Заятдинов Д.Ф., Позолотин А.С., Юрчак К.Ю., Айкин А.В.
ООО НПО «АЛЗАМИР», г. Кемерово, Россия
АННОТАЦИЯ
В статье описан процесс разработки и испытаний датчики измерения нагрузки арка-рама для автоматизации контроля за нагрузочным состоянием крепи и температурным режимом массива горных пород. Представлены основные элементы комплекса с возможностью применения в условиях повышенной техногенной опасности. Описана актуальность применения данного комплекса, даны рекомендации по эксплуатации в условиях подземных горных выработок.
Ключевые слова: нагрузка, температура массива, датчик, рамная крепь, пороговые значения, контроль, мониторинг, авария.
Введение
Как в России, так и за рубежом, широко признано, что освоение минерально-сырьевой базы при подземной и открытой добыче осложняется рядом факторов, среди которых ключевыми являются ухудшение экономико-географических и горнотехнических условий разработки месторождений. В результате перед горной наукой возникает множество сложных задач. Они связаны с изучением особенностей ведения горных работ в экстремальных условиях — климатических, геокриологических и геотехнологических. Кроме того, требуется разработка мер по контролю и минимизации негативных процессов, вызывающих деформацию и разрушение бортов разрезов и карьеров, подземных выработок и надшахтных сооружений.
Согласно исследованию [1] имеется четкая связь между возникновением аварийных ситуаций и нагрузкой на рамную крепь. Предметом исследований являлась нагрузка, которую воспринимает рамная податливая крепь накануне вывалообразования от веса пород сформировавшейся зоны вывала. Авторами сделан вывод о том, что прогнозирование аварийных ситуаций может осуществляется в том числе на данных о нагрузке, которая воздействует на крепь.
По мере роста потребления полезных ископаемых и невозобновляемости их запасов разработка месторождений неизбежно перемещается на большие глубины. Горно-геологические условия глубоких горизонтов создают экстремальную среду для пребывания человека. Нахождение работников в таких шахтах связано с серьезными рисками, включая воздействие высоких температур, повышенного давления и угрозу прорывов пластовых флюидов под большим напором [2]. Ряд научных работ посвящены анализу взаимосвязи между температурой горного массива и факторам безопасного ведения горных работ. Установлено существенное влияние температуры на напряженно-деформированного состояния массива прибортового массива в процессе эксплуатации выработки [3]. Стабильность горных выработок в условиях криолитозоны, включая их устьевые участки, в значительной степени определяется температурными условиями. В связи с этим термический мониторинг, направленный на обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации шахт и рудников в мерзлых породах, приобретают особую важность [4]. Ключевым фактором при добыче нефти шахтным способом, является контроль температуры массива горных выработок [5].
ООО НПО «АЛЗАМИР» является разработчиком комплекса устройств (датчик измерения нагрузки арка-рама - комплект устройств - ДИНАР). ДИНАР предназначен для контроля за нагрузочным состоянием металлической рамной (арочной) крепи и температуры приконтурного массива горных пород в подземных горных выработках и интегрируется в действующую многофункциональную систему безопасности.
Основная часть
Для оценки пороговых значений на рамную крепь проанализированы рамные крепи, применяемые на горнодобывающих предприятиях России и стран Ближнего зарубежья, а также крепи, выпускаемые заводами металлоконструкций России.
Основными видами металлических рамных крепей являются:
-металлическая арочная податливая крепь (КМП-А3У, КМП-А4У);
-металлическая трапециевидная податливая крепь (КМП-Т).
В зависимости от типа специального взаимозаменяемого профиля и замкового соединения максимальная несущая способность рамы варьируется от 160 кН до 320 кН.
В процессе анализа выявлено:
-при нагрузках до 60% от несущей способности дополнительные мероприятия по контролю или усиления крепи не требуется;
-при нагрузках от 60 до 80% необходимо усилить контроль состояния крепи и контролировать динамику увеличения нагрузки. Если нагрузки на крепь зафиксировались в интервале до 80% и не увеличиваются, то крепь работоспособна, если идет увеличение нагрузки и появляются признаки деформации крепи – необходимо усиление крепи;
-при нагрузках более 80% необходимо оперативное усиление крепи.
Температура атмосферы горных выработок и горного массива зависит от глубины ведения работ, объемов применяемой техники и её теплоотдачи, способа ведения горнодобывающих работ. В соответствии с п. 125 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в угольных шахтах» и п. 151 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» температура воздуха, подаваемого в шахту, должна быть не менее +2°С. В условиях многолетнемерзлых пород при нагревании пород происходит их оттаивание, что провоцирует изменение физико-механических свойств.
Физико-механические свойства горных пород, на примере метаморфических пород (доломиты и мергели), зоны многолетнемерзлых пород при их растеплении до температуры -2°С уменьшаются на 10%, при положительных температурах массива уменьшение прочности горных пород может составить более 50%.
