Автоматизация процесса проветривания горных выработок

 

Содержание темы

Цель автоматизации процессапроветривания горных выработок. Принципы построения систем по оперативному контролю и управлению проветриванием горных выработок шахты. Автоматическая газовая защита. Автоматизация главных вентиляторных установок. Автоматизация вентиляторов местного проветривания.

 

Методические указания

1. Цель автоматизации процессапроветривания горных выработок. Принципы построения систем по оперативному контролю и управлению проветриванием горных выработок шахты

 

Процесс проветривания горных выработок шахты предназначен для обеспечения трудящихся воздухом необходимого количества и качества в соответствии с «Правилами безопасности в угольных шахтах», обеспечении заданной производительности забоев. Процесс является наиболее сложным, что обусловлено следующим:

а) значительной изменчивостью топологии и параметров вентиляционных сетей горных выработок.

б) сложностью и даже противоречивостью динамических связей между входным воздействием – количеством воздуха, поступающим в горные выработки, и множествомвыходных параметров, подлежащих регулированию - концетрации метана, пыли, скорости воздуха и т.д.;

в) стохастическим характером аэрогазовых процессов и наличием выбросов в случайных функциях регулируемых параметров;

г) сложностью построения системы автоматизации, большой рассредоточенностью и значительным количеством датчиков, которые перемещаются вслед за забоями

д) нa качество рудничного воздуха оказывают влияние интенсивность выделения газов-спутников (ch₄, CO₂, H₂S), содержание угольной и породной пыли, температура воздуха, подаваемого в шахту, а также интенсивность буровзрывных работ.

 

Главные вентиляторные установки, вентиляторы местного проветривания, шахтная вентиляционная сеть, регулируемые и нерегулируемые вентиляционные устройства, калориферы, кондиционеры являются техническими средствами системы проветривания.

Цель автоматизации процесса проветривания обеспечение безопасных условий ведения горных работ при эффективном использовании технических средств системы проветривания.

На данный момент существует два принципа построения систем по оперативному контролю и управлению проветриванием горных выработок шахты:

1. Информация о концентрации метана в горных выработках поступает на диспетчерский пункт шахты от датчиков метана. При превышении концентрации метана предельно допустимых норм анализаторы метана, установленные на контролируемых участках, в оперативном порядке отключают электроэнергию на аварийном участке. Вентиляторы местного проветривания и калориферные установки управляются с помощью средств телеме­ханики. Диспетчер шахты должен самостоятельно решать, какие оперативные меры по управлению процессом проветривания необходимо предпринять в данной ситуации. При этом он должен руководствоваться Правилами безопасности. На этом принципе построена система централизованной газовой защиты, например, комплекс «Метан», широко применяемый в настоящее время на шахтах. Этот принцип с точки зрения сложности применяемых технических средств автоматизации хотя и является наиболее простым, но вызывает необходимость простоев добычного оборудования, что влечет за собой большие материальные убытки. Немаловажным недостатком является отсутствие справочно-советующей части программного обеспечения данных систем в смысле глобального прогноза на основе полученной информации.

2. Второй принцип заключается в применении ЭВМ для сбора, анализа информации и выработки «Совета» по управлению системой проветривания. При этом осуществляется контроль двух параметров: концентрации метана и скорости воздуха в горных выработках. Главные вентиляторные установки оборудованы регулируемым приводом. Регулирующие вентиляционные устройства снабжены приводами и имеют телемеханическое управление. На основании полученных данных производится их анализ в ЭВМ и формируются «Советы» диспетчеру по управлению или управляющие воздействия на технические средства системы проветривания. Результатом такого регулирования должно стать снижение концентрации метана на аварийном участке горных выработок. Используя прогнозирование, можно заранее предвидеть аварийную ситуацию и принять меры по ее недопущению. Это весьма важно, поскольку повышается уровень безопасности ведения горных работ, а также полностью исключаются затраты на восстановление оборудования и горных выработок после аварии.

2. Автоматическая газовая защита

 

При рассмотрении этой темы, прежде всего студент должен ознакомиться по «Правилам безопасности в угольных шахтах» с предельно допустимыми нормами содержания метана в различных точках горных выработок шахты.

Далее необходимо изучить состав, функции и принцип действия комплекса автоматической газовой защиты «МЕТАН» [1,11].

Ниже приведено описание комплекса «МЕТАН» [1].

Назначение. Многофункциональная комплексная аппаратура — комплекс «Метан» предназначена для непрерывного местного и централизованного контроля содержания метана и выдачи сигнала на автоматическое отключение электрической энергии контролируемого объекта при достижении предельно допустимой концентрации метана в угольных шах­ах, опасных по газу.

