Системы безопасности угольных шахт

Дата публикации: 
17.06.2014

безопасность угольной шахты

После появления в «Правилах безопасности в угольных шахтах» требования о применении многофункциональных систем безопасности (далее МСБ) у работодателей и специалистов накопилось множество вопросов, которые не разрешены в существующей нормативной базе, а разрабатываемые в настоящее время проекты национальных стандартов по МСБ показывают отсутствие системного и научно обоснованного подхода к построению и использованию МСБ.

Стоит понимать что основная цель МСБ— это увеличение экономической эффективности за счет обеспечения устойчивости и ритмичности ведения горных работ путем предотвращения аварийных ситуаций, что обеспечивается предоставлением оперативной и достоверной информации об опасных ситуациях и явлениях и осуществлением противоаварийного управления и защиты.

В качестве научно-практического обоснованной используются стандарты группы ГОСТ Р МЭК 61508. Таким образом для снижения исходного уровня риска, обусловленного горно-геологическими условиями и производственными планами шахты, до приемлемого или допустимого, соответствующего согласию общества на ущерб, применяются проектные решения, технологические и инженерные системы, обученный персонал и методы управления производством, которые принято разделять на три группы: внешние средства снижения риска (внешние средства), противодействующие условиям возникновения аварий и снижающие вероятность возникновения условий для реализации аварий; системы, связанные с безопасностью (системы безопасности), снижающие вероятность реализации аварии при наличии соответствующих условий; другие технологии, предотвращающие развитие аварии и уменьшающие ущерб от ее реализации. Так как уровень риска определяется как произведение вероятности аварии на ущерб от нее, то основные усилия должны быть направлены на уменьшение вероятности аварии, т.е. на внешние средства и системы безопасности.

Внешние средства снижения риска Фундаментальный вклад в уменьшение вероятности аварии вносят внешние средства снижения риска, основу которых составляют: проектные решения, призванные исключить условия возникновения различных видов опасности; электрические, электронные и программируемые системы (ЭЭПС), обеспечивающие измерения и оперативный контроль за соблюдением проектных решений, т.е. выявляющие явные отклонения от проектного (эталонного) состояния (поведения) шахты; информационные системы, выявляющие скрытые тенденции и признаки опасных ситуаций, состояний и явлений и прогнозирующие их; технологические и производственные мероприятия, в том числе обеспечивающие непрерывную и качественную реализацию вышеперечисленных мер во всем их многообразии и постоянную высокую готовность систем безопасности и других технологий к функционированию в предаварийных, аварийных и поставарийных ситуациях.

К внешним средствам относятся ЭЭПС, обеспечивающие местный и дистанционный ручной, автоматизированный и автоматический контроль и управление, измерительные системы, системы сигнализации и связи, системы противопожарного, сейсмического и геофизического контроля и прогноза и пр., большинство из которых, за исключением систем регионального и локального сейсмического и геофизического контроля и прогноза, серийно выпускаются и повсеместно эксплуатируются на шахтах. Внешние средства в основном предусматривают оперативные управленческие решения технологического и производственного уровня, но не исключают ручную, автоматизированную и автоматическую генерацию управляющих команд, при этом могут использоваться системы передачи данных, наземные технические и программные средства и системы. Эти внешние средства являются по своему назначению технологическими, что проявляется как и в их структуре, которая соответствует классической структуре многоуровневой АСУТП (подземные полевой и контроллерный уровни, развитые средства передачи данных и мощный наземный компьютерный комплекс с автоматизированными рабочими местами) или распределенной системе управления (далее  РСУ), так и в их составе (десятки и сотни подземных электронных устройств и километров кабельных линий питания и связи).

Из ЭЭПС, перечисленных в п. 41 Правилах безопасности в угольных шахтах , к внешним средствам относятся:

1) системы контроля и управления стационарными вентиляторными установками, вентиляторами местного проветривания, газоотсасывающими установками, дегазационными установками и подземной дегазационной сетью;

2) системы аэрогазового контроля (АГК), контроля пылевых отложений и управления пылеподавлением, обнаружения и локализации ранних признаков эндогенных и экзогенных пожаров и контроля и управления пожарным водоснабжением;

3) система геофизических и сейсмических наблюдений с региональным и локальным прогнозом; система наблюдения и определения местоположения персонала в подземных выработках (технологическое позиционирование);

4) система оперативной, технологической, громкоговорящей подземной связи.

