Підвищення надійності контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.26.01 - “Охорона праці”

Підвищення надійності контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт

Котляров Олександр Костянтинович

Дніпропетровськ - 2005

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Наявність великої кількості небезпечних і шкідливих виробничих чинників, характерних для вугільних шахт, призводить до високого рівня травматизму, професійної захворюваності і аварійності в галузі. Серед підземних аварій особливу небезпеку представляють вибухи метану і вугільного пилу. По частоті прояву ці аварії складають у середньому 4%, а збиток від них доходить до 10% і більше. Так, вже в XXI столітті в підземних виробках вугільних шахт України відбулося 8 вибухів з важкими наслідками, жертвами яких стали 223 працівники шахт.

Однією з причин виникнення вибухів є недостатня надійність засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, що призводить до неспрацьовування автоматичного газового захисту при аварійних загазуваннях. Особливу небезпеку являє несанкціоноване втручання в роботу стаціонарних засобів контролю метану, у результаті якого неспрацьовування автоматичного газового захисту може призвести до несвоєчасного відключення електроустаткування на аварійній дільниці або до помилкового включення машин і механізмів при наявності вибухонебезпечної концентрації метану. Прикладом такої події є вибух метану і вугільного пилу на шахті Краснолиманська, у результаті якого загинуло 37 осіб.

Як правило, несанкціоноване втручання в роботу стаціонарних засобів контролю метану здійснюється з метою відключення газового захисту. Воно реалізується шляхом замикання або шунтування лінії зв'язку, обмеження доступу метану до чутливих елементів засобів контролю (обливання водою датчика, огортання мокрим одягом та ін.), просторового переміщення датчиків тощо. Випадки такого втручання виявляються в основному вже при розслідуванні аварій. В існуючих газоаналізаторах передбачено виявлення деяких видів втручання в лінію зв'язку, однак, донині надійний захист від більшості видів несанкціонованого втручання відсутній. Крім того, газоаналізатори експлуатуються в складних умовах підземних гірничих виробок, де на них діють різноманітні чинники, здатні призвести до ушкодження чутливих елементів і порушення працездатності, як окремих функціональних вузлів, так і газоаналізаторів у цілому. Це визначає важливість здійснення автоматичної діагностики працездатності засобів контролю вибухонебезпечності.

З огляду на вищевикладене, дослідження, спрямовані на розробку методів і засобів підвищення надійності контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконані відповідно до Національної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 2001-2005 р. (постанова Кабінету Міністрів України №1320 від 10.10.2001 р.) відповідно до планів науково-дослідних робіт Національного гірничого університету за темами “Комплексний контроль вибухобезпеки гірничих виробок і запобігання неоднозначності спрацьовування засобів її забезпечення” та “Розробка технічних засобів для дослідження вибухових властивостей метано-пило-волого-повітряної суміші” (№ держреєстрації відповідно 0104U000771 і 0104U005379).

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності контролю вибухонебезпечності гірничих виробок вугільних шахт, шляхом обґрунтування методів і розробки засобів автоматичної діагностики і виявлення несанкціонованого втручання в роботу стаціонарних газоаналізаторів.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

- виконати аналіз існуючих способів, засобів і систем контролю вибухонебезпечності гірничих виробок, з погляду забезпечення надійності вибухозахисту при несанкціонованих втручаннях у роботу засобів контролю метану і дії екстремальних значень чинників, що впливають на роботу газоаналізаторів;

- виявити та дослідити чинники, що впливають на надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт при несанкціонованому втручанні в роботу стаціонарних газоаналізаторів;

- дослідити роботу засобів контролю вибухонебезпечності при дії на газоаналізатори екстремальних значень чинників, що впливають на їх роботу;

- обґрунтувати способи автоматичної діагностики засобів контролю метану та виявлення несанкціонованого втручання в їх роботу;

- розробити засоби автоматичної діагностики і виявлення несанкціонованого втручання в роботу стаціонарних газоаналізаторів;

- намітити перспективи удосконалювання засобів і систем контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт.

Об'єкт дослідження - процес забезпечення вибухобезпеки гірничих виробок вугільних шахт.

Предмет досліджень - способи та засоби контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт.

Методи дослідження. Для досягнення поставлених задач у роботі використані аналіз і узагальнення існуючих літературних джерел, щодо методів і засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробках шахт - при виборі та обґрунтуванні напрямків досліджень; фізичне моделювання й експериментальні дослідження в лабораторних і шахтних умовах засобів контролю при несанкціонованому втручанні і впливі екстремальних значень неконтрольованих чинників - для вибору методів підвищення надійності засобів контролю; елементи класичної теорії газодинаміки, електротехніки і масопереносу - при обґрунтуванні запропонованих методів.