Область применения. Комплекс может использоваться как самостоятельная система автоматической газовой защиты, а также включать­ся как подсистема в систему автоматизированного управления проветриванием шахты.

Состав. Комплекс «Метан» состоит из трех составных частей (см. рисунок 11):

– анализаторы метана АТ1-1, контролирующего содер­жание метана в одной точке (один датчик метана) до 12 шт.;

– анализаторы метана АТЗ-1, контролирующего содержание метана в трех местах до 10 шт.;

– стойка приема информации СПИ-1, устанавливаемой на поверх­ности в диспетчерской шахты.

Максимальное количество контролируемых сигналов 50, из них 42 по контролю метана и 8 по контролю скорости воздуха в горных выработках.

Анализаторы метана АТ-1-1 существуют в двух вариантах: первый – с использованием датчика метана ДМТ - 4 и аппарата сигнализации АС.5; второй, более современный – с использованием датчика метана выносного ДМВ с преобразователем параметров измерительным ППИ и аппаратом сигнализации АС.8.

Анализаторы метана АТ-3-1 также существуют в двух вариантах: первый – с использованием датчика метана ДМТ -4 и аппарата сигнализации АС.6; второй – с использованием датчика метана выносного ДМВ с преобразователем параметров измерительным ППИ и аппаратом сигнализации АС.9.

В обоих вариантах в комплект аппаратуры входят также сирена искробезопасная СИ-1 и две трубки телефонные ТИТ-1.

Датчик ДМВ предназначен для непрерывного контроля объемной доли метана в рудничной атмосфере, преобразования её в электрический сигнал и передачи этого сигнала на преобразователь ППИ. Количественное содержание метана в воздухе определяется путем беспламенного сжигания метана на поверхности платино-палладиевого катализатора датчика при температуре ~400 ⁰С и измерения выделившегося при этом тепла. На месте установки датчик метана крепится при помощи проволочной подвески к крепи.

Преобразователь ППИ предназначен для электрического питания датчика ДМВ, приёма от него сигнала об объёмной доли метана, преобразования этого сигнала в унифицированный сигнал для передачи его в аппарат сигнализации и выдачи сигнала на отключение электрического питания контролируемого объекта при превышении объёмной доли метана предельно допустимых норм. На крышке ППИ расположены: смотровые окна для светодиодов (Н1, Н2). Один светодиод Н1 загорается при превышении нижнего уровня содержания метана (первый порог), второй светодиод Н2 загорается при превышении верхнего уровня содержания метана (второй порог). На цифровом индикаторе преобразователя высвечиваются данные о концентрации метана в рудничной атмосфере в месте установки датчика ДМВ.

Аппарат сигнализации АС.8 (АС.9) предназначен для электрического питания преобразователя ППИ, выдачи сигнала на предварительное отключение отдельного

механизма участка (комбайна, погрузочной машины и пр.) с выдержкой времени (первый порог срабатывания), выдачи сигнала без выдержки на отключение электрического питания контролируемого объекта (второй порог срабатывания), передачи телеметрической информация об объемной доле метана на стойку СПИ.1, включении сирены и обеспечения телефонной связи. Аппарат сигнализации устанавливается на распределительном пункте лавы или у подземной подстанции.

Трубка телефонная искробезопасная ТИТ-1 предназначена для осуществления местной двухсторонней телефонной связи между аппаратом сигнализации, преобразователем и стойкой у диспетчера.

Сирена искробезопасная СИ-1 предназначена для осуществления подачи звукового сигнала при достижении предельно допустимой объемной доли метана в месте установки датчика ДМВ. Сирена устанавливается на распределительном пункте лавы или в месте, где вероятность нахождения людей наибольшая, например, на погрузочном пункте.

 

 

Рисунок 11 – Структурная схема комплекса «МЕТАН»

Стойка СПИ-1 обеспечивает прием информации о содержании метана по шести каналам с непрерывной записью на диаграммной бумаге самопишущих приборов и по 24 каналам дискретного светового сигнала о содержании метана. При достижении предельно допустимой концентрация метана в месте установки датчика соответствующая лампа начинает гореть мигающим светом. При концентрации метана ниже допустимого значения лампа не горит. Горение лампы ровным светом сигнализирует об отказе в цепи этого анализатора.

Функции.

