Аннотация
Виконано моделювання режиму автоматичної подачі азоту при гасінні підземної пожежі комбінованим
способом. Вибрано параметри ПІД-регуляторів, які забезпечують стійкість системи управління тиском азоту між
перемичками при зміні параметрів в зоні горіння.
Выполнено моделирование режима автоматической подачи азота при тушении подземного пожара
комбинированным способом. Выбраны параметры ПИД-регуляторов, которые обеспечивают устойчивость системы
управления давлением азота между перемычками при изменении параметров в зоне горения.
The design of the mode of automatic serve of nitrogen is executed at extinguishing of underground fire the combined
method. The parameters of PID-regulates, which provide stability of control system by pressure of nitrogen between bridges at
the change of parameters in the area of burning, are chosen.
Возникающие в труднодоступных местах угольных шахт подземные пожары невозможно потушить непосредственным воздействием огнетушащих веществ (вода, пены, аэрозоли, порошки и т. п.). Наиболее эффективным является способы изоляции и комбинированный, сочетающий изоляцию с воздействием газами-флегматизаторами горения (азот, диоксид углерода, парогазовая смесь). Однако и в случае применения такого тактического приема процесс тушения развившегося пожара может длиться несколько месяцев или лет. В процессе горения в подземных условиях угольных пластов и вмещающих их пород образуется значительное количество газообразных продуктов, таких как водород, оксид и диоксид углерода, оксиды серы, азота, фосфора и других элементов. Большинство из этих газов способствует возникновению парникового эффекта. Кроме того, они весьма токсичны, некоторые взрывчаты в смеси с воздухом. Все это определяет негативное влияние подземных пожаров на окружающую природную среду, и существенно ухудшают безопасность пруда горноспасателей и трудящихся шахты.
Одним из наиболее перспективных способов предупреждения, локализации и тушения пожаров в шахтах является регулируемая подача инертного газа в аварийную выработку и постепенное искусственное снижение концентрации кислорода в ее атмосфере. Флегматизация газовой среды в изолированном объеме помощью газообразного азота позволяет: сократить срок ликвидации аварии, предотвратить взрывы газовоздушной смеси на аварийном участке, ускорить охлаждение высокотемпературной зоны до безопасного уровня, сократить к минимуму или полностью прекратить процесс горения.
При ликвидации аварии азотно-компрессорная станция устанавливается на поверхности шахты и соединяется специально проложенным технологическим шахтным трубопроводом с аварийным участком. Подача азота осуществляется со стороны откаточного или вентиляционного горизонтов, через проемы в изолирующих перемычках, а также по буровым скважинам, пройденным с поверхности в изолированный пожарный участок. Наиболее эффективная инертизация изолированного объема горных выработок обеспечивается возведением в аварийной выработке дополнительной перемычки, и подачей азота в созданную перемычками камеру через ответвление от подающего азот трубопровода (рис. 1) [1].
Рис. 1 – Схема подачи азота к очагу горения с исключением утечек воздуха (а) и распределение давления газа (б) в выработке
Давление азота в трубопроводе достигает одного МПа и намного превышает воздушный напор на перемычку, составляющий несколько десятков даПа. После заполнения камеры азотом, его подачу через ответвление регулируют таким образом, чтобы выровнять давление в выработке со стороны поступающей свежей воздушной струи и между перемычками. Это исключает подсосы воздуха через возведенную перемычку в камеру. С другой стороны перепад давлений перераспределяется на участке выработки, разделенным дополнительной перемычкой по обе стороны которой находится азот. В изолированной таким образом выработке через возведенную дополнительную перемычку будет иметь место подсос исключительно азота, что повышает эффективность гашения подземного пожара.
Однако до настоящего времени производство, распределение и регулирование количества азота, поступающего в аварийную выработку, осуществляется в режиме ручного управления, что резко снижает эффективность ведения работ по ликвидации аварии и безопасность ведения аварийно-спасательных работ. Опыт ликвидации подземных аварий показывает, что необходимо автоматизировать процесс подачи азота в изолированный объем. С этой целью разработана структурная схема системы автоматической подачи инертного газа в аварийную выработку.
