Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Разработка и исследование системы автоматического управления процессом проветривания тупиковых выработок шахты

Введение

В силу ограниченного пространства и большой глубины в подземных горных выработках имеют место тяжелые условия работы горнорабочих. Это приводит к ухудшению производительности труда, здоровья рабочих, повышению риска травм и аварий, а также ограничивает возможности проведения производственных процессов.

Поэтому, одним из важнейших звеньев сложной технологической системы шахты, является процесс вентиляции шахтных выработок, целью которого является поддержание нормальной атмосферы в шахте – обеспечение необходимого притока свежего воздуха, обеспечение допустимых концентрация метана в шахтной атмосфере.

Основной задачей вентиляции тупиковых выработок является подача в забой достаточного количества воздуха, обеспечивающего скорость его движения, достаточную для эффективного проветривания как призабойной части, так и всей выработки в целом.

Применяющиеся в настоящее время средства контроля и управления процессом проветривания не всегда обеспечивают надежную и эффективную защиту, таким образом, разработка системы автоматизации  вентиляционной установки с новым устройством автоматического проветривания подготовительной выработки является актуальной темой.

1 Актуальность темы

Задача автоматизации проветривания шахт сводится к подаче и распределению по выработкам такого количества воздуха, при котором обеспечивается заданная производительность забоев, соблюдаются требования правил безопасности и санитарно-гигиенических норм и поддерживаются оптимальные режимы вентиляторных установок.

Особенности подземной технологии выемки полезных ископаемых выдвигают эту задачу в ряд наиболее сложных проблем горного дела.

Трудности ее решения обусловлены следующими основными причинами:

а) значительной изменчивостью топологии и параметров вентиляционных сетей шахт, а также общей взаимозависимостью процессов регулирования расхода воздуха по выработкам;

б) сложностью и даже противоречивостью динамических связей между входным воздействием – количеством воздуха, поступающего в забой, и множеством выходных параметров этого объекта, подлежащих регулированию, – концентраций метана, углекислого газа, пыли и т.д.;

в) стохатическим характером аэрогазовых процессов и наличием выбросов в случайных функциях регулируемых параметров;

г) большой рассредоточенностью и значительным количеством датчиков, используемых для контроля параметров рудничной атмосферы, которые перемещаются вслед за забоями, что затрудняет получение достоверной и полной информации;

д) сложностью построения системы автоматического управления вентиляторными при обеспечении заданных высоких норм их надежности.

2 Цель и задачи исследования

Основной задачей проектирования является повышение эффективности проветривания подготовительной выработки путем разработки системы автоматизации  вентиляционной установки с устройством автоматического разгазирования подготовительной выработки. Под эффективностью проветривания подготовительной выработки шахты имеется в виду своевременное обеспечение подземных рабочих воздухом в достаточном количестве и обеспечение высокой продуктивности проходческих машин в безопасных условиях, что достигается стабилизацией газовой доли метана в рудничном воздухе на безопасном уровне. 

Требования к системе автоматизации вентиляционной установки процесса проветривания подготовительной выработки шахты следующие:

  1. Местное, дистанционное и автоматизированное управление вентилятором местного проветривания в соответствии с алгоритмом работы установки в шахтных условиях;  
  2. Автоматическое регулирование подачи вентилятора местного проветривания соответственным способом для принятого типа вентилятора;
  3. Автоматическое разгазирование горной выработки при ее загазировании;
  4. Автоматический контроль и регистрация основных параметров рудничной атмосферы в подготовительной выработке;
  5. Автоматическое защитное отключение вентилятора местного проветривания при нарушении режимов его работы, при нарушении работы аппаратуры автоматизации,  при авариях в системе электроснабжения установки и в других случаях, специфических для условий работы вентилятора местного проветривания в шахтных условиях;
  6. Автоматическая блокировка работы системы автоматизации при аварийных ситуациях;
  7. Автоматическая световая и звуковая сигнализация при возникновении аварийных ситуаций. Формирование предупредительных сообщений об аварийной ситуации проветривания и отказах в системе автоматизации;
  8. Осуществление передачи всех контролируемых параметров на персональный компьютер диспетчера, формирование базы данных;
  9. Осуществление визуализации состояния процесса проветривания и работы вентилятора местного проветривания;
  10. Все технические средства, которые входят в состав системы автоматизации вентилятора местного проветривания должны удовлетворять условиям искро и взрывозащиты.

