Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКАРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КОНТРОЛЬ ПИЛОВИБУХОБЕЗПЕКИ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ ЗА ПОКАЗАННЯМИ ДАТЧИКІВ КОНЦЕНТРАЦІЇ ПИЛУ

Виконала:

Ткаченко Сергій Миколайович

Дніпропетровськ - 20031. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вибухи вугільного пилу становлять близько 25% від загальної кількості вибухів на вугільних шахтах України. За своєю потужністю та вагою наслідків вони значно перевищують більш часті вибухи та спалахи метану. За останні 10 років, незважаючи на комплекс заходів, спрямованих на зниження запиленості гірничих виробок, кількість великих аварій на вугільних підприємствах за участю вибухів пилу зросло. Як наслідок, рівень травматизму від вибухів значно перевищив відповідні показники в індустріально розвинутих країнах.

Небезпеку вибуху зумовлює вугільний пил, що відклався на поверхні підземої виробки. В осілому стані він вибухнути не може, але через різке збурення повітря, викликане, наприклад, відносно слабким вибухом метану, осіла пилова маса здіймається і створює вибухонебезпечну ситуацію. Таким чином, запобігти вибухам вугільного пилу можливо шляхом своєчасного проведення заходів, спрямованих на боротьбу з осілим пилом.

Розроблені та апробовані протипилові заходи здатні підвищити стан безпеки на вугільних підприємствах, але практична відсутність ефективного контролю пилового фактору у виробках призводить до несвоєчасності проведення та недостатньої обґрунтованості цих заходів. Таким чином, задача контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок є актуальною.

Застосування портативних вимірювачів для контролю пиловибухобезпеки не може бути достатньо ефективним, оскільки може проводитись лише періодично. Для постійного контролю необхідно застосовувати стаціонарну апаратуру. Зважаючи на існування стаціонарних датчиків пиловідкладення і запиленості повітря, а також розвиток ЕОМ і мікропроцесорної техніки, вирішення задачі контролю можливе шляхом розробки на їх базі системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок шахт (СКПГВ). Застосування вказаної системи дає можливість підвищити безпеку виробок за пиловим фактором, за рахунок безперервного контролю, оперативного прогнозуваняя стану пиловибухобезпеки гірничих виробок і своєчасного планування протипилових заходів. З іншого боку, СКПГВ дозволить знизити витрати на знепилення і більш повно використовувати еффект від проведення протипилових заходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до пункту 1 Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 2001-2005 р. (КМУ, від 10.10.01 № 1320): “Пріоритетні науково-технічні дослідження і розробки по охороні праці”. У роботі використані результати держбюджетних НДР, що виконувалися за участю автора, а саме: “Розробка теоретичних основ, методики й алгоритму контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок шахт за показаннями датчиків концентрації пилу” №ДР 0100U001813, 2000-2001 р., “Розробити методи і засоби контролю пилового навантаження гірників на підставі даних про вміст пилу в повітрі робочої зони гірничих виробок” №ДР 0102U003025, 2002 р.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт шляхом розробки системи контролю на базі датчиків запиленості повітря. Для досягнення мети досліджень поставлені і вирішені наступні задачі:

проведено аналіз стану питань контролю та боротьби з вибухами пилу на вугільних підприємствах, існуючих засобів контролю та обґрунтовано обраний напрямок досліджень;

досліджено поширення вугільного пилу з урахуванням здіймання пилу, що раніше відклався, та одержано модель розподілу концентрації пилу по довжині гірничої виробки;

розроблено та досліджено математичну модель інтенсивності відкладення вугільного пилу по довжині гірничої виробки, що враховує вторинне здіймання;

обґрунтувано кількісний критерій оцінки пиловибухобезпеки гірничих виробок, що враховує оперативну інформацію про пиловідкладання, властивості контрольованої виробки і присутнього у ній пилу, розроблено алгоритм його визначення для СКПГВ;

розроблено методи визначення кількості відкладеного пилу за показаннями датчика запиленості повітря, придатні для використання в основному алгоритмі - розрахунку критерію пиловибухобезпеки;

розроблено структуру, функціональні вузли й управляючі алгоритми СКПГВ.

Об'єктом досліджень є пиловибухобезпека гірничих виробок вугільних шахт.

Предметом досліджень є процеси поширення і відкладання вугільного пилу в гірничих виробках шахт. пиловибухобезпека гірнича виробка

Методи досліджень. Задачі, поставлені в роботі, обумовили застосування комплексного методу досліджень, що включає: аналіз існуючих засобів та систем, критеріїв оцінки безпеки виробок за вибухами пилу; математичного та фізичного моделювання при вивченні динаміки концентрації, відкладення і переходу пилу до звішеного стану та синтезу кількісного часового критерію пиловибухобезпеки; класичну теорію пилодинаміки при дослідженні процесів переходу пилу до звішеного стану, моделюванні концентрації та відкладання пилу з урахуванням вторинного здіймання; аналітичне дослідження отриманих математичних моделей за допомогою пакета Mathcad Professional і порівняння з даними, отриманими іншими дослідниками; експериментальна перевірка отриманих моделей у діючих вентиляційних штреках; експериментальні дослідження працездатності системи контролю в лабораторних умовах.