Ідея роботи полягає в розкритті особливостей роботи засобів контролю вибухонебезпечності при несанкціонованому втручанні та дії екстремальних значень неконтрольованих чинників і розробці на цій основі методів та засобів контролю, що підвищують надійність вибухозахисту гірничих виробок шахт.

Основні наукові положення та результати, їх новизна.

Положення.

1. Несанкціоноване обмеження надходження метаноповітряної суміші до виносних датчиків метану призводить до зниження відносної величини макро- і мікрофлуктуацій вихідного сигналу газоаналізаторів більше ніж у 3 рази в порівнянні з нормальною роботою, згладжуванню його пульсацій і зсуву частотних характеристик аналізатора в область більш низьких частот.

2. Заливання металокерамічного фільтра термокаталітичного датчика водою призводять до зменшення відносної величини флуктуацій вихідного сигналу газоаналізатора не більше ніж у 2 рази в порівнянні з нормальною роботою, а також обумовлює істотну зміну характеру протікання перехідних процесів після зміни режиму живлення термоелементів та залежності вихідного сигналу вимірювального моста від величини напруги живлення при постійній концентрації метану.

3. Зниження каталітичної активності чутливих елементів у результаті дії факторів, що впливають на них, призводить до зменшення відносного значення амплітуди імпульсу вихідної напруги вимірювального моста, що спостерігається після нетривалого припинення процесу окислювання метану на робочому елементі.

Наукові результати і їхня новизна.

1. Виявлені і досліджені фактори, що впливають на надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт при несанкціонованому втручанні в їхню роботу. Вперше показано, що навмисне обмеження доступу метаноповітряної суміші до чутливих елементів засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт призводить до зміни характеру пульсацій вихідного сигналу газоаналізаторів і зсуву їхньої частотної характеристики в область більш низьких частот.

2. Досліджено закономірності роботи засобів контролю після впливу екстремальних значень факторів, що впливають на термокаталітичний датчик. Уперше встановлений характер впливу на чутливі елементи газоаналізаторів ударних дій, мінералізованої шахтної води, високих концентрацій метану та хімічно активних газів, що утворяться при вибухових роботах і пожежах.

3. Досліджено закономірності роботи термокаталітичних датчиків метану після нетривалого припинення процесу окислювання метану на робочому елементі. Розроблено оригінальні методи автоматичної діагностики нуля вимірювального моста газоаналізатора і каталітичної активності чутливого елемента термокаталітичного датчика метану.

4. Досліджено перехідні процеси при обмеженні надходження метаноповітряної суміші в реакційну камеру датчика і зміні режимів живлення чутливих елементів. Розроблені та обґрунтовані методи виявлення несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю метану, засновані на аналізі характеру зміни частотних характеристик газоаналізаторів і дослідженні перехідних процесів при зміні режимів роботи термокаталітичного датчика.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій забезпечується: проведенням експериментальних досліджень з використанням апробованих методик, атестованого устаткування і засобів контролю; застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу; коректністю прийнятих допущень і використанням класичних положень газодинаміки, електротехніки і масопереносу при теоретичному обґрунтуванні запропонованих методів діагностики і виявлення несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок; погодженістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані при розробці технічних засобів контролю вмісту метану в гірничих виробках шахт, що дозволило підвищити надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, у тому числі стаціонарних автоматичних газоаналізаторів з автоматичною діагностикою стану і виявленням несанкціонованого втручання в їхню роботу.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на НВО “Червоний металіст” (м. Конотоп) при розробці технічного завдання на проведення дослідно-конструкторських робіт з виготовлення стаціонарних автоматичних газоаналізаторів і реле для забійних машин з функціями автоматичної діагностики стану засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт і виявлення несанкціонованого втручання в їх роботу.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і постановці задач досліджень, виконанні теоретичних і експериментальних досліджень засобів контролю метану при несанкціонованому втручанні в їх роботу і дії екстремальних значень неконтрольованих факторів, розробці методів і засобів контролю метану з автоматичною діагностикою стану і виявленням несанкціонованого втручання в їх роботу. Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає у дослідженні динаміки аварійності, особливостей формування вибухонебезпечного середовища в гірничих виробках шахт і розробці методів контролю вибухонебезпечності [1], обґрунтуванні методів автоматичної діагностики активності робочого термоелементу [5] та нуля вимірювального моста аналізатора [6], дослідженні методів підвищення надійності газоаналізаторів [7] та розробці ознак винаходів [8-13].