Отметим, что гарантированное быстродействие (гарантированное выполнение предписанной функции за требуемое время) не относится к критически важным требованиям с точки зрения обеспечения безопасности, так как ЭЭПС внешних средств работают с данными на промежутках времени от нескольких минут до сотен дней. Однако для этих ЭЭПС, обеспечивающих контроль или измерение параметров различных видов опасности, важными являются возможность и длительность работы в аварийных ситуациях (например, системы АГК и технологического позиционирования должны работать не менее 16 ч после исчезновения сетевого питания) или возможность локального сохранения информации в подземных электронных устройствах при отказе линий связи между ними и наземным оборудованием, что требуется для обеспечения непрерывности контроля и при исследовании развития аварий.

Перечисленные системы и средства не являются составными частями МСБ и в общем случае не входят в ее состав, но информация, получаемая от них, применяется в МСБ, поэтому необходимо говорить об информационной интеграции ЭЭПС внешних средств с МСБ. Несмотря на высокую насыщенность шахт различными ЭЭПС и мощный поток информации, который они продуцируют, в большинстве случаев отсутствуют информационные системы МСБ, которые обеспечивают не только сложный многофакторный комплексный анализ получаемых данных, но и их простую обработку, в лучшем случае собираемая информация используется для формирования простых отчетов и при расследовании аварий. Однако именно проводимое в автоматическом или автоматизированном режиме своевременное обнаружение скрытых от прямого наблюдения (непосредственных измерений) признаков опасных ситуаций и выявление тенденций, увеличивающих уровень риска, — основные меры, предотвращающие аварийные ситуации путем своевременного предоставления информации для выработки и осуществления необходимых управляющих воздействий — технологических и производственных мероприятий.

Для создания такого информационного и программного обеспечения МСБ надо использовать математические модели всех элементов шахты: геомеханические для горных выработок с вмещающим горным массивом; аэростатические и аэродинамические для вентиляции, энерго- и массопереноса и т.п.; логические, статические и динамические модели технологических процессов и оборудования, инженерных систем и сооружений; физиологические и социальные модели работников. Очевидно, что все эти модели должны быть взаимоувязаны, обеспечивать работу в реальном и ускоренном времени и соответствовать эталонным состоянию и поведению всех элементов шахты. Первостепенная задача, решение которой также должна обеспечивать информационная система МСБ, — ранжирование объектов контроля по разным видам опасности и по степени комплексной опасности для выявления первоочередных мероприятий с обязательным контролем действенности проводимых мероприятий. С учетом того, что внешние средства вносят определяющий вклад в предотвращение аварий, разработка соответствующих методик, математического, алгоритмического, информационного и программного обеспечения и их реализация в информационной системе МСБ — важнейшая научно-практическая задача.

Системы, связанные с безопасностью

Если условия для реализации аварии все-таки возникли из-за неверных проектных решений, появления неучтенных природных и техногенных факторов, нарушения технологии, неправильных монтажа, эксплуатации и обслуживания технологических и инженерных систем и пр., что не было своевременно обнаружено с помощью внешних средств снижения риска или было обнаружено, но необходимые мероприятия не были выполнены, то надо противодействовать реализации аварии. Это обеспечивают средства противоаварийного управления и защиты (ПАЗ) — ЭЭПС, относящиеся к системам, связанным с безопасностью (ЭЭПС безопасности). В МСБ угольных шахт к ЭЭПС безопасности относятся средства автоматической газовой защиты (АГЗ), которые блокируют электроснабжение оборудования, находящегося в зоне с недопустимыми концентрациями контролируемых газов, например метаном, и средства противопожарной защиты (ППЗ), которые при обнаружении пожара включают установки пожаротушения.

Системы АГЗ и ППЗ обеспечивают прямое противоаварийное управление технологическими и инженерными системами и с помощью сигнализации воздействуют на персонал. Отметим, что алгоритмы работы ПАЗ в явном виде сформулированы в и в других нормативных документах в виде четких ограничений и запретов на измеряемые и контролируемые параметры и состояния, например запрет на ведение проходческих работ при содержании метана, превышающем предаварийные пороговые уровни, установленные для различных мест подготовительного забоя, или при неготовности к работе резервного вентилятора местного проветривания и т.п. К ЭЭПС безопасности также можно отнести технологические блокировки и защиты, которые останавливают горные работы при обнаружении не самой опасности, а возможности ее появления, например, блокируют электроснабжение при выявлении потенциальной возможности образования высокой концентрации метана из-за снижения расхода воздуха, подаваемого для разбавления газа, или закорачивания вентиляционных струй. Сюда же можно отнести при соответствующих изменениях в нормативных документах перспективные средства:

непрерывного сейсмического и геофизического контроля ближней зоны, используемые локально в месте и во время ведения горных работ;

взрывозащиты горных выработок многократного действия, которые срабатывают не при обнаружении признаков взрыва (вспышка, фронт ударной волны), а при предаварийной концентрации метана (менее 50 % НКПР) и т.п.

Электрические, электронные и программируемые системы безопасности должны иметь следующие особенности и характеристики: только автоматический режим работы; высокую защищенность от внешних воздействий (природных, техногенных и со стороны персонала); локальную реализацию (отсутствие в контурах ПАЗ наземных технических и программных средств и средств связи с ними); высокую эксплуатационную надежность, постоянную готовность; полную детерминированность использования и поведения; гарантированное быстродействие.

В соответствии с методологией ГОСТ Р МЭК 61508 проведены исследования исходного уровня риска, которые показали, что с учетом следующих условий, которые соответствуют газовым шахтам 3 категории и сверхкатегорным: взрыв метана на шахте уносит жизни более 5 человек; пребывание людей во взрывоопасной зоне превышает 5 мин в сутки; существует возможность избежать взрыва при отказе системы защиты; частота возникновения опасности взрыва превышает 1 раз в год, эти шахты характеризуются недопустимым уровнем риска. В этом случае для уменьшения уровня риска от исходного до допустимого должны применяться ЭЭПС безопасности с уровнем полноты безопасности 81b4, для которых сформулированы следующие требования к вероятности отказа, диагностическому охвату и уровню отказоустойчивости, — проанализируем их.

Глубина диагностики характеризуется диагностическим охватом (ОС), являющимся отношением количества обнаруженных опасных отказов ко всем возможным опасным отказам. Для типовых систем АГЗ диагностический охват для газоанализаторов составляет 90 %, для контроллеров — 60 % и для аппаратов электроснабжения — 30 %. Наибольший эффект при контроле технического состояния технических средств АГЗ достигается при комбинировании самодиагностики и взаимной диагностики подсистем АГЗ с их независимым внешним диагностированием, которое может осуществляться другими подсистемами или средствами МСБ, например, в автоматическом режиме информационной системой МСБ, персоналом за счет динамического тестирования системы АГЗ путем подачи на метанометры газовой смеси с концентрацией метана больше установленного порогового уровня и т.п.

Уровень отказоустойчивости N зависит от диагностического охвата и определяет необходимость использования определенной канальной архитектуры МооН. Очевидно, что такие требования к резервированию — обоснованы, технически осуществимы, но фактически неприемлемы — это подтверждает и доказывает известное положение: средства АГЗ в условиях угольных шахт 3 категории и сверхкатегорных сами по себе не могут обеспечить безопасность и должны применяться только после всевозможных внешних средств снижения риска.

Таким образом, перечисленные исключительно жесткие требования, предъявляемые к системам АГЗ, относятся к нереализуемым или трудно реализуемым. Это касается и обеспечения надежности, и возможности и кратности резервирования, и условии и качества эксплуатации и обслуживания, что, с одной стороны, подтверждает правильность описываемого подхода к обеспечению безопасности, а с другой — требует осознания того, что для реального обеспечения безопасности необходимо предельно точно формулировать требования к системам безопасности: они должны быть минимальны, исчерпывающим образом описаны (полностью детерминированы) и должны безусловно выполняться. Все остальные требования — вспомогательные и не могут рассматриваться и приниматься во внимание при расчетах уровней риска и оценке безопасности. Важные для анализа функциональной безопасности средств АГЗ определения безопасного состояния, функций безопасности и отказов приведены в работе.

