книги из ГПНТБ / Местер, И. М. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания
.pdfИ М MECTER И Н ЗАСУХИН
АВТОМАТИЗАЦИЯ
КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
РУДНИЧНОГО
ПРОВЕТРИВАНИЯ
\
j
И. М. МЕСТЕР, И. Н. ЗАСУХИН
АВТОМАТИЗАЦИЯ
КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
РУДНИЧНОГО
ПРОВЕТРИВАНИЯ
7^*
ИЗДАТЕЛЬСТВО « НЕ Д Р А » Мо с к в а , 1974
УДК 622.445—32
Местер И. М., Засухин И. Н. Автоматизация контроля и регу лирования рудничного проветривания. М., «Недра», 1974. 24U с.
В книге рассмотрены шахты и рудники как объекты автомати зации проветривания, изложены теоретические основы построе ния систем автоматизированного контроля параметров и компо нентов рудничной атмосферы и управления распределением воз духа по горным выработкам. Описаны датчики автоматического контроля и вентиляционные автоматические регулирующие устрой ства, алгоритмы функционирования систем централизованного контроля и управления. Приведены рекомендации по повышению достоверности автоматических систем газовой защиты и автомати зации разгазирования тупиковых выработок для условий уголь ных шахт, а также способы реализации систем автоматизирован ного контроля и регулирования проветривания в условиях рудни ков и шахт. Кратко рассмотрены вопросы технико-экономического обоснования автоматизации рудничного проветривания.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся автоматизацией контроля и регулиро вания проветривания шахт и рудников, проектированием и эксплу атацией рудничного вентиляционного комплекса. Книга может быть также полезна студентам и аспирантам горных и электро механических специальностей.
Табл- 9, илл. 96, список лит. 120 назв.
і
і
© Издательство «Недра», 1974
ВВЕДЕНИЕ
В решении задач по созданию материально-технической базы коммунизма, поставленных Коммунистической партией Советского Союза, важная роль принадлежит горнодобывающей промышленности как одному из основных поставщиков сырья и топлива для народного хозяйства нашей страны.
Увеличение добычи полезных ископаемых, предусмотренное де вятым пятилетним планом, вызывает необходимость технического перевооружения горных предприятий, в первую очередь дальнейшую концентрацию горных работ, механизацию основного и вспомогатель ного производства, широкое внедрение автоматизированных систем управления с применением современных методов и средств техни ческой кибернетики.
Совершенствование технологии выемки полезных ископаемых, применение мощных высокопроизводительных машин и механизмов обусловливает значительное повышение темпов ведения горных работ и, следовательно, увеличение поступления в рудничную ат мосферу различных вредных примесей: пыли, метана, газообразных продуктов взрывных работ и т. д. При этом с каждым годом горнякам приходится работать на все более глубоких горизонтах, испытывать растущее горное давление, нестационарные выделения опасных газов, повышенную температуру воздуха и пород. В связи с этим все более важное значение приобретает вентиляция шахт и рудников, необходимая для обеспечения безопасных и комфортных условий работы горняков.
Поэтому, наряду с совершенствованием технологических методов проветривания рудников и шахт, большое значение имеют методы централизованного контроля и регулирования этого процесса.
В настоящее время как в отечественной, так и в зарубежной практике мероприятия по контролю и управлению проветриванием носят периодический характер. Для сбора информации, ее обработки и выдачи управляющих команд пользуются, как правило, несовер шенными методами и средствами вручную, причем не всегда квали фицированно. Между сбором информации (анемометрические, депрессионные и газовые съемки) и проведением необходимых меро
приятий по управлению проходит длительное время, |
поскольку |
4* |
3 |
выполнение всех необходимых работ, даже при использовании ЭВМ для расчета режимов вентиляции, довольно трудоемко. Субъектив ность решений по управлению проветриванием и их несвоевремен ность приводят к тому, что длительное время проветривание оказы вается неудовлетворительным, а затраты на его улучшение окупаются неполностью.
При решении вопросов совершенствования рудничного провет ривания могут быть выделены две группы задач.
первой группе относятся вопросы долгосрочного управления, связанные с реконструкцией проветривания при значительных изменениях определяющих параметров (существенное изменение то пологии сети, длительное несоответствие фактического газовыделения данным прогноза и др.).
Ко второй группе задач относятся вопросы оперативного авто матизированного контроля и регулирования проветривания, свя занные с текущим использованием резервов вентиляции: при ко лебаниях количества вредных примесей в рудничной атмосфере, вызванных неравномерностью расхода взрывчатых веществ, нестационарностью выделений обескислороженного воздуха, поступления пыли в выработки и т. д., при случайных колебаниях метановыделения и естественного распределения воздуха в вентиляционной сети.
В книге рассмотрены главным образом вопросы, относящиеся ко второй группе задач, и не затронуты вопросы кондиционирования воздуха, дегазации и пылеулавливания.
Централизация контроля параметров и компонентов рудничной атмосферы и автоматизация распределения воздуха в зависимости от показаний соответствующих датчиков представляет собой сложную научно-техническую проблему, поставленную впервые в нашей стране академиком АН УССР А. Н. Щербанём для угольных шахт и доцентом, канд. техн. наук В. А. Сипягиным для рудников. Работы по этой проблеме ведутся в двух основных направлениях:
1) теоретические и экспериментальные исследования по изучению вентиляционных комплексов рудников и шахт как объектов управ ления и разработка различных методов автоматизации контроля
ирегулирования проветривания;
2)теоретические и экспериментальные исследования, а также проектно-конструкторские работы по созданию методов и средств телеконтроля параметров и компонентов рудничной атмосферы, методов и средств автоматизированного управления воздухораспределением, автоматической газовой защиты, автоматизации управле ния вентиляторами главного и местного проветривания.
Над решением проблемы автоматизации проветривания с 1959 г, работают большие коллективы советских ученых и инженеров, возглавляемые чл.-корр. АН УССР Ф. А. Абрамовым, докт. техн. наук А. С. Бурчаковым, докт. техн. наук В. А. Бойко, докт. техн.
наук Ф. С. Клебановым, докт. техн. наук С. В. Цоем, докт. техн. наук П. И. Мустелем, докт. техн. наук К. 3. Ушаковым, докт.
4
техн. наук Р. Б. Тяном, докт. техн. наук Л. Г. Мелькумовым, докт. техн. наук Л. А. Шойхетом и другими.
Различные аспекты этой большой и сложной проблемы явились темой многочисленных научно-исследовательских и проектно-кон структорских работ, выполняемых более чем двадцатью соответ ствующими организациями. Рассмотрим основные направления и ре зультаты исследований.
Благодаря работам, выполняемым МакНИИ, ИГД им. А. А. Скочинского, МГИ, ДНИ, ЛГИ, ИГТМ АН УССР, ИГД АН КазССР, НИГРИ, ЛГИ, КНИУИ, СО АН СССР, ЦНИГРИ и другими орга низациями, были установлены основные особенности аэродинамиче ских процессов в шахтных вентиляционных сетях, усовершенство ваны методы расчета вентиляционных сетей, разработаны основы расчета и конструирования регулируемых воздухораспределитель ных устройств, значительно развиты методы моделирования аэрогазодинамических процессов и шахтных вентиляционных сетей. Кроме того, изучены свойства добычных участков как объектов управления по фактору проветривания и установлены основные их особенности, заключающиеся в нелинейности статической характе ристики и в появлении характерных всплесков концентрации метана при резких изменениях режима проветривания. Последнее обстоя тельство, позволяющее отнести добычной участок угольной шахты в соответствии с понятиями теории автоматического регулирования к классу неминимально-фазовых объектов, усложнило решение задачи автоматической стабилизации концентрации метана на исхо дящих струях добычных участков шахт и послужило причиной множества исследований, в которых предлагаются различные методы подавления этих всплесков. Параллельно с этим исследовалось управление распределением воздуха по горным выработкам, в кото ром обозначились два основных подхода. Первый из них основан на применении для построения системы регулирования статических методов расчета сетей, второй — на применении классических ме тодов теории регулирования. Исследования в этом весьма перспектив ном направлении ведутся в КНИУИ, ЦНИГРИ, ДПИ, ДГИ, СО ИГД АН СССР. Кроме того, отмеченными организациями проде лана значительная работа по созданию автоматических средств контроля параметров рудничной атмосферы и автоматической га зовой защиты, средств управления распределением воздуха по горным выработкам.