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних конференціях “Форум гірників” (Дніпропетровськ, 2002, 2003), “Україна наукова 2003” (Дніпропетровськ, 2003), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2004), “Проблеми аерології гірничодобувних підприємств” (Дніпропетровськ, 2004), “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній промисловості” (Макіївка, 2004), “Наука і освіта 2005” (Дніпропетровськ, 2005), науково-технічному семінарі кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2005 р.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 16 наукових праць (з них 6 статей написано самостійно), у тому числі одна монографія, 6 статей у журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України, 6 патентів на винаходи, 3 матеріали і доповіді на конференції.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів та висновків. Вона містить 192 сторінки машинописного тексту, включаючи 46 рисунків, 10 таблиць, список використаних джерел з 98 найменувань і додаток на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення та впровадження результатів роботи.

У першому розділі виконано аналіз стану аварійності і травматизму в гірничодобувній промисловості, впливу на нього процесів переоснащення шахт засобами контролю вибухонебезпечності, особливостей виникнення вибухонебезпечних умов у гірничих виробках вугільних шахт, методів і засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт.

Аналіз показав, що одним з основних факторів, який спричиняє вибухи газу на вугільних шахтах України є неспрацьовування автоматичного газового захисту або сигналізації про наявність неприпустимої концентрації метану при аварійних загазуваннях гірничих виробок шахт. Це пов'язано як з слабким відновленням існуючого парку засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, так і з їх недостатньою надійністю.

Оснований елемент систем аерогазового захисту - газоаналізатори експлуатуються в складних підземних умовах, що характеризуються високою вологістю, наявністю високих концентрацій метану та хімічно активних газів, які утворяться при вибухових роботах і пожежах, можливістю впливу на чутливі елементи газоаналізаторів ударних дій, мінералізованої шахтної води тощо. Крім того аналіз причин аварій вказує на непоодинокі випадки навмисного втручання в роботу аналізаторів, з метою їх загрублення.

Відсутність автоматичної діагностики стану засобів контролю вибухонебезпечності і виявлення несанкціонованого втручання в їх роботу обумовлює недостатню надійність систем вибухозахисту через відмову засобів автоматичного газового контролю при аварійних загазуваннях гірничих виробок шахт. З огляду на сучасний рівень розвитку мікроелектроніки й обчислювальної техніки питання діагностики електронних блоків, ліній зв'язку, джерел живлення не представляють складності. Однак питання виявлення несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю та автоматичної діагностики стану первинного перетворювача, як одного з найменш надійних і таких, що найбільш складно піддається діагностиці вузлів газоаналізаторів, донині не вирішені.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі наведені результати експериментальних досліджень чинників, що впливають на надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт.

Зважаючи на складність моделювання шахтної атмосфери і реальних умов експлуатації газоаналізаторів, експериментальні дослідження засобів контролю вибухонебезпечності при несанкціонованому втручанні в їх роботу виконувались в шахтних умовах. Вивчення дії чинників, що впливають на термокаталітичні датчики, виконувалось з використанням атестованого лабораторного устаткування ВАТ “Червоний металіст”, яке дозволяло моделювати основні параметри рудникової атмосфери і створювати газоповітряні суміші необхідного складу. При проведенні експериментальних досліджень використовувались апробовані методики проведення випробувань і перевірки засобів контролю вмісту метану, розроблені НДПКІ “Автоматвуглерудпром”.

Програмою досліджень передбачалося вивчення зміни статичних і динамічних вихідних характеристик термокаталітичних датчиків і газоаналізаторів при дії на чутливі елементи високих рівнів неконтрольованих чинників і різних видах несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю вибухонебезпечності, у тому числі: надіванні на виносний датчик поліетиленових пакетів, закривання отворів у корпусі виносного датчика, огортанні виносного датчика мокрим матеріалом, заливанні термокаталітичного датчика водою, впливі на датчик високих концентрацій газів, що утворяться при вибухових роботах та пожежах тощо.

Дослідження аналізаторів при несанкціонованому втручанні в їх роботу були проведені в умовах шахти ім. Героїв Космосу ВАТ “Павлоградвугілля”. На шахті виносні датчики метану були встановлені на 943 бортовому штреку на останній рамі тупика погашення за 943 лавою пласта С₉ з боку протилежного виходу з лави. Фрагменти спостережень при різних масштабах часу за роботою аналізаторів після деяких видів втручання приведені на рис. 1 - 2.

Аналіз результатів досліджень показав, що при усіх випадках несанкціонованого обмеження надходження метаноповітряної суміші до виносних датчиків аналізаторів спостерігається характерне плавне зниження їх показань на протязі 12 - 15 хв. (постійна часу 3 - 4 хв.), а потім встановлення істотно меншого рівня вихідного сигналу. Одночасно з цим істотно знижується (більше ніж у 3 рази) відносна величина макро- і мікрофлуктуацій вихідного сигналу аналізатора.