Работа предлагаемой системы сводится к следующему. В качестве основного источника информации используются электрические выходные сигналы от двух датчиков давления, которые установлены в горной выработке, со стороны поступающей свежей струи воздуха, и в камере, образованной перемычками. Отечественная промышленность такие устройства не производит.
Предлагаемые к использованию в системе датчики измерения физических параметров атмосферы ТНР-1 имеют взрывобезопасное исполнение, разработаны и выпускаются Центром Электрификации и Автоматизации в угледобывающей промышленности EMAG (Катовице, Польша) [2]. Кроме давления датчик позволяет продолжительное время с высокой точностью измерять температуру и влажность воздуха в шахтной атмосфере.
В блоке логики системы регулирования сравниваются фактические величины давлений в выработке со свежей струей воздуха и в камере. Если эти давления не равны, вырабатывается управляющий сигнал на принудительное открывание через исполнительный механизм задвижки, подающей азот в камеру через ответвление трубопровода. Содержание азота в камере увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство давлений в камере и в выработке со свежей струей воздуха. После этого система регулирования автоматически вырабатывает команду на закрытие задвижки и прекращение подачи азота в камеру. После стабилизации рабочего давления азота в камере дальнейшая работа системы регулирования подачи азота осуществляется в следящем режиме.
Количество азота в зоне горения или самонагревания регулируется по температуре и содержанию кислорода в шахтной атмосфере аварийной выработки. При повышении температуры или содержания кислорода в атмосфере аварийной выработки система регулирования увеличивает количество азота путем автоматического открывания задвижки на основном трубопроводе до тех пор, пока не наметится процесс снижения указанных выше параметров до заданных значений [3].
После этого системой вырабатывается команда на уменьшение подачи азота в аварийную выработку и снижения давления на мембранах газоразделительной станции. Передача управляющих сигналов на поверхность шахты для регулирования режимов работы газоразделительной станции в зависимости от состояния шахтной атмосферы осуществляется с использованием средств шахтной телемеханики или проводных линий телефонной связи шахты. На рисунке 2 приведена структурная схема моделирования подачи азота в аварийную выработку, а на рисунке 3 результаты моделирования.
Рис. 2 – Структурная схема моделирования подачи азота в аварийную выработку
В результате моделирования установлено, что выбранные параметры ПИД-регуляторов обеспечивают устойчивость системы управления давлением азота между перемычками при изменении параметров в зоне горения.
Обоснованная структура системы управления позволяет перейти к практической реализации системы автоматической подачи азота в зону подземного пожара.
Проведенные исследования показали, что автоматизация процесса подачи газа-флегматизатора в изолированный объем аварийных горных выработок позволяет существенно снизить негативное влияние подземных пожаров на окружающую природную среду, и обеспечить безопасность пруда горноспасателей и трудящихся шахты.
Рис. 3 – Результаты моделирования подачи азота в аварийную выработку
Результаты моделирования процесса флегматизации газовой среды в аварийной выработке с использованием датчика измерения физических параметров атмосферы типа ТНР-1 (производства Центра Электрификации и Автоматизации в угледобывающей промышленности EMAG) позволяют сделать заключение о технической возможности создания устройства с удовлетворяющим требованиям чувствительности и инерционности параметрами.
Библиографический список
1. Костенко В. К., Костенко Т. В. / Спосіб гасіння підземних пожеж // Пат. UA № 5775, Опубл. 15.03.2005, бюл. № 3.
2. Wasilewski S. Obserwacja cisnienia powietrza I potencjalu aerodynamicznego w kopalni / Mechanizacja i Automatyzacja Gornictwa. Katowice, “EMAG”, No. 3–4(387), 2003, – S. 7–19.
3. Статут ДВГРС по організації і веденню гірничорятувальних робіт. Київ, 1997. – 454 с.