Создана и внедряется на шахтах страны автоматическая аппара тура централизованного контроля и газовой защиты АМТ-3, датчики скорости воздуха, датчики контроля производительности вентиля торов местного проветривания. Впервые в СССР испытана и внедрена на шахте им. Бажанова комбината Макеевуголь система диспет черского контроля состояния проветривания выемочных участ ков, в состав которой входит аппаратура АМТ-3, крыльчатый датчик скорости воздуха, разработанный ДГИ, и серийная УВМ типа УМ-1, обеспечивающая программный опрос датчиков, цифровую
5
регистрацию их показаний, вычисление расчетного количества воз духа. Аналогичная система централизованного контроля с исполь зованием телеметрической аппаратуры «Горизонт», разработанной ВНИИГД и ИГТМ АН УССР, функционирует на шахте «ЛутугинскаяСеверная». Во Франции институтом «Cerchar» разработана единая общешахтная телемеханическая система, предназначенная для теле измерения концентрации метана и скорости воздуха на исходящих струях очистных и подготовительных участков, а также концентрации метана в шахтных дегазационных газопроводах (до 40 точек кон троля), обеспечивающая многоточечную регистрацию, телеизмерение по вызову, изменение скорости регистрации. С помощью этой аппа ратуры, применяемой также на шахтах Бельгии, Англии и ФРГ, получены интересные данные об аварийных режимах в системе про ветривания, быстрой ликвидации которых способствовало наличие телеметрической системы. Применение этой аппаратуры позволяет повышать для конкретной шахты предельно допустимые нормы концентрации метана, что дает значительный реальный экономиче ский эффект.
Одними из наиболее важных объектов автоматизированной си стемы управления проветриванием являются регулируемые на ходу вентиляторы главного проветривания. Так, например, во Франции более 75%, а в ФРГ более 65% вентиляторных установок регулируют на ходу поворотом лопаток рабочего колеса. В СССР институты Гипроуглеавтоматизация и ВНИИЭ совместно с заводом ХЭМЗ ведут работы по освоению более совершенного способа плавного ре гулирования режима вентиляторов главного проветривания (ВГП) — изменением скорости вращения привода на базе асинхронной машины двойного питания.
Значительные проектно-конструкторские работы выполнены по автоматизации управления проветриванием подготовительных выра боток, где широкое применение находит телемеханическая аппара тура «Ветер» централизованного управления вентиляторами местного проветривания (ВМП), разработанная КузНИУИ совместно с Ор ловским заводом приборов, решены вопросы аэрогазового контроля тупиковых выработок и резервирования ВМП для максимального сокращения простоев по условиям проветривания.
Исследования ИГД им. А. А. Скочинского, МГИ, КПТИ, ВостНИИ, КузНИУИ, КНИУИ являются научной основой для решения одного из наиболее сложных вопросов управления проветриванием тупиковых выработок — автоматизации процесса разгазирования.
На основе этих исследований институтом Гипроуглеавтоматиза ция, КНИУИ и КузНИУИ совместно с заводом ПЗША создана аппаратура КАМА комплексной автоматизации проветривания под готовительных участков угольных шахт.
На Дегтярском руднике ЦНИГРИ при непосредственном участии авторов данной книги внедряется одна из первых в мировой прак тике система автоматического контроля и регулирования рудничного проветривания, предусматривающая комплексный контроль пара
6
метров и компонентов рудничной атмосферы (скорости воздуха, со держания кислорода, температуры, запыленности, окиси углерода), а также централизованное, автоматическое регулирование распреде ления воздуха по горным выработкам, основанное на предложенном нами принципе построения подобных систем. Опыт создания и внед рения этой системы частично использован при разработке МакНИИ, ИГД им. А. А. Скочинского, институтом Гипроуглеавтоматизация, КНИУИ и ДГИ автоматизированной системы диспетчерского управ ления проветриванием угольных шахт. Новая аппаратура, необходи мая для этой системы, в настоящее время осваивается заводом «Красный металлист».
Все сказанное выше свидетельствует о том, что в результате многолетних исследовательских и конструкторских работ ближай шие годы будут характеризоваться широким внедрением на шахтах и рудниках автоматизированных систем контроля и регулирования проветривания.
Целью данной книги является ознакомление широкого круга научных и инженерно-технических работников, занимающихся во просами создания АСУ вообще и автоматизированных систем техники безопасности в частности, с методами и техническими средствами автоматизации контроля и регулирования рудничного проветривания, разработанными в институтах ЦНИГРИ, КНИУИ, Гипроуглеавто матизация при участии авторов, а также в ДГИ, ИГД им. А. А. Ско чинского и др.
Приведенные в книге материалы по автоматизации распределения воздуха по горным выработкам относятся исключительно к легко управляемым вентиляционным сетям, так как эта же проблема для трудноуправляемых вентиляционных сетей находится еще в стадии теоретического исследования.
В соответствии со специализацией авторов § 2, 4—8, 14 и 19 написаны канд. техн. наук И. М. Местером, § 3, 10—13, 15—18 написаны канд. техн. наук И. Н. Засухиным. Остальная часть книги написана авторами совместно.
Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам инсти тутов КНИУИ, ЦНИГРИ и Гипроуглеавтоматизация, принявшим участие в исследованиях и обработке экспериментальных данных, а также работникам Дегтярского рудоуправления и шахт комбината Карагандауголь, оказавшим большую помощь в проведении экспе риментов и внедрении приборов контроля и средств регулирования рудничного проветривания. Авторы выражают благодарность также проф., докт. техн. наук В. А. Бойко за ценные советы, высказанные при рецензировании монографии.
Г л а в а I
РУДНИЧНЫЙ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
§1. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТ
ИРУДНИКОВ
Специфические особенности подземной технологии выемки по лезных ископаемых делают проблему автоматизации проветривания шахт и рудников одной из наиболее сложных в горном деле.
Трудности, возникающие при автоматизации контроля и регули рования, обусловлены, в первую очередь, большим количеством и зна чительной рассредоточенностью объектов контроля, распределенным характером множества контролируемых параметров, случайным характером возмущений.
Сложной и подчас противоречивой является связь между основным управляющим параметром — количеством воздуха — и множеством контролируемых и подлежащих регулированию параметров — кон центрацией метана, кислорода, углекислого газа, содержанием пыли и т. д. Так, например, концентрация вредных компонентов руднич ного воздуха постоянно снижается (в статике) с увеличением коли чества воздуха, подаваемого на их разбавление, а содержание пыли в воздухе при этом сначала уменьшается, а затем возрастает с уве личением скорости воздуха.
По-разному проявляются и динамические свойства объектов проветривания. Так, в условиях добычных участков угольной шахты, особенно при возвратноточной через выработанное пространство схеме проветривания, характер изменения во времени концентрации метана на исходящей струе зависит не только от количества пода ваемого воздуха, но и от скорости его изменения во времени.
При разгазировании опасных по газу тупиковых выработок основное внешнее возмущение (концентрация метана в выталки ваемой из выработки газовоздушной смеси) изменяется случайным образом во времени и оказывается зависящим от регулирующего воздействия (количества воздуха, подаваемого на выталкивание).
Весьма сложным является распознавание опасных ситуаций по информации, получаемой при контроле, так как возникает противо речие между необходимостью срочного принятия мер во избежание
8
«пропуска цели» и стремлением сократить неоправданные простои при «ложной тревоге». Точно так же стремление повысить динами ческую точность регулирования основных параметров и увеличить быстродействие системы управления наталкивается на непро порционально высокий темп возрастания ее сложности и стои мости.
Увеличение количества датчиков, в частности датчиков концентра ции метана на газовых шахтах, требует совершенствования методов и средств профилактики, технической диагностики системы в целом.
Значительные трудности при создании и внедрении датчиков контроля параметров и компонентов рудничной атмосферы обусло влены чрезвычайно тяжелыми условиями их эксплуатации и специ фическими требованиями, предъявляемыми к ним (искробезопас ность, минимальный вес и размеры, удароустойчивость, антикоррозийность, высокая селективность по отношению к измеряемому параметру при комплексном воздействии различных внешних фак торов).
Изменение с течением времени топологии и параметров вентиля ционной сети, а также количества одновременно функционирующих производственных участков обусловливает полустационарный харак тер установки средств контроля и регулирования и затрудняет надежную передачу информации от устройств ее отбора к централь ному пункту управления.
В условиях угольных шахт дополнительные трудности эксплуата ции дистанционно регулируемых вентиляционных окон связаны с проявлением горного давления и необходимостью периодического пропуска транспорта.
Весьма сложной является задача оптимального управления воздухораспределением в наиболее общем случае совместной работы многих ВГП на общую вентиляционную сеть произвольной топо логии. Полученные в этой области результаты [1—3] позволяют рассчитать стационарные режимы, в то время как динамические режимы процесса управления в реальном масштабе времени из учены еще недостаточно.
В данной книге наиболее подробно рассмотрены вопросы, связан ные с тремя основными, по мнению авторов, аспектами этой сложной проблемы.
Во-первых, это динамика процессов оптимального управления проветриванием горных производственных участков и тесно связан ные с ней вопросы вероятностной автоматической газовой защиты и централизованного контроля параметров рудничной атмосферы (см. главу II).
Во-вторых, это вопросы отбора первичной информации о пара метрах и компонентах рудничной атмосферы, а также средства регулирования распределением воздуха (см. главу III).
В-третьих, это вопросы технической реализации действующих и находящихся в стадии внедрения автоматизированных систем управления проветриванием (см. главу IV).
9