Рис. 1. Фрагменти спостережень за роботою аналізаторів після закривання отворів у корпусі виносного датчика: 1 - контрольний аналізатор; 2 - аналізатор з обмеженням надходження газоповітряної суміші

Рис. 2. Фрагменти спостережень за роботою аналізаторів після заливання термокаталітичного датчика водою: 1 - контрольний аналізатор; 2 - аналізатор з обмеженням надходження газоповітряної суміші

У випадку заливання металокерамічного фільтра термокаталітичного датчика водою відбувається різке зниження показань, а потім встановлення істотно меншого рівня вихідного сигналу, при цьому відносна величина макрофлуктуацій вихідного сигналу газоаналізатора практично не змінюється, а зміна відносної величини мікрофлуктуацій не настільки істотна, як у попередніх випадках втручання. Оскільки така ситуація може виникнути і при нормальній роботі газоаналізатора, ці ознаки не дозволяють однозначно виявити даний вид втручання, що обумовлює необхідність як додаткового пошуку ознак, що дозволяють виявити такий вид утручання, так і пошуку рішень спрямованих на упередження можливості заливання фільтра водою.

При значних ударних впливах на термокаталітичні датчики виникає істотний зсув нуля аналізаторів при збереженні постійної чутливості по газу метану. Цей зсув може бути як убік позитивних, так і негативних значень. Причина цього полягає в зміщенні чутливих термоелементів щодо їхнього початкового положення і зміни в результаті цього тепловіддачі від них. З огляду на можливість зсуву нуля аналізаторів при ударних впливах, для підвищення надійності засобів контролю вибухонебезпечності необхідно здійснювати автоматичну перевірку нуля при їхній експлуатації.

Багаторазове заливання фільтра термокаталітичних датчиків чистою мінералізованою шахтною водою призводить до зсуву нуля газоаналізаторів убік позитивних значень вихідного сигналу, що обумовлено накопиченням відкладень солі на внутрішній поверхні фільтру і, відповідно, зменшенням коефіцієнта чорноти цієї поверхні, що призводить до зниження частки радіаційної складової теплообміну термоелементів. Багаторазове заливання фільтру неочищеною шахтною водою крім зсуву нуля аналізаторів призводять до зниження показань аналізаторів, що свідчить про зниження газодифузійної провідності фільтра в результаті осідання в його порах нерозчинних твердих часток.

При тривалій роботі аналізаторів в умовах високих концентрацій метану відбувається помітне змішання нуля газоаналізатора убік позитивних значень вихідного сигналу без помітної зміни його чутливості. Причина цього полягає в більш швидкому зношенні чутливого елемента, що працює при температурах на 150 - 160 ⁰С вище, ніж порівняльний елемент термогруппы.

Вплив високих концентрацій диоксида сірки і сірководню не призводить до зсуву нуля газоаналізаторів, однак практично у всіх термокаталітичних датчиків спостерігається зниження чутливості.

При дії на термокаталітичний датчик високих концентрацій пилу в результаті його осідання на поверхні металокерамічного фільтра відбувається зниження чутливості газоаналізаторів. Після видалення пилу з поверхні фільтра шляхом струшування і продувки повітрям чутливість газоаналізаторів відновлюється не повністю, що свідчить про накопичення пилових часток усередині пор фільтра і зниження його газодифузійної провідності.

Третій розділ присвячений розробці методів автоматичної діагностики засобів контролю метану.

Здійснити автоматичну діагностику нуля вимірювального моста можна шляхом зниження напруги його живлення до величини, при якій не протікає реакція окислювання метану на каталітично активному елементі. Але при застосуванні відомих схем включення термокаталітичних датчиків у вимірювальний міст, перехід до зниженої напруги живлення спричиняє зсув нуля моста. Теоретичний аналіз показав, що така діагностика можлива у випадку застосування запропонованої нами схеми включення датчика у вимірювальний міст (патент 62861А), що має два перемінних резистори, один із яких зміщує потенціал середньої точки баластової гілки моста, а другий - включається паралельно термоелементу з більшою крутістю вольтамперної характеристики (рис. 3).

В такому випадку зміщена характеристика термоелемента 1 і характеристика гілки моста з шунтовими резисторами описуються рівняннями

 (1)

, (2)

де - напруга зміщення середньої точки баластової гілки моста, В; - струм через термоелемент 1, А; , - опори термоелементів при 0 ⁰С, Ом; - температурний коефіцієнт, 1/⁰С; , - терморезистивні коефіцієнти термоелементів, ⁰С/А²; - опір шунтових резисторів, Ом; - температура газу, ⁰С.

Рис. 3. Схема моста с включенням шунтових резисторів паралельно елементу с більшою крутістю вольтамперної характеристики: 1,2 - термоелементи; 3,4 - шунтові резистори; 5-7 - баластні резистори

Підбором параметрів шунтових резисторів і величини напруги зміщення можна керувати положенням вольтамперних характеристик і виключити зсув нуля вимірювального моста при живленні зниженою напругою. Розроблено методику ручного та автоматичного балансування запропонованого вимірювального моста, що забезпечує відсутність зміщення нуля вимірювального моста при зміні напруги живлення.

Зміна параметрів живлення термокаталітичного датчика призводить до зміни ефективної дифузійної провідності елемента і спричиняє зміну концентрації метану в реакційній камері. Це відкриває можливість шляхом аналізу перехідних процесів після зміни режиму живлення термогруппи, зокрема після паузи при діагностиці нуля вимірювального моста, оцінити активність робочого термоелемента.

Виконаний теоретичний аналіз та експериментальна перевірка показала, що при використанні термокаталітичних датчиків, встановлених в аналізаторах АТ1-1 і АТ3-1 така діагностика ускладнена, через малу амплітуду імпульсу вихідного сигналу після паузи і накладення перехідних теплових і газодинамічних процесів. Теоретично показано, що діагностика активності можлива при застосуванні запропонованого нами датчика з додатковим дифузійним опором (патент 61224А), у якому параметри фільтра, додаткового опору (каліброваного отвору) і термоелементів підбираються так, що забезпечується нерівність , де , - відповідно, дифузійна провідність отвору, фільтра та ефективна дифузійна провідність термоелемента, м³/с. При малій тривалості паузи t (до 2 с) концентрація метану в камері після паузи визначається як

, (3)

де - відповідно, початкова концентрація метану в реакційній камері та в атмосфері, кг/м³; - об'єм реакційної камери датчика, м³.

В цьому випадку, при постійному об'ємі реакційної камери і тривалості паузи відносна величина амплітуди сплеску вихідного сигналу після паузи однозначно залежить від ефективної дифузійної провідності робочого елементу

. (4)

При значній тривалості паузи концентрація метану в камері дорівнює його концентрації в атмосфері, а відносна величина амплітуди сплеску вихідного сигналу після паузи визначається як

. (5)

На рис. 4 приведені експериментально зняті перехідні процеси після паузи тривалістю 20 с для датчиків з нормальною і пониженою (у 3,5 рази) активністю робочого термоелемента. Звідси видно, що зниження активності елемента може бути чітко виявлено.

Рис. 4. Перехідні процеси при діагностиці активності робочого елемента: 1 - нормальна активність; 2 - понижена каталітична активність

Застосування запропонованого датчика дозволяє також розширити діапазон вимірювання, зменшити вплив нестабільності напруги живлення, температури, швидкості газоповітряної суміші і запиленості фільтра на похибку вимірювання, а також забезпечує збереження працездатності аналізатора при підвищеному вмісті метану в атмосфері. Автоматична перевірка блоків захисного відключення може бути здійснена шляхом розбалансування вимірювального моста при підключенні паралельно одному з пліч моста резистора. При проведенні діагностики нуля і чутливості термогруппы в умовах, коли амплітуда сплеску вихідної напруги після паузи перевищує пороги спрацьовування захисту, одночасно перевіряється і працездатність схем захисного відключення.

У випадку застосування в аналізаторі двох вимірювальних мостів (високих і низьких концентрацій) перевірка працездатності блоків, що забезпечують однозначність роботи захисту, може бути здійснена шляхом розбалансування вимірювального моста високих концентрацій. При використанні в аналізаторі одного вимірювального моста і вимірюванні високих концентрацій метану по величині напруги на порівняльному елементі, перевірка працездатності блоків, що забезпечують однозначність роботи захисту, може бути здійснена по перехідному процесі на компенсаційному елементі в момент включення датчика під номінальну напругу одночасно з діагностикою нуля вимірювального моста.

При одночасному використанні дводротової лінії зв'язку для живлення аналізатора і організації асинхронного або синхронного обміну інформацією між ним і апаратом сигналізації її діагностика зводиться до періодичного контролю параметрів напруги живлення, а також виявлення і вибракування можливих помилок при передачі інформації.

Четвертий розділ присвячений розробці та обґрунтуванню методів виявлення несанкціонованого втручання в роботу газоаналізаторів. Для цього були розглянуті особливості протікання перехідних процесів в аналізаторах при обмеженні подачі газоповітряної суміші в реакційну камеру датчика.

Теоретичний аналіз перехідних газодинамічних процесів показав, що у випадку раптової зміни концентрації метану в атмосфері від до , концентрація метану в реакційній камері датчика, а відповідно і вихідний сигнал аналізатора при нормальній його роботі змінюється згідно з рівнянням

. (6)

При несанкціонованому обмеженні надходження газоповітряної суміші до виносного датчика з'являється додатковий опір, що обмежує доступ середовища всередину корпуса виносного датчика. При цьому внутрішня порожнина корпуса і порожнечі під перешкодою являються додатковою проміжною ємністю, яка суттєво впливає на динамічні характеристики аналізаторів. Схема заміщення датчика для такого випадку приведена на рис. 5.

На схемі позначена дифузійна провідність елемента, що перешкоджає надходженню суміші усередину корпуса виносного датчика, а V_д - об'єм додаткової проміжної порожнини.

Рис. 5. Схема заміщення при обмеженні доступу метаноповітряної суміші всередину корпуса виносного датчика

Зважаючи на те, що рівняння, що описує зміну концентрації метану в реакційній камері датчика, має вид

. (7)

У випадку заливання металокерамічного фільтра термокаталітичного датчика водою його провідність значно зменшується і рівняння (6) приймає вид

. (8)

Аналіз отриманих рішень показав, що при несанкціонованому обмеженні подачі суміші до виносного датчика постійна часу аналізатора фактично на два порядки більша ніж при нормальному стані і складає 3 хв. і більше, що істотно знижує величину флуктуацій вихідного сигналу аналізаторів. Це дозволяє використовувати цю ознаку для виявлення несанкціонованого втручання. Навіть несуттєве обмеження подачі суміші до виносного датчика, що не призводить до значного зниження вихідного сигналу аналізатора, являє значну загрозу, тому що наявність значної постійної часу аналізатора не дозволяє завчасно здійснити відключення електроустаткування дільниці, що захищається, при раптовій появі джерел газовиділення значної потужності, наприклад суфлярів.

При частковому заливанні водою металокерамічного фільтра датчика поряд з істотним зниженням показань аналізатора змінюються і його динамічні характеристики, однак, у порівнянні з нормальною роботою, постійна часу збільшується при цьому не більше ніж у два рази. Це пояснює те, що при такому втручанні відносна величина макропульсацій вихідного сигналу газоаналізатора не змінюється, а величина мікропульсацій знижується несуттєво, що не дозволяє шляхом аналізу зміни характеру пульсацій вихідного сигналу аналізатора однозначно виявити випадки зазначеного виду втручання.

Для пошуку додаткових ознак, які дозволяють підвищити достовірність виявлення випадків заливання фільтра водою, проведені теоретичні і експериментальні дослідження процесів при зміні режимів живлення термоелементів. В результаті було встановлено, що при заливанні водою фільтра датчиків, що серійно випускаються, відбувається згладжування залежності вихідного сигналу від величини напруги живлення в районі екстремуму характеристики і появляється плато характеристики в значному діапазоні зміни струму через елементи. Крім того, наряду зі значним зниженням показань аналізатора, заливання призводить до істотного збільшення відносної величини амплітуди сплеску вихідного сигналу датчика після паузи значної тривалості (40с і більше). Ці зміни характеристик є стійкими і можуть бути використані як ознаки для виявлення втручання в роботу газоаналізаторів.

У випадку заливання водою датчика з подвійним дифузійним фільтром, при малій тривалості паузи (до 5с) ріст концентрації метану в реакційній камері відбувається значно повільніше, ніж у нормальному стані датчика, і відносна амплітуда викиду напруги істотно зменшується. При паузі значної тривалості (до 1 хв.) відносна величина амплітуди викиду після заливання фільтра значно більша, ніж при нормальному стані фільтра. Це дозволяє у випадку застосування в аналізаторах такого типу датчиків використовувати зазначені особливості протікання перехідних процесів після паузи як діагностичну ознаку для виявлення втручання в роботу газоаналізаторів.

Результати виконаних у розділі досліджень систематизовані і на їх основі запропоновані методи виявлення несанкціонованого втручання для датчиків різних типів.

П'ятий розділ присвячений вдосконаленню конструкції термокаталітичних датчиків, практичній реалізації результатів досліджень та пошуку перспективних напрямків подальшого удосконалення газоаналізаторів і систем аерогазового захисту.

Для підвищення надійності вибухозахисту при несанкціонованому втручанні в роботу газоаналізаторів шляхом заливання фільтрів водою та в умовах, де можливо випадкове потрапляння рідини на металокерамічний фільтр, запропоновано обробляти фільтр розчином, що додає його поверхні гідрофобні властивості, для чого пористий фільтр датчика метану просочується в розчині парафіновміщуючих речовин в органічних розчинниках.

З метою підвищення надійності вибухозахисту при несанкціонованому втручанні в роботу газоаналізаторів шляхом механічного впливу на термокаталітичний датчик та при випадкових ударах по корпусу датчика, запропоновано виводи чутливих елементів (на 2/3 їх довжини) і місця їх приварки до стійок для підключення в схему покривати струмопровідним лаком.

Технічна реалізація розроблених методів діагностики та виявлення несанкціонованого втручання можлива при використанні в газоаналізаторах сучасних технічних засобів обробки і передачі інформації, у тому числі мікропроцесорної техніки. У розділі наведені запропоновані схемні рішення основних вузлів аналізаторів метану та розроблені алгоритми роботи аналізаторів, що дозволяють здійснювати автоматичну діагностику їх стану і забезпечують виявлення випадків несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт.

газоаналізатор вибух метан шахта

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача підвищення надійності контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, що полягає у встановленні закономірностей роботи термокаталітичних датчиків при несанкціонованому втручанні в роботу аналізаторів метану і дії на датчики екстремальних значень неконтрольованих чинників, дослідженні динамічних властивостей аналізаторів метану при зміні концентрації метану і режимів роботи датчиків, що дозволяє здійснити автоматичну діагностику стану аналізаторів і виявляти випадки несанкціонованого втручання в їх роботу.

Найбільш важливі наукові і прикладні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1. Одним з основних видів аварій на вугільних шахтах України є вибухи метану, що значною мірою обумовлено недостатньою надійністю контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт і недооцінкою небезпеки виникнення вибухів. Основними причинами, що обумовлюють неспрацьовування автоматичного газового захисту при загазуванні виробок шахт метаном до вибухонебезпечної концентрації, є відсутність автоматичної діагностики стану засобів контролю вибухонебезпечності і несанкціоноване втручання в їх роботу.

2. Досліджено фактори, що впливають на надійність засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, виявлені і пояснені причини відмов і нестабільної роботи існуючих засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, у тому числі:

- встановлено, що при всіх випадках несанкціонованого обмеження надходження метаноповітряної суміші до виносних датчиків газоаналізаторів істотно знижується вихідний сигнал вимірювального моста і відносна величина макро- і мікрофлуктуацій вихідного сигналу газоаналізатора (більше ніж у 3 рази), у випадку ж часткового заливання металокерамічного фільтра термокаталітичного датчика водою відносна величина макрофлуктуацій вихідного сигналу газоаналізатора практично не змінюється, а відносна величина мікрофлуктуацій знижується майже в два рази у порівнянні з нормальною роботою датчика;

- виявлено, що при значних ударних впливах на термокаталітичні датчики виникає істотний зсув нуля аналізаторів при збереженні постійної чутливості по газу метану;

- встановлено, що багаторазове заливання фільтра термокаталітичних датчиків чистою мінералізованою шахтною водою спричиняє зсув нуля газоаналізаторів убік позитивних значень вихідного сигналу, а багаторазове заливання фільтра неочищеною мінералізованою шахтною водою крім зсуву нуля призводить до зниження показань аналізаторів;

- показано, що при тривалій роботі аналізаторів в умовах високих концентрацій метану через більш інтенсивне зношення чутливого елемента відбувається помітне змішання нуля газоаналізатора убік позитивних значень вихідного сигналу без істотної зміни чутливості;

- установлено, що вплив високих концентрацій диоксида сірки і сірководню не призводить до зсуву нуля газоаналізаторів, однак практично у всіх термокаталітичних датчиків спостерігається зниження чутливості.

3. Теоретично й експериментально обґрунтовані методи автоматичної діагностики засобів контролю метану, у тому числі:

- діагностики нуля вимірювального моста шляхом зниження напруги живлення термогрупи до величини, при якій не протікає реакція окислювання метану на каталітично активному елементі, при застосуванні схеми включення термокаталітичного датчика у вимірювальний міст, що дозволяє керувати положенням вольтамперних характеристик термоелементів;

- діагностики активності робочого елемента термокаталітичних датчиків з подвійним дифузійним фільтром шляхом управління режимом живлення термоелементів;

- перевірки блоків захисного відключення і працездатності блоків, що забезпечують однозначність роботи захисту, шляхом розбалансування вимірювального моста та за перехідними процесами на компенсаційному елементі.