3 Анализ вентиляционной установки технологического процесса проветривания подготовительной выработки шахты как объекта автоматизации

На газовых шахтах проветривание тупиковых выработок осуществляется нагнетательным способом проветривания при помощи вентиляционной установки, например, вентилятора типа ВМ-6М. Этот способ проветривания в газовых шахтах является обязательным и единым. Его преимущество заключается в том, что призабойное пространство проветривается струей свежего воздуха, который выходит из трубопровода с большой скоростью. Технологическая схема нагнетательного способа проветривания подготовительной выработки при помощи вентилятора ВМП приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема проветривания тупиковой выработки

Для предотвращения повторного всасывания при помощи ВМП воздух, который выходит из подготовительной выработки (режим рециркуляции) и предотвращение скопления в ней метана (загазирование) вентилятор ВМП устанавливают в выработке, которую проветривает главная вентиляционная установка ВГП, не ближе 10 метров от устья подготовительной выработки. При этом подача вентилятора ВМП не должна превышать 70 % расхода воздуха в выработке в месте его установки, что обеспечит подсвеживание выходного потока воздуха из подготовительной выработке по участку выработки между ВМП и устьем подготовительной выработки при средней скорости движения воздуха не менее 0,15 м/с.

Подача вентилятора ВМП рассчитывается в зависимости от протяженности выработки, прогнозного метановыделения, количества людей, которые работают в выработке, минимальной скорости воздуха в выработке, минимальной скорости воздуха в призабойном пространстве с учетом температуры, от количества газов, которые образуются при взрывных работах в забое выработке, от величины утечек воздуха с вентиляционного трубопровода. Поэтому при изменении указанных параметров необходимо соответственно регулировать подачу вентилятора ВМП.

4 Критический обзор и анализ существующих систем автоматизации вентиляторов местного проветривания

В настоящее время известна следующая аппаратура автоматизации вентиляционной установки для проветривания подготовительных выработок:

– аппаратура контроля проветривания тупиковых выработок типу АПТВ (разработка OOO Прокопьевского завода Электроаппарат, г. Прокопьевск, Кемеровская обл., Россия);

– аппаратура контролю проветривания тупиковых выработок типу АКТВ (разработка ВАТ Червоний металіст, м. Конотоп, Сумська обл.);

Аппаратура автоматического контроля проветривания тупиковых забоев АПТВ выполняет автоматический непрерывный контроль количества воздуха, поступающего в забой тупиковой выработки, по вентиляционным трубопроводам, проветриваемой вентиляторами местного проветривания (ВМП). Аппаратура может использоваться в шахтах опасных по газу и пыли, а также служит для автоматического защитного отключения электроэнергии при нарушении нормального режима проветривания.

Электрическая структурная схема АПТВ

Аппаратура контроля проветривания тупиковых выработок типа АКТВ  предназначена для автоматизированного местного и дистанционного управления вентиляторами местного проветривания ВМП, отключения электропитания при отклонении от заданного режима проветривания выработок, выдачи диспетчеру через систему телемеханики информации о проветривании подготовительной выработки. 

Рисунок 4.2 – Электрическая структурная схема АКТВ

5 Разработка устройства автоматического управления проветриванием тупиковой выработки

Для соблюдения всех поставленных требований будет целесообразно предложить следующую двухуровневую структуру системы автоматизации вентилятора местного проветривания технологического процесса проветривания подготовительной выработки шахты (см. рис. 5.1.).

На рисунке 5.1 обозначено: УУВМП – устройство управления вентиляторами местного проветривания; ПВИраб, ПВИрез – пускатели рабочего и резервного вентилятора; ДМ1,ДМ2 – датчики метана в забое и устье подготовительной выработки; ДСВ – датчик скорости потока воздуха.

Схема реализована на основе двух уровней управления. Верхний уровень (операторский) представлен промышленной рабочей станцией. Это уровень управления вентилятором местного проветривания. Данный уровень выполняет следующие функции: пуск и остановка рабочего и резервного ВМП; разгазирование подготовительной выработки; архивирование данных.

Промышленная рабочая станция (ПРС) – индивидуальный комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации профессионального труда специалиста и обеспечивающий подготовку, редактирование, поиск и выдачу на экран и печать необходимых ему документов и данных. Автоматизированное рабочее место обеспечивает оператора всеми средствами, необходимыми для выполнения определенных функций.

