Разработка автоматизированной взрывобезопасной системы мониторинга технического состояния горных выработок на основе волоконно-оптических датчиков

Эффективное развитие горнодобывающей промышленности, добыча и освоение минерально-сырьевых ресурсов является важной стратегической задачей в национальном и международном масштабах, так как данная ортосоль обеспечивает около 80 % ВВП. Казахстана обладает значительными запасами полезных ископаемых: руд черных, цветных и благородных металлов, углеводородного сырья, урановых руд и др. Повышение эффективности работы, снижение аварийности и повышение безопасности проведения работ, вот основные направления перспективы развития данной промышленности в кооперации с внедрение высокопроизводительного оборудования и энергоэффективных технологий добычи. Данная статья рассматривает полученные результаты научно-исследовательской работы на тему «Разработка системы электронного мониторинга состояния приконтурного массива пород горных выработок». В ней приведены результаты проведенной разработки «Системы», а также итоги испытаний. Отражается вся актуальность ее использования на практике производства.

Новизна заключается в получении научно обоснованных теоретических и экспериментальных результатов, совокупность которых имеет важное значение для разработки многофункциональной системы мониторинга с высокой метрологической точностью измерения параметров. Данная система не имеет аналогов на основе оптических датчиков и сенсорной сети, обеспечивающих беспроводную передачу информации от датчиков до модуля автоматизированной системы контроля. Система полностью искробезопасна с высокими технико-экономическими показателями. Автоматизированная интеллектуальная система обработки информации и контроля безопасности с одновременным измерением до 14 параметров одновременно с системой оповещения и реагирования при критических показателях. Предлагаемая нами автоматизированная система позволит повысить эффективность горного производства и обеспечить высокий уровень безопасности, что позволит избежать крупных техногенных катастроф и аварий, который возникают в горных выработках в случаи их внезапного обрушения или выброса газа, сопровождаемые масштабными разрушениями и множественными человеческими жертвами. Поэтому задача внедрения автоматизированной взрывобезопасной системы мониторинга технического состояния горных выработок на основе волоконно-оптических датчиков имеет огромное практическое значение. Повышение эффективности горного производства и сокращение затрат на добычу полезных ископаемых в Республике Казахстан. Вопросам безопасности людей в шахтах всегда уделялось особое внимание, решение этого вопроса имеет огромную актуальность.

Предпосылкой к организации исследования стало вступление в силу

Правил обеспечения промышленной безопасности для опасных производственных объектов, которые ведут горные и геологоразведочные работы, в соответствие с Приказом Министра по инвестициям и развитию Республики Казахстан от 30.12.2014 г. №352, а также от 13.02.2015 г. № 10255», которые обязывают горно-добывающие предприятия оборудовать шахты различными электронными и программируемыми системами для осуществления постоянного контроля состояния горного массива.

На сегодняшний день подобный контроль состояния горного массива на шахтах или карьерах Казахстана осуществляется при помощи установки и мониторинга разнообразных механических индивидуальных станций, которые контролируют смещения пород кровли [1, 3]. У таких средств контроля есть ряд существенных недостатков:

– недостаток возможности дистанционной передачи сигналов о происходящих смещениях горных пород кровли на поверхность (следовательно, нет оперативности по определению мест возможных аварий);

– невозможность фиксации смещений на индивидуальных станциях без визуального контроля на месте их монтажа, необходимо специалистам осуществлять ежесменный обход по всей сети горных выработок и фиксировать все происходящие изменения, на поверхности, и затем заносить их в журналы и проводить анализ прирост смещений, величины и скорости деформаций пород и крепи с расчетами;

– наличие человеческого фактора при проведении снятия необходимых замеров в то время, когда нет прямого доступа к станциям контроля или к снятию показаний.

В 2014 году на конкурсе «УМНИК» был представлен проект на тему «Разработка системы электронного мониторинг а состояния приконтурного массива пород горных выработок» (далее – «Система») сотрудником ООО «РАНК 2», в результате чего стал победителем и получил финансовую поддержку от Фонда содействия развитию малых предприятий в научнотехнической сфере (Фонда содействия инновациям) [2].

Основная цель проекта «Системы» – это улучшение технологии проведения контроля безопасного состояния подземных горных выработок; повышение уровня безопасности горных работ при помощи оперативного определения мест «аварий»; оперативного оповещения рабочих, в том числе и ИТР о потребности в разработке специальных оперативных мероприятий; полная автоматизация процессов контроля возможных смещений пород кровли.

На сегодня уже все этапы разработки данного проекта завершены, и был получен патент [3].

На рисунке 1 представлена архитектура «Системы».