Комплекс «МЕТАН» с анализаторами метана АТ1-1 и АТЗ-1 выполняет следующие функции:

– непрерывный автоматический контроль содержания метана в месте установки одного датчика (АТ1-1) и трех датчиков (АТЗ-1);

– автоматическое отключение электрического питания контролируемого объекта при достижении предельно допустимой концентрации метана;

– световую и звуковую аварийную сигнализацию;

– дистанционный визуальный контроль содержания метана по показывающему прибору на аппарате сигнализации (АС) анализатора метана;

– возможность передачи на устройство сбора и обработки информации непрерывного сигнала о содержании метана и дискретной сигнализации об отключении электрического питания контролируемого объекта по свободной паре проводов или через групповое телемеханическое устройство;

- телефонную связь между стойкой СПИ-1, аппаратом АС и датчиками ДМВ.

Принцип действия. Срабатывание отключающего устройства анализаторов метана комплекса производится с выдержкой времени от 10 до 30 мин. если концентрация метана составляет от 1 до 1,3 уставки срабатывания. Если в течение заданной выдержки времени содержание метана уменьшиться и станет меньше уставки, отключения фидерного автоматической выключателя не произойдет. Однако, если концентрация метана превысит 1,3 уставки срабатывания, сигнал на снятие напряжение с контролируемого объекта будет подан сразу, без выдержки времени. Такой принцип работы исполнительных блоков аппаратов анализаторов позволяет избежать отключения электроснабжения контролируемого объекта при случайных, кратковременных превышениях концентрации метана.

Следует обратить внимание, что в настоящее время на смену комплексу «МЕТАН» разработан комплекс «КАГИ». Принцип действия комплекса «КАГИ» по контролю содержания метана в горных выработках аналогичен комплексу «МЕТАН». Однако в отличие от «МЕТАНА» комплекс «КАГИ» представляет собой интеллектуальную многопроцессорную систему с двумя уровнями обработки информации. Информация от анализаторов метана поступает в ЭВМ и представляется оператору на дисплее ЭВМ. Дополнительно предусматривается осуществление контроля и управления при помощи клавиатуры ЭВМ вентиляторами местного проветривания и групповыми аппаратами системы электроснабжения. Кроме того, комплекс «КАГИ» позволяет регистрировать и сохранять в памяти ЭВМ динамику изменения аэрогазовой обстановки и выданные рекомендации по управлению и предупреждения, т.е. выполнять функции "черного ящика", что позволяет деталь-

но и объективно выполнить анализ причин и обстоятельств аварии для принятия мер по предотвращению аналогичных случаев в будущем.

 

3. Автоматизация главных вентиляторных установок и вентиляторов местного проветривания

 

Главные вентиляторные установки

Главная вентиляторная установка проветривания шахты состоит из рабочего и резервного вентиляторов с присоединенными к ним входными и выходными элементами, подводящим каналом, диффузорами, глушителями шума, входной частью и вспомогательными устройствами для переключения и реверсирования вентиляционной струи. Для автоматизации главных вентиляторных установок в различное время разработана и выпускалась отечественной промышленностью аппаратура УКВГ, ЭРВГП - 2, АДШВ и УКАВ-2. В настоящее время для этих целей промышленность выпускает специально разработанную для угольной промышленности аппаратуру УАШВ - 1 и УАШВ - 2, а также универсальный комплект для автоматизации вентиляторов типа УКАВ - М. Необходимо изучить аппаратуру УКАВ.М [13].

Назначение. Аппаратура УКАВ – М предназначена для автоматического управления шахтными вентиляторами главного проветривания с различными типами вентиляторных агрегатов и их электроприводов, обеспе­чивает различные виды управления и режимы работы, а также контроль, защиту и сигнализацию состояния вентиля­торных установок.

Область применения. АппаратураУКАВ – М применяется для управления вентиля­торными агрегатами главного проветривания шахт. Аппаратура имеет несколько типо исполнений, различаю­щихся по следующим признакам: тип привода (синхронный, асинхронный, двухдвигательный асинхронный, синхро – асинхронный); наличие или отсутствие вспомогательных приводов; ко­личество ляд.

Функции. Аппаратура УКАВ-М выполняет следующие функции:

- выбор вида управления вентиляторной установкой (дистанционное управление из центрального диспетчерского пункта; автоматизированное управление из помещения вентиляторной установки; ремонтно-наладочное);

- работу в нормальном и реверсивном режимах;

- автоматический контроль и сигнализацию за работой установки (производительность и депресию вентилятора; температуру подшипников вентилятора и электродвигателя; положения лопаток направляющего аппарата; положення ляд; потока и давления масла в системе смазки; разгона двигателя; наличия напряжения питания);

- регулирование производительности вентилятора поворотом лопаток направляющего аппарата;

- автоматическое включение резервного вентилятора (при аварийном отключении рабочего вентилятора);

- автоматическое включение резерва низкого напряжения; автоматическое повторное включение при кратковременном (до 10 с) отключении питающего напряжения;

- реверсирование вентиляционной струи без остановки центробежного вентилятора;

- возможность регулирования производительности вентилятора за счет изменения скорости вращения приводного двигателя при подключении к комплекту УКАВ -М аппаратуры регулирования частоты вращения вентилятора с помощью машины двойного питания или асинхронно-вентильного каскада.

Состав. В состав аппаратуры УКАВ – М в зависимости от типоисполнений входят шкафы управления: ШУ1, ШУ2 — для всех типоиспол­нений; ШУЗ, ШУ4 — для типоисполнений со вспомогательными приводами; ШУ5 — для типоисполнений, предназначенных для синхронного привода; ШУ6 — для типоисполнений, предназна­ченных для асинхронного привода; ШУ7 — пульт дистанцион­ного управления.

С помощью шкафов ШУ1 и ШУ2 обеспечивается управление следующими механизмами вентиляторного агрегата: направляю­щим аппаратом (для двусторонних вентиляторов двумя на­правляющими аппаратами ); спрямляющим аппара­том(для осевых реверсивных вентиляторов); тормозом (для осевых вентиляторов); маслонасосам(для вентиляторов с маслосмазкой); масляным выключателем (для реверсивных вентиляторов два масляных выключателя нормального и реверсивного вращения); роторными станциями (для вентиляторов с асинхронным приводом) или станциями уп­равления (для вентиляторов с синхронным приводом). На шкаф ШУ2 поступают сигналы от датчиков давления и протока масла, с роторных станций или станций возбуждения, станций высоковольтных устройств и щита вспомогательных приводов, от ко­нечных выключателей механизмов. Кроме того, на шкаф ШУ1 поступают сигналы о температуре подшипников вентилятора и двигателя, температуре обмоток двигателя, производительности и депрессии вентиляторов

Шкаф ШУЗ осуществляет распре­деление энергии напряжением 380В по всем шкафам управления вентиляторной установки.

Шкаф ШУ4 служит для управления электродвигателями лебе­док ляд.

Шкаф ШУ5 —для подачи питания на тиристорное возбудительное устройство.

Шкаф ШУ6 содержит контакторы для переключения пусковых роторных сопротивлений в реле времени для выработки сигналов о временных интервалах по переключению с одной ступени сопротивления на другую. Шкаф ШУ6 производит пуск приводных двигателей в четыре ступени.

Шкаф (пульт) ШУ7 предназначен для дистанционного управления вентиляторной установкой в составе двух вентиляторных агрегатов. На пульте расположены следующие органы управления: кнопки (пуск, стоп, реверс, больше, меньше); переключатели (нормальный режим, реверсивный); потенциометры (больше, меньше). На пульт ШУ7 выдается световая сигнализация о положении всех механизмов вентиляторной установки, о положении ляд, о вклю­чении или отключении вентиляторного агрегата, об аварийном отключении вентиляторного агрегата или предупреждении об отклонении от нормального режима работы, о виде управления (местное, дистанционное).

Вентиляторы местного проветривания

Для автоматизации вентиляторов местного проветривания (ВМП) в различное время разработана и выпускалась отечественной промышленностью аппаратура АКВ-2П и АЗОТ. В настоящее время выпускается аппаратура АПТВ и АПТМ (с применением микроконтроллеров). Необходимо изучить аппаратуру АПТВ, как наиболее распространенную на угольных шахтах.

Назначение. Аппаратура АПТВ предназначена для автоматического непрерывного контроля количества воздуха, поступающего к забою тупиковой выработки, по вентиляционным трубопроводам, проветриваемой вентиляторами местного проветривания (ВМП), в шахтах опасных по газу и пыли, и автоматического защитного отключения электроэнергии при нарушении нормального режима проветривания [4,5].

Функции. Аппаратура АПТВ блокируется с групповым аппаратом системы электроснабжения тупиковой выработки, проветриваемой ВМП и осуществляет следующие основные функции:

- автоматизированное, местное и диспетчерское управление через систему телемеханики рабочим или резервным ВМП;

- импульсное включение пускателя рабочего или резервного ВМП, обеспечивающее плавное заполнение вентиляционного трубопровода воздухом;

- автоматическое повторное импульсное включение пускателя рабочего или резервного ВМП при восстановлении напряжения хотя бы на одном из них в течение 60-110с с момента исчезновения напряжения на установке;

- автоматическое включение резервного ВМП при отключении рабочего ВМП. При поступлении команды на запуск ВМП или при автоматическом повторном включении ВМП должно происходить включение рабочего ВМП, а в случае невключения – запуск резервного ВМП.

- регулируемую выдержку времени на включение группового аппарата (пускателя), питающего электроприемники подготовительной выработки, в пределах от 5 до 20 мин с момента выдачи датчиком ДСВ сигнала о нормальном проветривании выработки;

- автоматическое отключение группового аппарата с регулируемой выдержкой времени от 30 до 120 с с момента выдачи датчиком ДСВ сигнала о нарушении нормального режима проветривания выработки;

- местную световую сигнализацию о включенном или отключенном состоянии рабочего и резервного ВМП, о нормальном и аварийном режимах проветривания и разрешения на включение группового аппарата.

Состав. Основными блоками аппаратуры являются датчик скорости воздуха ДСВ и блок управления вентиляторами БУВ

Датчик ДСВ представляет собой искробезопасный тахогенератор переменного тока, на оси которого крепится крыльчатка. Датчик кре­пится внутри металлического патрубка воздухопровода вблизи выхода воздушной струи. При включенном вентиляторе местного проветрива­ния воздух, действуя на крыльчатку, приводит во вращение ротор тахогенератора, на выходной обмотке которого возникает переменное напря­жение, частота которого пропорциональна усредненной по сечению трубо­провода скорости движения воздуха.

Принцип действия. Принцип работы аппаратуры АПТВ основан на обработке электрического сигнала поступающего от датчика скорости воздуха ДСВ и выдачи блоком БУВ соответствующих управляющих и информационных сигналов.

После включения вентилятора ВМП и установления нормального режима проветривания тупиковой выработки датчик контроля скорости воздуха ДСВ выдает сигнал с частотой, которая пропорциональная скорости воздушного потока, в блок БУВ. Через выдержку времени продолжительностью 5...20 мин (в зависимости от уставки) формируется разрешение на включение группового аппарата системы электроснабжения электропотребителям тупиковой выработки.

При нарушении проветривания тупиковой выработки прекращается поступление сигнала от датчика ДСВ в аппаратуру АПТВ, что приводит к отключению группового аппарата системы электроснабжения..

Блок управление вентиляторами БУВ обеспечивает автоматическое повторное импульсное включение пускателя рабочего или резервного ВМП при восстановлении на протяжении 110 с питающего его напряжения. Импульсное включение пускателя рабочего или резервного ВМП обеспечивает плавное заполнение вентиляционного трубопровода воздухом (для исключения порыва трубопровода).

Если же напряжение в сети будет отключено на время большее 110 с, то автоматический импульсный запуск ВМП не состоится. Запуск ВМП в этом случае необходимо выполнить с помощью кнопки „ПУСК”, которая расположена на исполнительном устройстве.

При остановке рабочего ВМП блок БУВ автоматически включит в работу резервный ВМП. При этом аппаратура АПТВ выполняет все функции управления вентилятором.

Управление работой ВМП может осуществляться также диспетчером шахты по системе телемеханики.

Также аппаратура АПТВ осуществляет передачу информации в систему телеконтроля о работе ВМП, наличии напряжения в резервной сети, нормальном и аварийном режимах проветривания тупиковой выработки.

 

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите предельно допустимые нормы содержания метана в горных выработках шахты, предусмотренные Правилами безопасности в угольных шахтах, для настройки автоматической газовой защиты.

2. Перечислите технические средства стационарной аппаратуры автоматической газовой защиты.

3. Назначение, функции и состав комплекса «МЕТАН».

4. Каким образом осуществляется автоматическая газовая защита при применении на шахте комплекса «МЕТАН».

5. Где устанавливается стойка СПИ.1М комплекса «МЕТАН» и какая информация отображается на ней.

6. Существует ли телефонная связь между стойкой СПИ-1, аппаратом АС и датчиками ДМВ анализаторов метана.

7. Какая индикация представлена на аппарате сигнализации АС анализатора метана.

8. Дайте краткую характеристику комплексу «КАГИ».

9. Перечислите существующие средства автоматизации главных вентиляторных установок системы проветривания шахты.

10. Дайте краткую характеристику аппаратуре УКАВ.М.

11. Какие виды управления вентиляторной установкой предусмотрены в аппаратуре УКАВ.М.

12. Перечислите существующие средства автоматизации вентиляторов местного проветривания.

13. Дайте краткую характеристику аппаратуре АПТВ.

14. Какой тип датчика используется для контроля скорости воздуха в воздуховоде от вентилятора местного проветривания и где он устанавливается.

15. При аварийном выключении вентилятора местного проветривания, какие управляющие команды формирует аппаратура АПТВ.

 

 

Тема 7.