Управление Ростехнадзора по Калужской области

К вопросу управления состоянием пылевзрывобезопасности горных выработок угольных шахт

Существующие традиционные системы управления состоянием пылевзрывобезопасности в горных выработках основываются на данных замеров запыленности воздуха на рабочих местах. Эти данные дают возможность зафиксировать частное значение, но не обеспечивают точный и полный прогноз возможных нежелательных событий и, как следствие, не позволяют эффективно управлять состоянием пылевзрывобезопасности в горных выработках.

Для обеспечения приемлемого уровня безопасности на угольной шахте необходимо детальное планирование мероприятий по снижению (устранению) рисков взрывов угольной пыли, обязательное и полное их выполнение, что позволит предотвращать инциденты и аварии, значительно снижать производственный травматизм.

Состояние пылевзрывобезопасности оценивается на рабочих местах в горных выработках шахт, а также при технологических процессах.

При оценке риска взрыва метанопылевоздушной смеси в горной выработке шахты важно рассмотреть все факторы, формирующие опасность:

надежность и устойчивость проветривания;

качество вентиляционных сооружений;

обеспеченность выработки (участка) расчетным расходом воздуха;

наличие и исправность аппаратуры аэрогазового контроля;

уровень запыленности воздуха.

Если датчики для определения расхода воздуха, содержания метана и пыли находятся в рабочем состоянии, то они отключат электроснабжение выработки в случае необеспеченности ее (участка) расчетным расходом воздуха или при превышении нормативного уровня концентрации метана и пыли.

Кроме оценки вероятности и тяжести последствий взрыва в шахте учитывается и такой фактор, как повторяемость негативных событий (число однотипных происшествий). С учетом этого рассчитывается итоговая оценка риска по выработке, рабочему месту, процессу, операции. Этапы работы по управлению состоянием пылевзрывобезопасности горных выработок:

выявление опасностей, анализ, расчет и ранжирование рисков;

разработка мероприятий по управлению (снижению, устранению) рисками и их выполнение;

снижение вероятностей наступления аварий и их тяжести (последствий) за счет предупредительных управленческих решений.

Для обеспечения пылевзрывобезопасности горных выработок очень важно установить постоянный контроль за выполнением мероприятий по снижению запыленности атмосферы и пылеотложений горных выработках.

Аварии на угольных шахтах, происходящие в условиях интенсификации добычи угля, демонстрируют противоречие между способами организации производства и способами контроля и обеспечения безопасности. Безопасность угольного производства возможно обеспечить только комплексным решением задач по организации производства и информационной поддержки управления технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных ситуациях. При этом объективный контроль — основа соответствующего технического и программного обеспечения.

Руководящие отраслевые документы (ПБ 05-618—03, РД-15-06—2006 и др.) требуют осуществлять постоянный контроль за состоянием атмосферы горных выработок. Эти требования могут быть выполнены на основе использования современных цифровых и информационных технологий в стационарных и персональных системах и минимизации возможного влияния персонала на их работу. Обязательными элементами объективного контроля являются: газоаналитические средства; системы передачи информации и связи. Ко всем перечисленным средствам и системам предъявляется требование непрерывности контроля.

Объективность аэрогазового контроля оценивается с помощью соответствующих датчиков (концентрации метана, оксида углерода, кислорода, пыли, скорости движения воздуха и т.д.). Очевидно, что средства аэрогазового контроля должны быть как стационарными, так и персональными.

Обязательные для применения датчики аэрогазового контроля целесообразно оснащать цифровым интерфейсом и развитым программным обеспечением, которое должно гарантировать разграничение доступа, самодиагностику, в том числе определение остаточного ресурса чувствительного элемента, генерацию противоаварийного управления, цифровую фильтрацию и пр. Эти свойства датчиков позволяют строить системы автоматического газового контроля и защиты без применения подземных устройств обработки информации и управления, что повышает надежность контроля, значительно снижает стоимость и эксплуатационные затраты, и исключает возможность вмешательства персонала в работу систем защиты и контроля. Датчики с цифровым интерфейсом через полевую и магистральную системы передают информацию на диспетчерский пункт, а требуемое быстродействие обеспечивается за счет использования встроенных в датчики пороговых устройств.

Системы передачи информации должны быть универсальными и многоуровневыми. На полевом уровне (подземные выработки, в которых ведутся горные работы) могут использоваться системы, обеспечивающие обмен данными с полевыми и подземными устройствами обработки информации и характеризующиеся низкими эксплуатационными затратами и сравнительно низкой скоростью передачи данных; на втором уровне (капитальные горные выработки) — специализированные магистрали передачи информации; на третьем — общепромышленные магистрали передачи данных. Можно утверждать, что обязательными условиями построения таких систем являются: функциональное отделение коммуникационной системы от технических средств полевого и контроллерного уровней; использование высокоскоростных резервированных магистралей передачи данных в капитальных выработках и различных полевых сетей в местах ведения горных работ; построение магистралей на основе перспективных стандартных интерфейсов и протоколов; использование широкого спектра преобразователей протоколов, интерфейсов и сред передачи.

В настоящее время для производственного и оперативного контроля запыленности воздуха в горных выработках и производственных помещениях угольных предприятий используются экспресс-пылемеры разных фирм-изготовителей: TM data, Respicon (фирма Helmut Hund GmbH , Германия), ПКА-01 (ООО «Горный-ЦОТ», Россия) и др. При этом существует необходимость постоянного мониторинга воздушной среды по пылевому фактору, для ведения которого в мировой практике существуют только датчики FMA-TMS (фирма Helmut Hund GmbH, Германия) и PL (Польша). Наиболее известный датчик FMA-TMS предназначен для измерения концентрации пыли фракцией менее 7 мкм, для чего используется инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия. Кроме того, существенные недостатки этого стационарного датчика — небольшой диапазон измеряемых концентраций (0–100 мг/м3) и высокая погрешность измерений вследствие неравномерности дисперсного состава в различных точках пылеобразования.

ООО «Горный-ЦОТ» разработан стационарный датчик измерения концентрации пыли в воздухе ИЗСТ-01, конструктивные особенности которого позволили исключить эти недостатки. Такой датчик предназначен для определения массовой концентрации пыли в случае контроля за превышением предельно допустимых концентраций в воздухе рабочей зоны при аварийных ситуациях, технологического контроля систем кондиционирования, вентиляционных систем и чистоты воздуха объектов различного назначения. Он имеет взрывозащищенное исполнение с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь ia» в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.10 и может применяться в угольных шахтах, опасных по газу (метан) и пыли в соответствии с ГОСТ 25754 и ПБ 05-618—03. Датчик ИЗСТ-01 может включаться в различные аналитические системы с соответствующими электрическими параметрами.

Принцип действия ИЗСТ-01 заключается в измерении интенсивности рассеянного света. Для этого датчик конструктивно выполнен в виде пространственного мультипликативного инфракрасного излучателя с длиной волны 940 нм и приемником, в качестве которого служит полупроводниковый элемент со встроенным усилителем. Регистрируемый диапазон размеров частиц составляет от 0,1 до 100 мкм, а изменения концентрации пыли — от 0 до 2000 мг/м3, при этом точность измерения в диапазоне 0–100 мг/м3 составляет 2,3–2,5 %. Широта спектра регистрации размеров частиц и их концентрации в воздухе достигается посредством точного выбора углов наклона блока излучателя и реализации последовательного их автоматического включения (или отключения) с помощью специального электронного блока. Датчик может как измерять среднее значение концентрации пыли в интервале времени от 5 с до 12 ч, так и выводить динамику максимально разовых концентраций в режиме реального времени. Данные с приемника излучения преобразуются встроенным микропроцессором и передаются по коммуникационной сети на компьютер или в адаптированную систему сбора информации.

Электронная часть прибора состоит из микропроцессора, который управляет работой ИК-излучателя, обрабатывает сигнал с фотоприемника, выводит данные на дисплей и на стандартный аналоговый выход. Для предотвращения загрязнения оптического элемента его обдувают вентилятором, прокачивающим окружающий воздух через фильтр высокой очистки.

Для инструментального контроля за наличием взрывоопасного количества отложившейся угольной пыли в горных выработках ОАО «НЦ ВостНИИ» разработана приставка к прибору ДПВ-1, принцип действия которой основан на срыве отложившейся пыли струей воздуха, выходящей с большой скоростью из сопла, с последующим засасыванием образовавшегося запыленного воздуха на фильтр, снятием показаний шкалы и расчетом количества отложившейся пыли на единицу поверхности. К числу недостатков ДПВ-1 с приставкой относятся низкая точность и представительность получаемых результатов, обусловленные крайне малой площадью контролируемой поверхности (15 мм2), неудобство манипулирования прибором, относительно большая (до 5 мин) продолжительность и трудоемкость замеров. Прибор в настоящее время промышленностью не выпускается из-за отмеченных недостатков, а также нерешенности вопроса метрологического обеспечения.

На принципиальной базе прибора ДПВ-1 ВостНИИ совместно с ПО ≪Старт≫ (г. Заречный, Пензенская обл.) разработали переносные приборы контроля пылевого режима ППР-1 и ППР-2, позволяющие определять запыленность воздуха (в том числе по респирабельным фракциям), пылеотложение, содержание негорючих веществ, скорость оседания пыли, ее дисперсный состав, процентное содержание негорючих веществ в пылевидных смесях. С помощью этих приборов непосредственно в шахтах можно установить комплексный показатель пылевзрывоопасности выработок Y , определяемый как отношение концентрации пыли C в, которая может возникнуть в воздухе при инициирующем взрыве, к нижнему пределу взрываемости отложившейся пыли d в.отл.

С учетом содержания влаги и примесей породной пыли

 

При этом выработка считается пылевзрывобезопасной при Y ≥ 1.

В приборах ППР-1 и ППР-2 предусмотрен автоматический учет удельной поверхности пыли и содержания золы. Перед измерением в прибор вводят программу с коррекцией схемы в зависимости от выхода летучих веществ пыли, содержания метана в атмосфере, площади поперечного сечения выработки. В процессе измерения за счет принятой скорости отсоса учитывается также степень связанности пыли влагой. Одновременно с комплексным показателем пылевзрывобезопасности прибор дает возможность определить пылеотложение на стенке выработки. При оснащении прибора специальным устройством, позволяющим дозировать количество подаваемой пыли, можно установить содержание в ней негорючих веществ. По данным испытаний, пределы измерения негорючих веществ — от 40 до 90 %. Продолжительность измерения каждого из параметров 5 мин.

Достоинство этих приборов — легкость и компактность, возможность определения как пылеотложения, так и содержания негорючих веществ в смеси угольной и инертной пыли. Недостатки — значительная продолжительность замеров, малая представительность пробы, поскольку поверхность ее отбора осталась такой же, как у прибора ДПВ-1 (около 15 мм2); ограниченный верхний предел измерения пылеотложения (менее 99 г/м2). Не решен также основной методический вопрос об определении возможной концентрации пыли в зависимости от инициатора взрыва, необходимый для определения показателя пылевзрывобезопасности.

В последние годы наметилась тенденция к созданию системы дистанционного контроля запыленности рудничной атмосферы с передачей информации на диспетчерский пункт шахты. При этом делаются попытки оценить взрывоопасность в выработках по измерению средней концентрации витающей в воздухе пыли. Такая система должна состоять из датчиков запыленности воздуха, блоков сбора и передачи информации на диспетчерский пункт. Программное обеспечение должно обрабатывать и представлять результаты в читаемом и понятном для диспетчера виде. Основной элемент этой системы — датчики пыли (замер запыленности воздуха или отложившейся пыли).

Структура системы дистанционного мониторинга пылевзрывобезопасности может быть трехуровневой и состоять из датчиков пыли, блоков сбора и передачи информации, сервера накопления информации и автоматизированных рабочих мест диспетчера и специалистов. Датчики пыли должны обеспечивать заданную точность показаний в условиях шахтной атмосферы, характеризующейся высокими относительной влажностью и температурой, не искажать естественный процесс пылеосаждения, быть искро- и взрывобезопасными.

Разработка системы управления пылевзрывобезопасностью горных выработок на основе датчиков пыли позволит повысить эффективность применения комплекса профилактических мер по борьбе с пылью и снизить вероятность возникновения взрывов угольной пыли в горных выработках.

А.С. Подображин, горный инженер (УГГУ)