Рисунок 1 – Архитектура «Системы электронного мониторинга состояния приконтурного массива пород горных выработок»

В комплекс «Системы» входят:

• 1)    контролирующие средства:

  – сейсмические датчики;

  – аналоговые и (или) цифровые датчики контроля всевозможных технологических параметров;

• 2)    многофункциональная кабельная система:

• –    кабеленесущие конструкции;

• –    электрические и слаботочные кабели;

• –    коммутирующие устройства (к примеру, кроссы и электрические шкафы);

• 3)    систему сбора-обработки данных:

• –    серверы ввода-вывода;

• –    локальная и (или) глобальная вычислительные сети;

• –    рабочие станции диспетчеров-операторов;

• –    комплекс программ обработки данных.

Все что входит в комплекс «Системы» полностью соответствует установленным требованиям ГОСТ12.2.020-76 [4].

Архитектура «Системы» также включает множество датчиков контроля смещений, которые подключаются к общей кабельной сети при помощи установки блоков разветвителей (далее - БР). На рисунке 2 представлен общий вид датчика мониторинга контроля смещения.

Рисунок 2 – Общий вид датчика мониторинга контроля смещений

Также на протяжении всей кабельной сети монтируются необходимые усилители для осуществления оперативной передачи сигналов о происходящих смещениях в породах. Она обладает, кроме того, выходом на поверхность напрямую к удаленному пульту оператора-диспетчера, имеющим специальное программное обеспечение для обработки сигналов и установления порогов смещения пород [1]. Такое программное обеспечение, было разработано и адаптировано под операционную систему Windows и дает возможность следить за величинами смещений в режиме реального времени, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Главное окно программы

Полученные данные с датчиков кабельной сети сравниваются с базой данных и установленными нормами, и, в зависимости от того, в какой диапазон полученное значение вошло, на датчике будет отображаться соответственная световая индикация зеленого, желтого или красного цвета. А в случае достижения аварийного диапазона датчики включат звуковую сигнализацию на шахте. Все полученные значения с датчиков сохраняются в базе данных. Изменения во времени возможно просматривать на графике, который приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – График изменения значений датчиков во времени

Таким образом проходит обработка данных с датчиков сети «Системы». Помимо разработанного комплекса ПО используются и сторонние программы, позволяющие решать задачи на горнодобывающих предприятиях. Например, группа проектно-конструкторских компаний в сфере ведения горных работ и выемки породы компании «Sandvik» разработала следующие инструменты:

OptiMine® – модуль аналитики и оптимизации процесса, который состоит из различных цифровых решений и сопровождает услуги «Sandvik», позволяющий повысить эффективность горных работ.

Модуль предоставляет четкое отображение подземных операций и помогает упростить приведенную выше разработку технологий для повышения эффективности работ и обеспечения безопасности [5].

OptiMine® имеет ряд подмодулей:

• -    подмодель аналитики и оптимизации процесса;

• -    подмодуль Analytics – для осуществления трансформации полученных данных в необходимые усовершенствования технологического процесса в результате предиктивной аналитики и активных информационных панелей в других системах управления программы;

• -    средство 3D-визуализации рудника или шахты OptiMine®;

• -    инструмент для осуществления визуализации планов бурения OptiMine®;

• -    планировщик OptiMine® – наиболее эффективный инструмент для ведения графического планирования и распределения имеющихся ресурсов для проходческих работ, добычи руды, эксплуатации и технического обслуживания;

• -    подмодуль управления задачами OptiMine®;

• -    система позиционирования OptiMine®, дающая более точные данные о местоположении мобильного оборудования в режиме реального времени, в том числе и горного оборудования, и легких транспортных средств иных производителей;

• -    мониторинг OptiMine®, автоматически обновляющий данные о работе горного оборудования в режиме реального времени.

Таким образом, сделаем вывод, что представленная разработка современной системы электронного мониторинга состояния приконтурного массива пород горных выработок может быть предназначена для осуществления постоянного контроля состояния подземных горных выработок при помощи оперативного определения мест возможных «аварий» и дальнейшей дистанционной передачи полученной информации на поверхность. Использование подобной «Системы» гарантированно даст возможность уменьшить число аварийных инцидентов, которые связаны с обрушением пород кровли на шахтах, уменьшить уровень травматизма, существенно повысить уровень безопасности проведения подземных горных работ и в общем эксплуатации такого опасного производственного объекта, как шахта. Принципиальное отличие идеи проекта от существующих в мире аналогов является интеграция функций в одном устройстве с возможность проведения автоматизированного мониторинга, в режиме реального времени технического состояния горных выработок на основе волоконно-оптических датчиков и сенсорной сети. Много функциональная система измерения с высокой метрологической точностью. Данная система не имеет аналогов на основе оптических и интеллектуальной сенсорной сети, обеспечивающих беспроводную передачу информации от датчиков до модуля автоматизированной системы контроля. Система полностью искробезопасна с высокими технико-экономическими показателями на основе волоконнооптических датчиках в комплексе с разработанным программным обеспечением и сторонней аналитической программой OptiMine®.