СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ (САУПШ)

------------------------------------ © Н.Н. Петров, С.А. Зырянов,
2009
УДК 622.4
Н.Н. Петров, С.А. Зырянов
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ШАХТ (САУПШ)
Рассмотрены причины взрывов и простоев в шахтах, а также способы их устранения. Рассмотрен состав и работа САУПШ на примере шахты "Костромов-ская ".
Ключевые слова: метан, шахты, АСУ проветриванием, аэрогазовый контроль.
Яизкая оперативность управления проветриванием при отработке пластов с высокой исходной газоносностью без предварительной дегазации горных выработок, а также использование нерегулируемых, неадаптивных и плохо реверсируемых главных вентиляторов являются основными причинами загазований и взрывов метана в шахтах. Поэтому основным направлением в решении указанной проблемы является создание системы автоматического управления проветривания шахт (САУПШ) [1] в условиях предварительной дегазации угольных пластов до 7-9 м3/т.
Опыт эксплуатации систем автоматизированного управления проветриванием шахт ведущих угледобывающих стран (США, Австралии и др.) показывает, что их применение обеспечивает значительный экономический и социальный эффект за счет: снижения простоев очистных и подготовительных забоев из-за превышения допустимых концентрации метана; сокращения энергозатрат на проветривание в течение смены и особенно в межсменный промежуток и в выходные дни; нормализации шахтной атмосферы по метану и повышение безопасности ведения горных работ.
Исследованиями ряда авторов [2, 3, 4] показано, что метаносо-держание на исходящих струях лавы или участка носит сложный характер и зависит не только от количества подаваемого воздуха, но и от скорости изменения интенсивности проветривания. При этом математическая модель метаносодержания в исходящей струе имеет вид:
с (,) = + А°Ш., (1)
Я (I) ЛЯ / <*г
где q, q0 - стационарная и динамическая компоненты метановыде-ления, % СН4-м3/с, Q - количество подаваемого для проветривания воздуха, м3/с.
Экспериментально на ряде шахт было доказано, что при наложении ограничений на скорость изменения количества подаваемого воздуха в виде выражения (2) вторая составляющая правой части модели метаносодержания (1), обуславливающая "всплеск", обращается в ноль, поэтому метаносодержание на исходящей струе становится обратно пропорциональным количеству подаваемого воздуха.
а б ^ 0.25 • б,
тг - ~-----------------, (2)
и l I В С П
где QV - установившееся значение расхода воздуха до начала регулирования, tBcn - длительность существования "всплеска" при резком изменении расхода воздуха, с.
В этой связи по записи фактического метаносодержания, например, какой-либо лавы можно рассчитать функцию Q(t) требуемого расхода воздуха, при которой метаносодержание на исходящей струе будет постоянным, например, C (t) = Const = 1,0%.
На рис. 1, 2 приведены данные концентрации метана в исходящей струе лавы №2 шахты «Ульяновская» в течение 2-х суток перед взрывом в марте 2007 г., откуда следует, что зага-зования (помечены *) обуславливаются увеличением производительности комбайна (отрезки времени "а", "б" и "в" на рис. 2) при постоянной подаче свежего воздуха. Если бы мы выполняли регулирование по модели (1) (см. рис. 2), то удержали бы концентрацию метана на допустимом, безопасном уровне (2 на рис. 1), при этом для регулирования производительности в указанных пределах система управления должна содержать средства перераспределения воздуха за счет управляемых вентиляционных дверей и подсистему регулирования производительности главных вентиляторов.
Рассмотрим состав и работу САУПШ на примере шахты «Ко-стромовская».
Рис. 1. Колебание концентрации метана в исходящей струе лавы на примере шахты «Ульяновская»: 1 - в ремонто-добычные смены, 2 - допустимая концентрация метана на уровне 1%, *- загазования
100
90
ВО
70
60
50
40
30
20
10
0
і
і т 4
і 1
1 1 Л|| л 1 -
к 1 1 і ;; і. 1
••1 N 1. А 1 , \ і ,1
*ч *** :'* 1
1
а „ б. е

О с о с с э с о с о с с с с с с с с с с с с с с с о с о с с с 1
ГГГГГ^^Н Т-Т-
18.03.2007 г. Время 19.03.2007 г. 14:12
Взрыв
метана
Рис. 2. Расчетное количество воздуха для стабилизации метаносодержания на уровне 1% в исходящей струе лавы (I - ремонтно - добычная смена, «а», «б» и «в» - время экстренных возрастаний метаносодержания)
Поле шахты вскрыто тремя наклонными стволами: путевым, конвейерным и вентиляционным (рис. 3). К моменту освоения шахтной проектной мощности в работе будет один очистной забой (лава 19-01) и 5-7 подготовительных забоев. Шахта оборудована подсистемой АГК-АГЗ с аппаратурой «Микон - 1Р» и главной вентиляторной установкой с двумя реверсивными и регулируемыми на ходу поворотом лопаток рабочего колеса осевыми вентиляторами типа ВО-24К, а также вентиляторами местного проветривания с устройством разгазирования (2ВМЭ-6, 2ВМЭ-8), которые в будущем планируется заменить на регулируемые на ходу вентиляторы В0-10Э и ВО-08Э, которые смогут работать на проветривание подготовительных выработок в режиме автоматического регулирования производительности без загазования и аварийной рециркуляции воздуха в подготовительных забоях.
Система САУПШ будет состоять из подсистемы диспетчерского управления и газовой защиты (АГК-АГЗ), например, «Микон - 1Р», подсистемы автоматического регулирования подачи воздуха и контроля вентиляторной установкой главного проветривания (САУК ВГП 2ВО-24К), локальных подсистем автоматики (ЛСА) управления воздухораспределением в шахте, действующих посредством регулируемых вентиляционных дверей, а также подсистем автоматизации управления проветриванием подготовительных забоев (САУ ВМП).
Система аэрогазового контроля и защиты АГК-АГЗ используется для поддержания безопасного аэрогазового режима в горных выработках. Она обеспечивает непрерывное слежение за параметрами рудничной атмосферы (концентрация газов, скорость движения воздуха, температура, давление, влажность) в целях текущего (оперативного) обнаружения природных и техногенных опасностей.
Система управления проветриванием должна обеспечивать подачу управляющих команд на механизмы (устройства), осуществляющие нормализацию выявленных опасных проявлений, либо в аварийной ситуации - блокировку производственной деятельности на контролируемом участке. За работой системы будет вести наблюдение инженер - оператор, например, подсистемы АГК-АГЗ. Он будет оценивать сообщения системы автоматического управления, при необходимости докладывать горному диспетчеру обо всех случаях загазования горных
Вентиляционные замеры
Установить
требуемые
воздушные потоки.