Ідея роботи полягає в тому, що контроль пиловибухобезпеки можливий шляхом розрахунку відкладення пилу з урахуванням його здіймання за показаннями датчиків запиленості повітря, встановлених на вихідних струменях з лав.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Наукові положення:

За умов невисокої інтенсивності первинного джерела пилоутворення та швидкості повітря більше 2 м/с, максимум концентрації витаючого пилу, на відміну від уявлень про його непорушність, внаслідок вторинного здіймання віддаляється за ходом повітряного струменя від спряження очистної виробки з вентиляційним штреком.

Явище вторинного здіймання обумовлює зміщення відкладень пилу по ходу повітряного струменя, що за умови слабкого середнього пилоутворення дозволяє рідше проводити знепилення ділянок виробок, які безпосередньо примикають до лави, але вимагає частішого, ніж зазначено в інструкціях до правил безпеки, знепилення більш віддалених.

Наукові результати:

Отримана математична модель динаміки концентрації пилу, що надходить від джерела, розподіленого по довжині виробки, яка відрізняється лінійно-експонеційним виглядом.

Отримана і досліджена математична модель зміни концентрації пилу у гірничій виробці, що відрізняється врахуванням як первинного його джерела, так і впливу пилу, що здійнявся з поверхні самої виробки.

Встановлені закономірності процесу пиловідкладання у вугільній виробці, які враховують непостійність дії первинного джерела відкладання пилу, здіймання пилу та вторинне відкладання.

Обґрунтований розрахунковий метод визначення стану пиловибухобезпеки за допомогою кількісного оціночного критерію та розроблено алгоритм його розрахунку, що є основним алгоритмом системи контролю пиловибухобезпеки; розроблено ряд обчислювальних методів, що забезпечують виконання основного алгоритму системи .

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та результатів підтверджується узгодженістю результатів математичного моделювання пилової динаміки з даними, приведеними іншими дослідниками, результатами експериментальних досліджень, проведених автором в умовах діючих гірничих виробок та лабораторних умовах із застосуванням атестованого обладнання (відхилення результатів не перевищило 15% з імовірністю 0,95), позитивними результатами дослідно-промислової перевірки елементів системи контролю пиловідкладання в шахтних умовах.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці алгоритмів контролю та прогнозування стану пиловибухобезпеки гірничих виробок, що включають планування протипилових заходів; удосконаленні методів визначення пиловідкладання за результатами контролю запиленості повітря; розробці системи контролю пиловибухобезпеки гірничої виробки; розробці алгоритмів управління, обміну, накопичення й обробки інформації засобами системи, що дозволяє проводити оперативний безперервний контроль пиловибухобезпеки у підземних виробках вугільних шахт і оптимально планувати протипилові заходи.

Запропонований метод визначення пиловідкладання за показаннями датчиків концентрації пилу із застосуванням розроблених методик і алгоритмів використаний при створенні діючого макета системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок “СКПГВ”. Технічною нарадою НДПКІ “Автоматвуглерудпром”, м. Конотоп, матеріали з розробки і дослідження “СКПГВ” і сам макет рекомендовані для подальшої дослідно-конструкторської розробки в НДПКІ “Автоматвуглерудпром” по завершенню якої зразки системи мають впроваджуватись на вугільних шахтах, небезпечних за газом і пилом, відповідно до Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 2001-2005 р.

Пропозиції, принципові рішення та алгоритми накопичення середніх значень пилу за тривалі проміжки часу (робочу зміну і добу), що розширюють можливості вимірника запиленості шахтної атмосфери “ВЗША”, серійне виробництво якого розпочато ВАТ “Червоний металіст”, м. Конотоп, будуть використані у перспективному зразку приладу.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно зроблений огляд стану питання пиловибухобезпеки підземних виробок вугільних шахт, сформульовані мета, ідея, задачі досліджень, наукові положення та їх новизна, висновки і рекомендації. Теоретичні та експериментальні дослідження виконані за безпосередньої участі здобувача.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві, складається в розробці й моделюванні рівнянь концентрації пилу, що здійнявся, й інтенсивності вторинного пиловідкладання [3], розробці функціональної схеми системи контролю пиловибухобезпеки, кількісного критерію пиловибухобезпеки, основного алгоритму системи контролю пиловибухобезпеки, моделі пиловідкладання по довжині гірничої виробки, рівняння для ідентифікації динаміки здіймання, рівняння середньої інтенсивності пиловідкладання на ділянці виробки [4], пропозиції інтегрувати показання концентрації пилу за великі проміжки часу за допомогою удосконаленого приладу ВЗША для оцінки пиловідкладання[5], розробці методу визначення максимуму концентрації пилу, що надходить на контрольовану ділянку виробки за допомогою ВЗША протягом великих проміжків часу [6].