Рисунок 5.1 – Структурная схема системы автоматизации технологического процесса проветривания подготовительной выработки шахты

На нижнем уровне расположены источники технологической информации – датчики метана для контроля содержания метана в воздухе, датчик скорости потока воздуха, а также исполнительные механизмы -  пускатели рабочего и резервного вентилятора.

Для реализации эффективной работы данной системы был разработан алгоритм управления, который представлен на рис.5.2.

Рисунок 5.2 – Блок-схема алгоритма автоматического управления проветриванием шахтной подготовительной выработки

На первом этапе управления, перед началом проветривания определяются значения уставок управления и задаются в соответствующих устройствах системы автоматического управления. При поступлении команды Пуск осуществляется пуск вентилятора ВМП. Включается вентилятор ВМП. При установлении нормального режима проветривания (Vтек.> Vуст., где Vтек. – текущая скорость воздуха в вентиляционном трубопроводе), формируется команда на отработку выдержки времени 5 – 20 мин. (задается задатчиком) на включение группового аппарата системы электроснабжения потребителей подготовительной выработки. После отработки заданной выдержки времени 5 – 20 мин., если режим проветривания нормальный, формируется разрешение на включение группового аппарата системы электроснабжения потребителей подготовительной выработки. Далее контролируется режим проветривания подготовительной выработки Vтек. > Vуст.

При нарушении проветривания (Vтек. <Vуст.) в течении времени более 30 – 120 с. (уставка задатчика) формируется команда на отключение группового аппарата системы электроснабжения потребителей подготовительной выработки. При выходе из строя или остановке рабочего вентилятора ВМП формируется команда на автоматическое включение в постоянную работу резервного вентилятора ВМП. При нормальном режиме работы вентилятора ВМП контролируются текущие значения концентрации метана в забое и устье выработки. При превышении установленных значений концентрации метана (выработка загазированная), формируется команда на отключение группового аппарата системы электроснабжения потребителей подготовительной выработки. Далее начинается разгазирование подготовительной выработки. После разгазирования выработки формируется разрешение на включение группового аппарата системы электроснабжения потребителей подготовительной выработки.

При поступлении команды стоп вентилятора ВМП, вентилятор останавливается.

При всех режимах проветривания должна формироваться информация о работе вентилятора ВМП, состояния проветривания подготовительной выработки, концентрации метана, о возможности подачи напряжения на токоприемники подготовительной выработки, о наличии напряжения в резервной сети электроснабжения.

Выводы

Был проанализирован технологический процесс проветривания тупиковой выработки как объекта автоматизации и сформированы требования к системе управления. Для её безаварийной работы требуется постоянный контроль таких параметров, как концентрация метана и скорость потока воздуха. В результате была разработана компьютерно-интегрированная микропроцессорная система управления процессом проветривания тупиковой выработки. Её алгоритм позволяет производить автоматический непрерывный контроль количества воздуха, поступающего к забою тупиковой выработки, и автоматически отключать электроэнергию при нарушении нормального режима проветривания с выполнением разгазирования выработки при необходимости.

Список использованной литературы

  1. Братченко, Б.Ф. Стационарные установки шахт/ Под общей ред. Б.Ф.Братченко. –М.: Недра, 1977. – 440с.
  2. Бабак, Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания/ К.П. Бочаров, А.Т. Волохов. –М.:Недра,1982. – 295с.
  3. Богопольский, Б.Х. Автоматизация шахтных вентиляторных установок/ М.А. Левин, и др. Изд. 2–е, перераб. и доп. М.: Недра, 1976. – 232с.
  4. Волотковский, С.А Электрификация стационарных установок шахт/ С.А Волотковский, Д.К. Крюков., Разумный Ю.Т. Справочное пособие/ Под.общей ред. Г.Г. Пивняка –М.: Недра,1990 – 390с.
  5. Батицкий, В.А. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности: учебник [для студентов вузов]./ Батицкий В.А., Куроедов В.И. Рыжков А.А. –М.: Недра, 1991. – 303с.
  6. Пучков, Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием/ Л.А. Пучков, Л.А. Бахвалов – М.: Радио и связь,1992. – 228.
  7. Бедняк, Г.И. Автоматизация производства на угольных шахтах/ Г.И. Бедняк, В.А., Ульшин, В.П. Довженко и др. – К.: Техника, 1989. – 272с.
  8. Толпежников, Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников/ Л. И. Толпежников. – Москва: Недра, 1985. – 352 с.