Другие технологии

В том случае если опасность не была выявлена внешними средствами снижения риска и ее реализации в виде аварии не смогли помешать системы, связанные с безопасностью, то необходимо предотвратить распространение аварии и минимизировать наносимый ущерб, в том числе при проведении спасательных

операций. Для этого используются другие технологии, которые могут быть реализованы различными способами, в том числе с помощью ЭЭПС. При рассмотрении МСБ к другим технологиям необходимо отнести: автоматические системы локализации взрывов и пожаров; средства индивидуальной и групповой защиты и спасения; системы аварийного оповещения; системы поиска людей застигнутых аварией, в том числе за и под завалами; аварийную подземную связь и связь с ВГСЧ.

Основными требованиями к другим технологиям являются:

1) высокая защищенность от внешних воздействий (электромагнитные, механические, пыль, вода и пр.);

2) гарантированная работоспособность во время и после аварии в течение заданного периода; постоянная готовность;

3) независимость от подземной инфраструктуры, используемой внешними средствами снижения риска и системами безопасности, или отсутствие подземной инфраструктуры;

4) применение встроенных источников исчерпываемых.

При этом общие жесткие требования к быстродействию и режимам работы не предъявляются.

Наиболее «тяжелым» является требование, связанное с подземной инфраструктурой, которое накладывает ограничения на способы технической реализации ЭЭПС других технологий, к которым относятся: аварийное оповещение, поиск и связь. В соответствии с аварийное оповещение и поиск должны функционировать до, во время и после аварии. Так как при аварии может произойти неограниченное количество отказов различных устройств, линий связи и питания на аварийном участке и вне его, и это не должно повлиять на возможность аварийного оповещения, то оповещение может быть осуществлено только с помощью технологий беспроводной передачи данных через толщу горных пород, что реализовано в нескольких отечественных и зарубежных системах. Также известны ЭЭПС, обеспечивающие поиск людей за и под завалами, использующие принцип беспроводной связи между индивидуальным поисковым маяком, встраиваемым в головной светильник, и поисковым устройством, которым оснащены спасатели. Такие ЭЭПС обеспечивают обнаружение и возможность целенаправленного и безопасного движения к работнику с поисковым маяком при проведении спасательной операции и ликвидации последствий аварии. Опыт эксплуатации подобных систем поиска уже выявил необходимость увеличения длительности их работы с требуемых 36 ч до нескольких дней.

Еще одна возможная сфера использования ЭЭПС, относящихся к другим технологиям, — датчики систем взрывозащиты горных выработок, которые срабатывают по признакам аварии, например, при обнаружении вспышки, по фронту ударной волны. В системах взрывозащиты горных выработок с возможностью многократного срабатывания датчики вспышки и ударной волны могут использоваться в комбинации с метанометрами, которые активизируют средства взрывозащиты при обнаружении аварийно высокой концентрации метана (100 % НКПР).

Если все перечисленные выше ЭЭПС, относящиеся к другим технологиям, серийно выпускаются или могут быть реализованы на существующих технических средствах, то критически важная в аварийных ситуациях система аварийной связи, обеспечивающая оперативную голосовую связь до, во время и после аварии, не разработана по понятным причинам: такие средства связи должны функционировать во время аварии и после нее; они должны сохранять работоспособность при аварийных разрушениях в выработках; ими должны быть оснащены все выработки или они должны входить в штатное оснащение каждого работника в подземных выработках, быть беспроводными, иметь внутренние источники энергии и т.д.

Основное требование, предъявляемое к ЭЭПС, относящимся к другим технологиям, — их постоянная готовность, которая должна постоянно контролироваться и обеспечиваться, что является одной из важнейших функций МСБ и должно реализовываться всевозможными средствами.

 

угольная шахта