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції, присвяченої 40-річчю кафедри автоматизації виробничих процесів НГАУ (Дніпропетровськ, 2001), на науковому симпозіумі “Тиждень гірника 2002”, ИПКОН РАН - МГУ (Москва, 2002), на науково-технічній конференції “Перспективи розвитку вугільної промисловості в ХХІ столітті” (Алчевск, 2002), на міжнародній науково-практичній конференції “Україна наукова 2003” (Дніпропетровськ - Кривої Ріг, 2003), на засіданнях кафедри аерології й охорони праці Національного гірничого університету.

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 7 наукових праць, у тому числі: 4 статті у виданнях, рекомендованих ВАК України, 3 - статті за матеріалами конференцій.

Структура дисертаційної роботи. Загальний обсяг дисертації складає 259 сторінок. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів основного тексту, висновків обсягом 157 сторінок друкованого тексту та 10 додатків. Містить 18 ілюстрацій, 5 таблиць, перелік використаних джерел з 120 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами й темами, сформульовано мету, задачі та вказано об'єкт, предмет і методи досліджень, розкрита ідея роботи, приведені основні наукові положення і результати, показано наукове і практичне значення результатів роботи, відображено рівень апробації й кількість публікацій, вказані відомості про обсяг і структуру роботи.

У першому розділі приведені дані про аварійність та її наслідки на підприємствах вугледобувної галузі України за останні 20 років з позицій виникнення на шахтах великих аварій, пов'язаних із вибухами пилу, а також частку від зареєстрованих вибухів, за участю вугільного пилу, на шахтах СРСР та України.

Вказано, що для попередження вибухів пилу, дослідження можуть бути продовжені в напрямку розробки системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок як засобу.

Розглянуто діючі нормативні акти з охорони праці з точки зору регламентування місць, періодичності і тривалості відбору проб при контролі пилового фактора. Показано, що через складність використання існуючих приладів і методів, діючі нормативні акти розраховані на використання лише періодичного контролю.

Проаналізовано існуючі методи контролю пиловідкладання, вмісту пилу у повітрі, прилади, розроблені з їх використанням, а також системи передачі інформації, що використовуються в шахтних умовах. Показано перевагу використання результатів вимірювання запиленості повітря для розрахунку пиловідкладання в виробці перед результатами безпосереднього контролю пиловідкладання, оскільки у першому випадку є можливість урахувати весь пил, що надходить у виробку з вихідним струменем, а у другому - лише той, що відклався у місцях відбору проб. Обґрунтовано, що найбільш придатним приладом для використання в системі контролю пиловибухобезпеки є датчик ДЗВ-500, розроблений для комплексу КРАУ, а кущова структура КРАУ найбільш прийнятна для розробки на її основі уніфікованої системи передачі інформації з довільною конфігурацією. Виконаний аналіз дозволив обрати датчик і сформулювати основні вимоги до розробки системи контролю пиловибухобезпеки.

Обрано та проаналізовано критерій оцінки пиловибухобезпеки гірничої виробки вугільної шахти та способи визначення його складників: нижньої межі вибуховості та інтенсивності осідання пилу. Показано, що обраний якісний критерій придатний для розробки на його основі кількісного критерію. Для визначення нижньої межі вибуховості засобами системи контролю може використовуватись розрахунковий метод за формулою, яка враховує присутність метану. Існуючий непрямий метод визначення інтенсивності пиловідкладання за концентрацією пилу у повітрі потребує вдосконалення, оскільки не враховує процеси, здіймання і подальшого осіданням пилу.

Як один з основних складників пиловідкладання, проаналізовані існуючі закономірності розподілення концентрації пилу по довжині виробки. Установлено, що більшість із них зводиться до експоненціального вигляду, який не враховує вторинного здіймання пилу, що з точки зору контролю може привести до значних похибок.

За результатами проведеного у першому розділі аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі виконані дослідження динаміки розповсюдження вугільного пилу у повітрі гірничої виробки по її довжині.

Показано, що розподіл пилу по довжині виробки більш точно може бути описаний залежністю вигляду

,(1)

де - концентрація пилу у досліджуваному перетині виробки, мг/м³; - максимальна концентрація пилу, що надходить у виробку від первинного джерела (спостерігається у початковому перетині виробки), мг/м³; і - коефіцієнт зниження концентрації пилу при віддаленні від первинного джерела пилу (початкового перетину виробки), м^-1; - відстань від початкового перетину виробки до досліджуваного, м; - концентрація пилу, обумовлена присутністю вторинного розподіленого по всій довжині виробки джерела пилу, який під дією повітряного потоку переходить з відкладеного до завислого стану, мг/м³.

Дослідження здіймання вугільного пилу показало, що з перетину вугільної виробки за одиницю часу може здійнятися пилу

,(2)

де - здіймання пилу з одиниці об'єму на досліджуваному перетині гірничої виробки, мг/(м³·с); - периметр досліджуваного перетину, м; - площа досліджуваного перетину, м²; - середня швидкість повітряного струменя у виробці, м/с; - швидкість повітряного струменя, при якій пил починає здійматись, 1,8…2 м/с; - характерна швидкість повітря, коли основна маса пилу, який знаходиться під дією струменя, здіймається, м/с; - час, за який пил осідав у досліджуваному перетині, с; - емпіричний коефіцієнт мг·с/м⁴; - пиловідкладення в одиниці об'єму у досліджуваному перетині виробки за проміжок часу , мг/м³; - критична кількість відкладеного пилу, при якій починається злежування і вся маса пилу не може знаходитись під дією повітряного струменя, мг/м³.

У ході дослідження динаміки розповсюдження пилу, що здійнявся, отримане рішення диференційного рівняння масопереносу в умовах ступінчатого вхідного впливу, де в якості джерела впливу обрано пил, що здіймається у виробці, яке є динамікою концентрації пилу, що здійнявся:

.(3)

В результаті досліджень запропонована модель розподілу концентрації вугільного пилу по довжині гірничої виробки

,(4)

відмінною особливістю якої є урахування процесів здіймання пилу по довжині виробки. Модель (4) дозволяє сформулювати перше наукове положення і є основою для подальших досліджень процесів пиловідкладання.

У третьому розділі досліджено відкладення пилу, що здійнявся, за довжиною виробки. Отримана залежність добової інтенсивності вторинного пиловідкладання, мг/(м³·доб)

,(5)

математичне моделювання якої дозволило виявити ефект переміщення відкладень пилу вздовж виробки за ходом повітряного струменя і запропонувати модель інтенсивності пиловідкладення

,(7)

яка відрізняється тим, що складається з двох частин - інтенсивності пиловідкладання від первинного джерела (лави) і від вторинного (поверхні виробки) і дозволяє урахувати процеси здіймання пилу, що відклався, його переносу і вторинного осідання по довжині виробки. Моделі (4) і (7) дозволяють сформулювати друге наукове положення.

За умов відсутності у прилягаючій лаві пилоутворення, відкладання пилу буде пов'язане лише зі здійманням, і розподіл його інтенсивності за обмежений проміжок часу матиме лінійно-експоненційний вигляд.

Очевидно, що максимум відкладень пилу буде прямувати до віддалених ділянок виробки, що потребує додаткових заходів по знепиленню. За умов слабкого пилоутворення повинен спостерігатись аналогічний ефект.

Результат порівняння моделі (6) з такою, що не враховує здіймання, та з гравіметричним методом. Як видно, на віддалених ділянках виробки пилу відкладеться більше, ніж це виявляється за допомогою гравіметричного методу контролю в 10 м від лави.

При одній і тій же концентрації пилу, що надходить від первинного джерела, інтенсивність пиловідкладення на ближчій до лави ділянці виробки при збільшенні середньої швидкості повітря знижується. За умови зменшення кількості пилу, що надходить від первинного джерела відбувається така деформація кривих, що інтенсивність пиловідкладання на початкових ділянках зменшується і може стати від'ємною, а у випадку недостатньої кількості пилу, що відклався, спостерігається барханоподібне зміщення кривих на більш віддалені ділянки.

Дослідження моделі (6) дозволило сформулювати третє наукове положення. Виявлені під час дослідження ефекти дають можливість рідше проводити знепилення ближчих до лави ділянок за умов здіймання пилу.

На основі (6) розроблена математична модель інтенсивності пиловідкладання при непостійно діючому первинному джерелі пилу

,(7)

де , - відповідні долі часу у добі, коли первинне джерело діяло і не діяло; - експоненційна функція розподілу концентрації пилу по довжині виробки, який надійшов від первинного джерела, мг/м³.

Формула (7) є основою для розробки методу визначення інтенсивності пиловідкладання засобами системи контролю пиловибухобезпеки.

Аналіз результатів експериментальних досліджень у діючих вентиляційних штреках шахт “Алмазная” (об'єднання “Добропіллявугілля”) та ім. Героїв Космосу (ДХК “Павлоградвугілля”) підтвердив отримані моделі (2), (4) і (7) з похибкою, що не перевищила 19%.

У четвертому розділі розроблені основний алгоритм роботи системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок шахт за показаннями датчиків концентрації пилу та методи, що забезпечують його роботу. Запропоновано кількісний критерій оцінки пиловибухобезпеки гірничої виробки:

,(8)

де - час, що залишився до моменту настання у виробці небезпеки за пиловим фактором, годин; - інтервал часу між поточним моментом і часом проведення останнього протипилового заходу, годин; - частота проведення протипилових заходів або час накопичення небезпечної кількості пилу.

Для зручності представлення інформації оператору ПЕОМ запропонована інша форма критерію пиловибухобезпеки - гранично припустимі дата та час наступного протипилового заходу:

,(9)

де - поточні дата і час.

Частота проведення протипилових заходів має бути визначена за формулою

,(10)

де - коефіцієнт, що характеризує тривалість захисної дії способу, значення якого приймаються згідно чинних нормативних документів; - добова інтенсивність пиловідкладення, що має визначатись за показниками датчиків концентації пилу, г/(м3доб); - нижня межа вибуховості вугільного пилу, що відклався, яка визначається за відомою формулою і враховує зольність вугілля, вихід летучих речовин та вміст метану в атмосфері, г/м3.

Для підвищення точності визначення пиловідкладання запропоновано на ділянках вентиляційного штреку 0…50 м та 50…200 м, регламентованих інструкцією по попередженню і локалізації вибухів вугільного пилу, користуватися не кількістю пилу, що осів на відстані 10 м від спряження з лавою і може здійматись, а середньою кількістю пилу на кожній з ділянок, яка може бути описана залежністю

.(11)

де - середня кількість пилу, що осів на ділянці з по , м відносно спряження виробки з лавою, мг/м³.Таким чином, середня кількість пилу, що осів на будь-якій ділянці гірничої виробки з одним нерухомим первинним джерелом пилоутворення:

,(12)

.(13)

де - середня кількість пилу, що осів на ділянці з по , м відносно спряження виробки з лавою, мг/м³.Таким чином, середня кількість пилу, що осів на будь-якій ділянці гірничої виробки з одним нерухомим первинним джерелом пилоутворення:

,(14)

де

,

.

З метою підвищення точності результатів вимірювань максимальної концентрації пилу, що надходить від первинного джерела, запропоновано відновлювати умовну максимальну концентрацію пилу у кінцевому перетині спряження з лавою, ураховуючи також і пил, який здійнявся на ділянці між цим перетином і контрольованим:

,(15)

де - середня концентрація пилу в повітрі, отримана датчиком, мг/м³;

- відстань між точкою контролю і спряженням з лавою, згідно ДНАОП 1.1.30-5.25-96 = 10...15 м.

У випадку застосування протипилових завіс запропоновано коректувати показаня датчиків за допопогою залежності

,(16)

де - ефективність придушення пилу, значення якої повинно визначатись заздалегідь.

Для системи контролю пиловибухобезпеки, де надходження інформації про запиленість виробки дискретизуєтся у часі, модель (14) для ділянок 0…50 м і 50…200 м від спряження с лавою має вигляд, відповідно:

,(17)

де

,

.

та

,(18)

де

,

де - інтервал надходження інформації, с; - кількість надходжень даних про запиленість повітря в умовах ведення процесів виїмки вугілля; - кількість надходжень даних про запиленність під час зупинки процесів виїмки.

Для переходу від маси пилу, що відклалася в одиниці об'єму, до інтенсивності пиловідкладання, в алгоритмі використана формула:

,(19)

де - час від початку процесу контролю до поточного моменту, обумовлений засобами ПЕОМ, с.

Запропоновано метод оперативної ідентифікації функції здіймання пилу у місці встановки датчика шляхом вимірювання концентрації пилу , що здійнявся на початку ремонтної зміни за умов відсутності робітників:

,(20)

де - здіймання пилу з одиниці об'єму в перетині де встановлено датчик запиленості, мг/(м³с); - відстань між спряженням з лавою та перетином, де встановлено датчик, м.

Для ідентифікації коефіцієнта зниження концентрації пилу при віддаленні від первинного джерела запропоновано декілька способів:

розрахунковий, за формулами, використаними під час аналізу моделей концентрації пилу у першому розділі;

оперативний, що полягає у вимірюванні середньої запиленості за допомогою стаціонарного датчика системи, коли лава знаходиться на відстанях =10 м і =15 м від місця контролю із застосуванням формули

;(21)

оперативний, що полягає у одночасному вимірюванні середньої запиленості за допомогою портативних приладів, на відстані =10 м і =15 м від лави застосування формули (21);

оперативний, що полягає вимірюванні концентрації пилу, який здійнявся за умови відсутності у виробці робітників і первинних пилоутворюючих процесів і застосуванні формули

.(22)

У п'ятому розділі розроблена структура, функціональні вузли і управляючі алгоритми системи контролю пиловибухобезпеки. Обрана довільна структура на основі інтерфейсу “струмова петля” для забезпечення дієздатності якої розроблені структурні схеми основних вузлів системи. Обраний датчик ДЗВ-500 має бути обладнаний мікропроцесорним блоком, що усереднює показання запиленості, а також здійснює передачу даних на поверхню по інтерфейсу “струмова петля”. Обґрунтовано, що достатня частота опитування датчиків запиленості для досягнення ефекту безперервного контролю становить 2 рази на хвилину. Обрано спосіб організації протоколу обміну у каналі інформацією у каналі зв'язку - асинхронний напівдуплексний обмін під управлінням майстра (ведучого) мережі. В якості майстра виступає ПЕОМ. Обрано засоби захисту інформації, які повинен використовувати протокол обміну: постійна довжина посилок від ПЕОМ і датчиків, унікальні старт- і стоп-байт на початку і на кінці кожної посилки, номер датчика, що дає інформацію про запилення у посилці-відповіді, контрольна сума одиниць у посилці, що передається, повторний виклик майстром датчика у випадку невдалої передачі. Виходячи з протоколу, необхідної частоти опитування датчиків та приблизного розрахунку необхідної їх кількості визначено, що достатня ентропія каналу 53 бод.

Виходячи з розроблених структурних схем і протоколу обміну, визначені базові елементи для практичної реалізації основних вузлів системи. Елементна база дозволяє використати стандартну ентропію каналу 1200 бод, що задовольняє відповідній вимозі протоколу обміну.

Обґрунтовано вимоги до управляючих алгоритмів поверхневого напівкомплекту, виходячи з яких розроблена концепція відокремлених від пульту оператора, де реалізовано основний алгоритм системи, оперативної бази даних про стан запиленості виробок і драйвера обміну з підземним напівкомплектом.

Розроблені алгоритми управління для мікропроцесорних блоків датчиків (підземних напівкомплектів). Для економії ресурсів пам'яті мікропроцесорів для усереднення даних про запиленість використана формула накопичення поточної середньої:

,(23)

де , - попередній і поточний результат контролю запиленості.

Обчислення у мікропроцесорі прискорені шляхом використання арифметики з цілими числами. Для запобігання накопиченню похибки від втати дробових частин підвищена розрядність у двійковій системі вхідних даних запиленості - 1 біт даних дорівнює 0,032 мг/м³ вимірюваної величини і запропоноване поетапне обчислення:

обчислення середньої арифметичної концентрації вугільного пилу за 5 секунд за даними, що надходить від АЦП кожної секунди з похибкою не більше 0,56 мг/м³;

обчислення поточної середньої концентрації за хвилину за значеннями середніх арифметичних за 5 секунд з похибкою не більше 0,89 мг/м³;

обчислення поточної середньої концентрації за 5 хвилин за значеннями середніх концентрацій пилу за хвилину, отриманих на попередньому етапі з похибкою не більше 1,01 мг/м³;

обчислення поточної середньої концентрації за годину за середнім значенням концентрацій за 5 хвилин з похибкою не більше 1,34 мг/м³;

обчислення поточної середньої концентрації за 8-годинну зміну за середнім значенням концентрацій за годину з похибкою не більше 1,55 мг/м³;

обчислення поточної середньої концентрації за 6 змін (48 годин) за середнім значенням концентрацій за зміну з похибкою не більше 1,61 мг/м³.

Всі етапи мають обмежену кількість кроків усереднення, після чого результат включається як вхідні дані в обчислення на старшому етапі, а для поточного - обнуляється.

Датчик має давати на поверхню інформацію про середню за хвилину концентрацію, з похибкою обчислення до 0,18%. Передбачено роботу в датчиків в автономному режимі, з індикацією результату обчислення на найстаршому досягнутому етапі а також запит з пульта середніх концентрацій за годину, зміну, поточної середньої за 6 змін з округленням часу до 8 годинз похибками, відповідно, 0,27%, 0,31%, 0,32%.

Алгоритми підземного напівкомплекту реалізовані з використанням системи переривань мікропроцесора PIC16F873 у діючому макеті системи контролю пиловибухобезпеки.

Дослідження каналу зв`язку на діючого макету підтвердили його працездатність на відстані до 10 км. Детальний опис функціональних схем, алгоритмів і їх практичної реалізації приведено в додатках.

ВИСНОВКИ

У дисертації поставлена і вирішена науково-практична задача удосконалення контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок шахт за допомогою розрахунку покажчиків вибухобезпеки з використанням інформації про запиленість повітря вихідних вентиляційних струменів, яка полягає у встановленні закономірностей поширення і відкладення пилу, що зметнувся з поверхні гірничої виробки, динаміки пилу та пиловідкладень з урахуванням процесів здіймання, розробці кількісного критерію пиловибухобезпеки, алгоритму й обчислювальних методів його визначення, що дозволило розробити структуру системи, функціональні рішення вузлів і управляючі алгоритми системи контролю пиловибухобезпеки гірничої виробки.

Рішення поставленої наукової задачі дозволяє підвищити пиловибухобезпеку гірничих виробок за рахунок безперервного контролю пилового фактора, оцінки його впливу на безпеку за робіт, оперативного планування на підставі результатів контролю термінів виконання протипилових заходів.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Виконано аналіз стану питання пиловибухобезпеки на вугільних шахтах. Відзначено, що вибухи вугільного пилу наносять значний соціальний і матеріальний збиток. Показано, що недостатня еффективність застосування апробованих методів і засобів знепилення значною мірою зумовлюєтся недостатньою вірогідністю і надійністю існуючого контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок шахт, заснованого на періодичній кількісній оцінці пиловідкладень. Підвищити якість контролю можливо шляхом безперервного контролю пиловідкладання, що може бути реалізоване шляхом упровадження телемеханічної системи контролю.

2. Досліджено динаміку вугільного пилу у гірничій виробці з урахуванням вторинного здіймання.

установлено, що концентрація пилу по довжині гірничої виробки може бути описана сумою експоненціальної моделі концентрації пилу від первинного джерела його утворення, та лінійно-експоненціальної моделі, обумовленої здійманням з поверхні самої виробки;

отримано лінійно-експоненціальну модель концентрації пилу, що здійнявся з поверхні виробки;

показано, що при достатній кількості пилу, який відклався раніше, експоненціальний вигляд кривої розподілу концентрації пилу по довжині виробки вироджується, а саме: зі зменшенням кількості пилу, що надходить від первинного джерела або зі збільшенням швидкості повітря максимум концентрації пилу зміщується відносно початку виробки на більш віддалені ділянки за ходом повітряного струменя.

3. Виявлено, що в умовах здіймання відкладення пилу зміщуються на віддалені за ходом повітряного струменя ділянки і підвищують їх пиловибухонебезпеку, що не виявляється гравіметричним методом контролю в 10 м від початку виробки.

4. Показано, що відкладення пилу на початкових ділянках виробки, внаслідок вторинного здіймання, зменшується, що дозволяє рідше проводити заходи направленні на попередження вибухів вугільного пилу на цих ділянках.

5. Розроблено оціночний критерій і алгоритм контролю пиловибухобезпеки, що включає розрахунковий метод визначення пиловідкладання за показаннями датчиків концентрації пилу, який використовує для визначення часу накопичення вибухонебезпечної кількості пилу середнє інтегральне відкладання пилу на ділянках 0...50 м і 50...200 м. Запропоновано методи розрахунку тривалості безпечного режиму в умовах інтенсивного пилоутворення.

6. Розроблено структуру, функціональні вузли, протокол обміну і управляючі алгоритми підземного напівкомплекту системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт.

ЛІТЕРАТУРА

Ткаченко С.Н. Пылеотложение в угольной шахте. // Науковий вісник НГА України. - 2001. - № 1. - С. 98-100.

Ткаченко С.Н. Разработка системы автоматического контроля пылевзрывобезопасности горных выработок шахт по показаниям датчиков концентрации пыли. // Сб. научн. тр. - НГА Украины. - 2001. - № 11, т. 2. - С. 214-219.

Колесник В.Е., Ткаченко С.Н. Моделирование процесса распространения и отложения пыли в горных выработках с учетом ее поступления от источников и в результате взметывания. // Науковий вісник НГУ. - 2003. - № 2. С. 78-80.

Голинько В.И., Колесник В.Е., Ткаченко С.Н.. Создание экспериментального образца системы контроля пылевзрывобезопасности горных выработок. // Сб. научн. тр. НГУ. - № 16. - С. 129-136.

Голинько В.И., Колесник В.Е., Ткаченко С.Н.. Контроль пылевой нагрузки на основе данных о запыленности воздуха в горных выработках. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 3. - С. 211-213.

Колесник В.Е., Ткаченко С.Н., Рахно Е.П. Формирование текущих и средних значений в измерителе запыленности шахтной атмосферы. // Сб. научн. тр., посвященный 45-летию ДГМИ / Перспективы развития угольной промышленности в ХХI веке. - Алчевск: ДГМИ, 2002. - С. 108-114.

Ткаченко С.Н. Учет влияния взметывающейся пыли на общую динамику запыленности горной выработки // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції “Україна наукова 2003”. - т. 27: Гірнича справа. - С.32-33.

АНОТАЦІЯ

Ткаченко С.М. Контроль пиловибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт за показаннями датчиків концентрації пилу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - “Охорона праці”. - Національний гірничий університет, м. Дніпропетровськ, 2003.

Дисертацію присвячено створенню системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт за показаннями датчиків концентрації пилу з використанням можливостей обчислювальної техніки. Обґрунтовано доцільність впровадження безперервного контролю засобами телемеханічної системи для потреб оцінки стану пиловибуховезпеки гірничих виробок вугільних шахт і планування протипилових заходів з точки зору підвищення пиловибухобезпеки. Виконано аналіз існуючих методів контролю пилового фактора та приладів, що їх використовують, і сформульовані вимоги щодо розробки системи контролю пиловибухобезпеки. Досліджено вплив здіймання вугільного пилу з поверхні виробки на загальну динаміку його розповсюдження у виробці. Розроблено і досліджено математичні моделі зміни концентрації і відкладання пилу за довжиною виробки, що враховують процеси здіймання, в тому числі і модель інтенсивності пиловідкладання при непостійно діючому первинному джерелові пилу. Теоретично обґруновано кількісний критерій оцінки пиловибухобезпеки і розроблено метод його розрахунку, представлений у вигляді основного алгоритму системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок. Розроблені допоміжні розрахункові методи, що забезпечують виконання основного алгоритму системи контролю. Обґруновано і розроблено структуру, функціональні вузли, протокол обміну і управляючі алгоритми системи контролю пиловибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт.