скорость и
концентрацию газа
Установить базовую основу сети
Моделирование' • *
Запрогнознрованное распредление воздушных потоков, давления, концентрации газа, стоимость эксплуатации
довлетворн ные вентиляционные рактерист
да
Внести поправки
в базовую основу сети
Действия по планированию
Усовершенствовать сеть
^-''Тазмеры вентвырабого**^. нет Оптимшнрвоать главные вентиляторы
вентиляционные выработки
^ч‘"ч-^оптнмнзирсваіт^^^
1 да
Если требуется, пройти через Перейти к
климатическое моделирование следующей фазе
Рис. 4. Блок-схема анализа вентиляционной сети
выработок и снижения количества подаваемого по ним воздуха, а также об остановках вентиляторов и газоотсасывающих установок.
САУПШ непрерывно получает от системы АГК-АГЗ информацию по метаносодержанию в исходящих струях лавы, подготовительных забоев и т.д., в автоматическом режиме анализирует (рис.4) и в соответствии с заложенным алгоритмом выдает управляющие воздействия на подсистемы ЛСА вентиляционной двери, на САУ ВМП и САУК ВГП. В результате, по заданным уставкам САУПШ стабилизирует содержание метана в исходящих струях на заданном безопасном уровне, например, 1%. На рис. 5 приведена блок-схема алгоритмов управления воздухораспределением в шахте.
Состав системы управления
/ - Подсистема автоматического управления и контроля венпиляторами главного проветривания (СА УК ВГП)
2 - Подсистема аэрогазовою кот-роля - аэрогазовой защит (АГК-АГЗ)
3 - Локальная подсистема автоматики (ЛСА)
4 - Подсистема автоматического управления вентиляторами местного проветривания (САУ ВМП)
5 - Программное обеспечение
Это приостановит загазованая, простои забоев и взрывы метана в шахтах
Колебание концентрации метана в исходящей струе лавы на примере ш. « Ульяновская ».
1 - в ремонтнодобычные смены,
2 - допустимая концентрация метана на уровне 1%.
>|< -загазования
Требуемое количество воздуха для * стабилизации метаносодержания | “ на уровне 1% в исходящей струе Ц лавы, где I - ремонтно -добычная § «Р смена, "а", "б", "в"-время экстренных возрастаний метаносодержания
Рис. 5
САУПШ является человеко-машинной системой, работающей на основе информации от подсистемы АГК-АГЗ под управлением и контролем диспетчера АГК-АГЗ, а также диспетчера шахты. Заложенные в микроконтроллер автоматические алгоритмы, в случае изменения параметров вентиляционной сети, могут самостоятельно корректироваться или выдавать оператору рекомендации по управлению системой, а также позволят снизить на 35-40% энергопотребление и обеспечат надежную стабилизацию метаносодержания в исходящих струях забоев, участков и т.п.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Временное руководство по эксплуатации подсистемы диспетчерского контроля и управления проветриванием (АТМОС) АСУТП шахты. - М.: Минуг-лепром СССР, 1980.
2. Местер И.М., Засухин И.Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. - М.: Недра, 1974.
3. Святный В.А., Лазебик Р.М., Губенко Л.А., Передаточная функция выемочного участка как звена системы управления воздухораспределением. - В кн.: Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями. Сборник научных трудов, Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1977, с. 51-59.
4. Бахвалов Л.А., Пучков Л.А., Кушнаренко М.В. Принципы построения микропроцессорных систем автоматического управления проветриванием угольных шахт // Изв.ВУЗов. Горный журнал. 1988. - №9. ЕШ
N.N. Petrov, S.A. Zyryanov
SYSTEM OF AUTOMATED MANAGEMENT OF METHANE-RICH MINES VENTILATION (SAMMV)
At this paper the reasons of explosion and idle time at the mines and methods of theirs removals are discussed. Composition and functioning of systems of automated management of mine ventilation by the example of mine "Kostromovskaya" are discussed.
Key words: methane, mines, ASU airing, the aerogas control.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Петров Нестер Никитович - доктор технических наук; профессор; главный научный сотрудник; E-mail: aeroturbo@academ.org Зырянов Сергей Александрович - аспирант лаборатории рудничной аэродинамики; E-mail: segio@ngs.ru
Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук.