Аэрогазовой контроль в угольных шахтах

Дата публикации: 
30.07.2014

аэрогазовой контроль

В настоящий момент в большинстве эксплуатируемых угольных шахт присутствует потенциально взрывоопасная среда. Что обусловлено присутствием метана и взвешенной угольной пыли в сочетании с источниками воспламенения (электрические искры, нагретые тела, искры при трении, очаги самовозгорания угля и т.п.). При определенных аварийных ситуациях, обусловленных газодинамическими явлениями или нарушением правил безопасности,  возможен   взрыв   с   сопутствующими негативными последствиями.

Известно, что нижний предел взрываемости метана составляет 4,4 %, угольной пыли — 10—25 г/м3 и зависит от дисперсности (наиболее взрывоопасна пыль, состоящая из частиц размером 0,1—0,06 мм), содержания летучих, влажности и зольности. Присутствие метана повышает степень взрывчатости пыли, например при 2 % СН4 предел взрывоопасного содержания угольной пыли снижается до 10 г/м3, а при 3%- до 5 г/м3.

В связи с повышенной взрывоопасностью метанопылевоздушных смесей контроль за содержанием метана и угольной пыли в рудничной атмосфере — первостепенная задача аэрогазового контроля .

Вопросам контроля состава и параметров рудничной атмосферы в советское время уделялось большое внимание. Практически все угольные шахты, опасные по газу и пыли, были оснащены стационарными и портативными средствами аэрогазового контроля.

Исторически сложилось так, что исследованиями принципов и методов, лежащих в основе шахтных приборов контроля рудничной атмосферы, разработкой их конструкций, доведением до промышленного производства и внедрением на предприятиях угольной промышленности занимались институты и организации горного профиля. Были разработаны, освоены серийным производством и внедрены многие виды стационарной аппаратуры контроля рудничной атмосферы, послужившие основой для создания систем аэрогазового контроля. В течение нескольких десятилетий последовательно модернизировали и выпускали аппаратуру контроля содержания метана ИМ-2, ИМ-3, АМТ-2, АМТ-3, скорости воздушных потоков ИСВ-1, ИСНВ-1, комплексы «Метан» и «Воздух», аппаратуру измерения содержания оксида углерода «Сигма-СО». На базе этой аппаратуры были созданы и широко применяются системы автоматической газовой защиты АГЗ и АКМ, на ряде шахт внедрены системы диспетчерского контроля и управления проветриванием АТМОС, комплекс КРАУ .

После распада СССР большинство институтов, участвовавших в создании средств аэрогазового контроля, оказались вне России, а российские творческие коллективы, активно занимавшиеся этой тематикой (ИГД им. А.А. Скочинского и Гипроугле-автоматизация), расформировали. Также было резко сокращено финансирование самих институтов. Высвободившиеся специалисты организовали три малых предприятия: ООО «НТЦ ИГД», НПП АТБ и ООО «Фирма «Аэротест», которые сохранили тематику и продолжили разработку и выпуск портативных приборов и датчиков для контроля рудничной атмосферы.

Дальнейшее развитие работ по совершенствованию стационарной аппаратуры и созданию новых систем АГК, с использованием последних достижений в области компьютерной техники, технологий передачи и обработки информации, не нашло должного продолжения в российских институтах и производственных организациях, которые занимались этим до 1991 г.

В то же время в России появились новые научно-производственные предприятия ООО «Ингортех» (г. Екатеринбург) и НПФ «Гранч» (г. Новосибирск), которые заполнили образовавшуюся нишу и выполнили комплекс работ по созданию систем аэрогазового контроля, освоению их промышленного производства и внедрению на шахтах, особо опасных по газу и пыли.

На угольных шахтах России находятся в эксплуатации два различных типа отечественных серийно выпускаемых систем аэрогазового контроля: система «МИКОН-1Р» ООО «ИНГОРТЕХ» и система «Гранч МИС» НПФ «Гранч». Кроме того, специалисты ФГУП «СПО «Аналитприбор» предприняли попытку создания автоматизированного комплекса контроля рудничной атмосферы АКМР-М. Они разработали и изготовили опытные образцы, провели шахтные испытания, однако дальнейшего продолжения эта разработка пока не получила .

На некоторых шахтах продолжают эксплуатировать системы аэрогазового контроля на базе комплекса «Метан», которыми были оборудованы все угольные шахты СССР, а затем России (производитель — завод «Красный металлист», г. Конотоп, Украина). Этот завод до настоящего времени поставляет модернизированный вариант аппаратуры для замены выходящих из строя блоков.

Системы «МИКОН-1Р» и «Гранч МИС» по своим функциям близки и обеспечивают:

  • аэрогазовый контроль (содержание СН4, СО, I скорость воздушных потоков) в местах установки) датчиков в горных выработках шахты;
  • автоматическую газовую защиту (отключение! электроэнергии и прекращение работ при превы-| шении допустимых норм содержания СН4);
  • автоматический контроль и управление работой | главных вентиляторных установок;
  • автоматический контроль и управление работой I вентиляторов местного проветривания (ВМП) под-1 готовительных забоев;
  • автоматический контроль положения дверей] вентиляционных шлюзов;
  • телесигнализацию и телеизмерение состава и| параметров рудничной атмосферы (концентрация СН4, СО, скорость воздушных потоков в горных выработках и трубопроводах ВМП);
  • возможность   телеуправления   оборудованием, | поддержания безопасного аэрогазового режима горных выработках.

В арсенале технических средств систем «МИ-1 КОН-1Р», «Гранч МИС» использованы современные| способы и средства, применяемые в информационных системах: датчики и микроконтроллерное оборудование,  развитая система промышленных коммуникаций, эффективный компьютерный парк, современный программный инструментарий.

По своим техническим характеристикам системы «МИКОН-1 Р» и «Гранч МИС» отвечают требованиям стандартов России, гармонизированных с международными стандартами, а по уровню исполнения соответствуют лучшим зарубежным образцам.

Совершенствование средств и систем аэрогазового контроля и обеспечение угольных шахт новыми портативными групповыми и индивидуальными метанометрами, к сожалению, оказалось недостаточным для исключения взрывов метана и угольной пыли при ведении горных работ. Взрывы продолжаются, гибнут люди, наносится большой материальный ущерб. Необходим комплекс организационных, технологических и технических решений, направленных на совершенствование безопасного процесса добычи угля в современных условиях и исключение трагических событий.

Авторы рассматривают только те вопросы, которые имеют отношение к некоторой корректировке идеологии систем аэрогазового контроля, способствующей повышению эффективности работы существующих и вновь разрабатываемых систем. Такая корректировка приобретает особую актуальность в связи с обнародованной подпрограммой «Современные средства индивидуальной защиты и системы жизнеобеспечения подземного персонала угольных шахт» в составе Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее| конкурентоспособности на период до 2020 года».

Актуальной остается поставленная еще министром угольной промышленности СССР Б.Ф. Братченко задача, связанная с введением дополнительной функции, — «исключение несанкционированного вмешательства в работу системы». Необходимо отметить, что такая задача была приурочена ко времени внедрения на шахтах АСУТП на базе поверхностных управляющих ЭВМ и отсутствия подземной микроконтроллерной техники. В то время эту задачу решить не удалось. На нынешнем уровне развития компьютерной техники и программного инструментария задача исключения несанкционированного вмешательства вполне решаема.

Другая не менее важная проблема — решение вопросов, связанных с быстродействием существующих термокаталитических и рекомендуемых на их замену инфракрасных датчиков метана. Согласно требованиям ГОСТ 24032—80 «Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования. Методы испытаний» быстродействие датчиков в условиях газодинамических проявлений (внезапные выбросы, посадка кровли, горные удары и т.п.) не должно превышать 0,8 с. Для любых датчиков главный фактор, определяющий быстродействие, — способ подачи анализируемой газовой смеси в датчик. Предпринимавшиеся попытки вписаться в 0,8 с за счет принудительной подачи анализируемой смеси в инфракрасные датчики метана (по принципу действия практически безынерционные) или за счет оценки сигнала датчика диффузионного типа по скорости его нарастания при естественной диффузии не увенчались успехом. Разработанные образцы датчиков с принудительной подачей анализируемой смеси требовали частой замены фильтров от пыли, а в случае оценки сигнала по производной неоднократно давали ложные срабатывания, реагируя на пульсации концентрации СН4.

Из изложенного вытекает, что существующие системы аэрогазового контроля не обеспечивают своевременное отслеживание концентрации СН4 и формирование команды на отключение электроэнергии при быстрообразующихся взрывоопасных концентрациях метана, характерных для внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и других масштабных газодинамических проявлений.

Авторы полагают, что на этапе разработки очередного поколения систем аэрогазового контроля необходимо оценить эффективность совмещения информации о газовой, геомеханической и сейсмоакустической активности на предмет формирования опережающего воздействия на средства аэрогазового контроля до образования взрывоопасной метановоздушной смеси.

Важный фактор надежной работы датчиков, основных блоков и устройств системы — самоконтроль. Такие решения реализованы не во всех датчиках, блоках и узлах существующих систем аэрогазового контроля. Необходимо нормативно обязать разработчиков во все ответственные блоки и устройства (в первую очередь датчики) вновь разрабатываемых систем закладывать решения по диагностике и самоконтролю.

Из-за отсутствия у отечественных производителей надежно работающего стационарного датчика

пыли разработчики систем аэрогазового контроля не включают его в разряд основных, ограничиваясь датчиками СН4, СО, скорости воздушных потоков. Необходимо форсировать работы по созданию стационарных измерителей взвешенной и отложившейся пыли в выработках угольных шахт и включать их в состав основных датчиков систем аэрогазового контроля.

Наконец, еще одним дополнением к системам может быть введение наряду с датчиками метана (питание и передача информации по кабелю) датчиков с автономным неперезаряжаемым источником питания (батарея гальванических элементов), с ресурсом от нескольких месяцев до года, и передачей информации по помехозащищенному радиоканалу. Необходимость введения такого рода датчиков диктуется проведением более всеобъемлющего мониторинга атмосферы очистных и подготовительных забоев и некоторых других труднодоступных мест контроля.

Несанкционированному вмешательству наиболее подвержены датчики метана, поэтому их совершенствование, разработка способов и средств, исключающих такое вмешательство, остаются актуальными для дальнейшего развития шахтной метанометрии.

Для детектирования метана наибольшее распространение получили каталитические (термокаталитические) сенсоры пелисторного типа, чувствительные элементы которых представляют собой спираль из платиновой проволоки, покрытую пористой керамикой, на которую нанесен катализатор в виде черни из благородных металлов. Спираль выполняет функции нагревателя и термометра сопротивления. Сенсор состоит из двух чувствительных элементов: рабочего и сравнительного, включенных в мостовую измерительную схему.

По сравнению с другими типами сенсоров и основанных на их базе конструкциями датчиков термокаталитические сенсоры отличаются простотой принципиальных и конструкторских решений чувствительных элементов и датчика в целом, высоким первичным выходным сигналом, избирательностью только к горючим газам, небольшими массогабаритными параметрами сенсора, диффузионным подводом анализируемой газовой смеси, простым способом взрывозащиты и защиты от пыли и скорости воздушных потоков с помощью металлокерамических газообменных фильтров.

 

угольная шахта