Ключові слова: гірнича виробка, система контролю пиловибухобезпеки, датчик, здіймання пилу, запиленість, пиловідкладення.

Ткаченко С.Н. Контроль пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт по показаниям датчиков концентрации пыли. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - “Охрана труда”. - Национальный горный университет, г. Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена созданию системы контроля пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт по показаниям датчиков концентрации пыли с использованием возможностей вычислительной техники.

Обоснована целесообразность внедрения непрерывного контроля средствами телемеханической системы для оценки состояния пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт и планирование противопылевых мероприятий с точки зрения повышения пылевзрывобезопасности. Выполнен анализ существующих методов контроля пылевого фактора и приборов, которые их используют, исходя из чего сделан вывод о приемлемости использования датчика запыленности воздуха ДЗВ-500 и сформулированы требования к разработке системы контроля пылевзрывобезопасности.

Исследовано влияние взметывания угольной пыли с поверхности выработки на общую динамику ее распространения в выработке и разработаны математические модели концентрации и отложения пыли, учитывающие процессы взметывания, в том числе и модель интенсивности пылеотложения при непостоянно действующем первичном источнике пыли. Получена линейно-экспоненциальная модель динамики концентрации пыли, взметнувшейся с поверхности выработки. Установлено, что динамика распространения угольной пыли может быть описана суммой двух составляющих: экспоненциальной модели концентрации пыли от ее первичного источника и модели концентрации от взметывания.

По предложенной модели динамики пылеотложения, учитывающей взметывание, выявлен и исследован процесс перераспределения масс отложенной пыли и его последствия. Показана возможность использования взметывания для контроля пылеотложения.

Теоретически обоснован количественный критерий оценки пылевзрывобезопасности и разработан метод его расчета, представленный в виде основного алгоритма системы контроля пылевзрывобезопасности горных выработок. Разработаны вспомогательные расчетные методы, обеспечивающие выполнение основного алгоритма системы контроля. Предложено для определения времени накопления опасных отложений пыли использовать среднее интегральное пылеотложение на участках выработки 0...50 м и 50...200 м а также разработаны методы идентификации параметров, которые необходимы для расчетов в основном алгоритме системы. Обоснованы расчетные методы, которые позволяют эффективно использовать воздушную струю для обеспыливания выработки.

Обоснована и разработана структура, функциональные узлы, протокол обмена и управляющие алгоритмы подземного полукомплекта системы контроля пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт. Структура системы основана на искробезопасном интерфейсе “токовая петля”, является произвольной и состоит из поверхностного и порядка 20 экземпляров подземных полукомплектов. В состав поверхностного полукомплекта входит ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением и искробезопасное устройство сопряжения с линией связи. Подземный полукомплект состоит из микропроцессорного блока, первичного преобразователя - датчика ДЗВ-500 - и использует усовершенствованные методы цифрового интегрирования. Длина линии связи без ретрансляторов зависит от конфигурации сети и может достигать порядка 17 км. Скорость опроса датчиков - 2 раза в минуту.

Ключевые слова: горная выработка, система контроля пылевзрывобезопасности, датчик, взметывание пыли, запыленность, пылеотложение.

The dissertation on competition of a scientific degree of a Candcandidate of Technical Sciences on a speciality 05.26.01 - “Labour Protection” - National mining university of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted to creation of the monitoring system of dust explosion safety in coal mines by parameters of a dust concentration gauges with use of opportunities of computer facilities. The expediency of introduction of continuous monitoring by telemechanical system means for an estimation of a condition dust explosion safety in coal mines and planning dust suppressing actions is proved from the point of view of increase dust explosion safety. The analysis of an existing monitoring methods of the dust factor and devices, which use them, is executed, and requirements to system engineering the monitoring dust explosion safety are formulated. Influence of a coal dust shooting up from a surface of mine on general dynamics of its distribution in development is investigated. Mathematical models of concentration and the falling of a dust which are taking into account shooting up processes, including model of intensity dust falling are developed and investigated at changeably working primary source of a dust. The quantitative criterion of an estimation dust explosion safety is theoretically proved and the method of its calculation submitted as the basic algorithm of the monitoring system of dust explosion safety of mines is developed. The auxiliary settlement methods providing processing of the basic algorithm of the monitoring system are developed. The structure, functional units, exchange protocol and managing algorithms of the monitoring system dust explosion safety of a coal mines is proved and developed.

Key words: mine, the monitoring system of dust explosion safety, gauge, dust shooting up, dust concentration, falling of a dust.

Размещено на Allbest.ru