4. Теоретично й експериментально обґрунтовані методи виявлення і захисту від несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю метану, у тому числі:

- виявлення випадків несанкціонованого обмеження надходження газоповітряної суміші до виносного датчика шляхом аналізу зміни характеру пульсацій вихідного сигналу аналізатора і його динамічних характеристик;

- виявлення випадків заливання водою металокерамічного фільтра датчика шляхом аналізу зміни залежності вихідного сигналу від величини напруги живлення вимірювального моста в районі екстремуму характеристики і характеру протікання перехідних процесів після нетривалого припинення процесу окислювання метану на робочому елементі;

- забезпечення працездатності аналізаторів при заливанні металокерамічного фільтра датчика водою шляхом обробки фільтра розчином, що додає його поверхні гідрофобні властивості;

- підвищення механічної стійкості термокаталітичного датчика шляхом покриття виводів чутливих елементів і місця їхні приварювання до стійок для підключення в схему струмопровідним лаком.

За результатами проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані схемні рішення і розроблені алгоритми роботи аналізаторів, що дозволяють здійснювати автоматичну діагностику стану газоаналізаторів і забезпечують виявлення випадків несанкціонованого втручання в роботу засобів контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт, що дозволяє значно підвищити надійність контролю вибухонебезпечності гірничих виробок шахт і стало підставою для розробки технічного завдання на виконання дослідно-конструкторських робіт з розробки мікропроцесорних стаціонарних аналізаторів метану з автоматичною діагностикою працездатності і захистом від несанкціонованого втручання.

ЛІТЕРАТУРА

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Голинько В.И., Котляров А.К., Белоножко В.В. Контроль взрывоопасности горных выработок шахт. - Днепропетровск: Наука и образование, 2004. - 207 с.

2. Котляров А.К. Влияние процессов переоснащения угольных шахт средствами безопасности на состояние травматизма и аварийности в отрасли // Сб. науч. тр. НГУ. - 2003. - №17, том 2. - С. 400-403.

3. Котляров А.К. Контроль взрывоопасности горных выработок шахт / Науковий вісник НГУ, - Дніпропетровськ, 2003 - №12. - С. 62-65.

4. Котляров А.К. Исследование переходных процессов при ограничении подачи метановоздушной смеси в реакционную камеру датчика / Науковий вісник НГУ. - 2004. - №12. - С. 47-51.

5. Голинько В.И., Котляров А.К. Разработка метода контроля чувствительности термокаталитических датчиков метана // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук.-техн. зб. - 2004. Вип. 73. - С. 54-60.

6. Голинько В.И., Котляров А.К. Повышение надежности контроля содержания метана в горных выработках шахт // Разработка рудных месторождений: Научн.-техн. сб. - 2005. Вып. 88. - С. 221-224.

7. Голинько В.И., Котляров А.К. Разработка методов автоматической диагностики средств контроля метана // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: Сб. научн. тр. - Макеевка-Донбасс: МакНИИ. - 2005. - С. 210-217.

8. Патент України 61224А, МК G01N25/22, Е21F1/00. Спосіб вимірювання вмісту горючих газів в шахтній атмосфері та пристрій для його реалізації / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 17.11.03 Бюл. №11.

9. Патент України 61611А, МК G01N25/22, E21F17/18. Система контролю вмісту горючого газу в шахтній атмосфері / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 17.11.03 Бюл. №11.

10. Патент України 61839А, МК E21F17/16. Чутливий елемент шахтних газоаналізаторів і спосіб його виготовлення / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 17.11.03 Бюл. №11.

11. Патент України 62861А, МК G01N27/18. Схема включення термокаталітичного датчика і спосіб її балансування / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 15.12.03 Бюл. №12.

12. Патент України 62857А, МК G01N27/18. Датчик шахтних газоаналізаторів і спосіб його виготовлення / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 15.12.03 Бюл. №12.

13. Патент України 62171А, МК G01N27/18. Сигналізатор метану, сполучений із шахтним головним світильником / В.В. Білоножко, В.П. Білоножко, В.І. Голінько, А.К. Котляров та ін. // Опубл. 15.12.03 Бюл. №12.

14. Котляров А.К. Эффективность контроля взрывоопасности горных выработок шахт // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Україна наукова 2003”, Том 27. Гірнича справа. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2003.- С. 19-20.

15. Котляров А.К. Особенности контроля пылевзрывоопасности горных выработок шахт // Збірник доповідей міжн. наук.-техн. конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості”, том 1. - Кривий Ріг, КТУ, 2004. - С. 319 - 323

16. Котляров А.К. Повышение надежности систем аэрогазовой защиты горных выработок шахт // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта 2005”, Том 63. Технічні науки. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005.- С. 10-11.

Размещено на Allbest.ru

...