисунок 5- Зависимость постоянной времени от скорости внешней среды.
Таким образом изменение скорости воздушного потока в шахтной выработке
от 0,25 к 6 м/с приводит к изменению постоянной газообмена реакционной камеры от
Т= 0,8 с к Т = 0,4 с, что должно положительно сказаться на быстродействии аппаратуры
газового контроля.
C помощью превращений Лапласа имеем следующие изображения оригиналов переходных
функций, которые описывают тепловые и газовые переходные процессы в датчике метана (ДМ)
На основании опыта эксплуатации аппаратуры и по данным МАКНИИ нужно усовершенствовать
принципиальную схему быстродействующего блока за счет увеличения быстродействия.
Таким образом, новая аппаратура АГЗ хранит все функции апаратур АТ-3-1
(то есть обычный инерционный контроль концентрации метана) и дополнительно,
благодаря быстродействующих блоков, обеспечивает малоинерционный контроль концентрации,
а также скорости ее нарастания (из инерционностью датчика) и скорости перемещения по
выработке. При этом существенно повышается надежность газовой защиты.
Структурная схема изображена на рисунке 6.
Рисунок 6 -
Структурная схема аппаратуры АГЗ
Практическая ценность работы
В результате применения спроектированной автоматизированной системы контроля
содержания метана с улучшенными статическими и динамическими параметрами , а также
за щет контроля скорости нарастания и распространения концентрации метана увеличивается
эффективность работы и повышается безопасность применения электроэнергии на шахтах
разрабатывающих пласты опасные по внезапным газодинамическим проявлениям.
Выводы
На основании методов описанных выше и с использованием оптимального алгоритма
функционирования АГЗ решена задача повышения безопасности применения электроэнергии
на шахтах разрабатывающих пласты опасные по внезапным газодинамическим проявлениям.
Вверх
Литература
- Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах.-М.:Недра,1986.-448с.
- Акутин К. Г. Управление воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети.
- М.: Недра, 1977.-128с.
- Иванов Ю.А., Мусиенко В. А. Опыт внедрения аппаратно-программного комплекса
КАГИ на АП "Шахта имени А. Ф. Засядько" УДК 623.81-52
- Толпежников Л. И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников.-М.:
Недра,1985.-352с.
- Новиков Е.Н., Новикова К.Е. Повышение чувствительности и стабильности
термокаталитических датчиков метана при импульсном способе питания // Вісті
Донецького гірничого інституту . Донецьк, ДонДТУ, 2003 - с. 26-28.
-
Новикова К.Е. Исследование нагрева чувствительных элементов
термокаталитических датчиков метана // 3 международная научно-техническая
конференция аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов.
Поиск молодых".-Донецк 14-15 мая 2003г.
- Новиков Е.Н., Новикова К.Е. Анализ амплитудо- частотных характеристик
аппаратуры газового контроля // Наукові праці Донецького державного технічного
університету. Випуск 51. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк, ДонДТУ, 2002 -
с. 172-175.
- Карпов Е.Ф., Баренберг И.А., Басовский Б.И. Автоматическая газовая за-щита
и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984.- 221с.
- Бабак Г.А., Бочаров К.П., .Волохов А.Т. Шахтные вентиляторные установки
главного проветривания.-М.:Недра,1982.-295с.
- Богопольский Б.Х., Левин М.А., Бочаров К.П., Бакшин М.В. Автоматизация
шахтных вентиляторных установок /Изд. 2-е, перераб. И доп. М.: Недра, 1976.- 232с.
- Цой С.В. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт. -
Алма.Ата: Наука, 1975. - 235с.
-
Гавриленко Б.В., Новикова К.Е. Математическая модель распространения метана
в тупиковой выработке шахты // Наукові праці Донецького державного технічного
університету. Випуск 12. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк, ДонДТУ, 2006 -
с. 42-47.
- Мясников А.А., Казаков С.П. Проветривание подготовительных выработок. М.,
Надра,1983.-631с.
- Пигида Г.Л. Элементы теории автоматической газовой защиты очистных участков
угольных шахт, М., Недра, 1985, - 189с .