В связи с этим в зоне многолетнемерзлых пород необходимо производить контроль температурного режима массива горных пород до их оттаивания 0°С. При увеличении температуры необходимо усилить контроль за состоянием крепи горных выработок и при необходимости произвести ее усиление.
Для разработки конструкции датчика нагрузки был проанализирован опыт проведения подготовительных и капитальных горных выработок комбайновым и буровзрывным способом на угольных шахтах Кузбасса и Ростовской области, а также горнодобывающих предприятиях России.
Результаты исследования на горнодобывающих предприятиях показали, что при проведении выработок проходческим комбайном расстояние от крепи до массива горных пород составляет от 10 до 20 см, при проведении выработки буровзрывным способом по неустойчивым породам закрепное пространство увеличивается до 30 см.
Рисунок 1 – Элементы комплекса ДИНАР
1. Аппаратный модуль – электронный модуль обработки на базе микроконтроллера. Обеспечивает возможность подключения датчиков температуры и деформации. Ведет обработку измеренных сигналов, формирует обработанные значения в файл и сохраняет его в модуль памяти. Дисплей аппаратного модуля позволяет отображать текущие значения с датчиков в необходимом формате и осуществлять управление режимами работы системы.
2. Датчик температуры принимает диапазон температур от -40 до +120 градусов по Цельсию. Чувствительный элемент заключен в корпус из нержавеющей стали, длина кабельной линии может составлять до 5 м.
3. Датчик деформаций. Состоит из чувствительного элемента – проволочного тензорезистора номинальным сопротивлением от 120 до 200 Ом. Устанавливается непосредственно на конструкцию, после чего проводятся мероприятия по его защите от внешних воздействий.
4. Источник бесперебойного питания. Обеспечивает энергопотребление системы в процессе работы.
5. Устройство считывания и переноса данных, представлен внешним твердотельным накопителем.
6. Устройство сопряжения, для подключения устройства считывания к персональному компьютеру.
7. Персональный компьютер для обработки и анализа данных.
Диапазон измерения нагрузки датчика на рамную крепь устанавливается от 100 до 320 кН, пороговые значения нагрузка необходимо устанавливать для каждого вида крепи в отдельности в зависимости от ее несущей способности.
Рекомендованы следующие пороги индикации нагрузки:
-зеленый уровень - до 60% от несущей способности:
-желтый уровень – от 60 до 80% от несущей способности;
-красный уровень - превышение 80% от несущей способности.
Рекомендованные пороги индикации температуры приведены в таблице 1.
Программное обеспечение состоит из графической части (веб-приложение) и серверной части. В серверную часть входят функции хранения и обработки информации, составление отчетов и отправка сообщений при изменении статусов датчиков. Отчеты формируются в формате xls. Клиентская часть является веб-сайтом, визуализирующий функционал серверной части. При выявлении значений, превышающих пороговые значения с определением характеристики данного события возможно реализовать механизм оповещений ответственных лиц. Свидетельство о государственной регистрации № 2024618217 от 09.04.2024 г.
Рекомендации по применению
При срабатывании «желтого» уровня на пульт диспетчера передается информация с указанием места и времени срабатывания датчика, текущем значении нагрузки (которое может привести к обрушению горной выработки), либо температуры. И в зависимости от мероприятий, утвержденных в плане ликвидации аварий, порядок действий (рекомендаций) по предотвращению критической ситуации.
При срабатывании датчика нагрузки Главный инженер (технический руководитель) дает распоряжение о запрете посещения данной выработки и технической службе провести оперативные мероприятия по усилению крепи горной выработки на аварийном участке.
После согласования и утверждения паспорта на усиление крепи горной выработки по наряду на проведение работ производят усиление крепи горной выработки.
Работы по усилению должны производиться на расстоянии не менее 50 м в обе стороны от сработавшего датчика.
После усиления выработки осуществляется постоянный контроль данного участка. В случае, если увеличение нагрузки на крепь не наблюдается, то горная выработка в работоспособном состоянии и дальнейшая эксплуатация выработки безопасна. В случае если нагрузка на крепь увеличивается, тогда необходимо применить меры по дополнительному ее усилению и другие мероприятия по снижению давления на крепь.
При эксплуатации системы датчиков в вечномерзлых грунтах в плане ликвидации аварий таких объектов предусматривается возможность возникновения уникальных для этих условий аварийных ситуаций (разрушение выработок и запасных выходов объекта в результате землетрясений, схода снежных лавин, селей; прорывы вод и газов и т.п.).
Выводы
На сегодняшний день многие горнодобывающие предприятия с неспецифичными условиями температурного режима сталкиваются с необходимостью ведения горных работ в ситуации постоянного нагревающего микроклимата.
Это связано с увеличивающейся глубиной ведения горных работ и, как следствие, повышением температуры окружающего массива горных пород и увеличивающимися нагрузками на очистные забои, в результате чего применяется более мощная техника, тепловыделения от которой приводят к нагреву воздуха.
Измерение нагрузки на арочную крепь и температуры массива имеет важное значение в горной инженерии и строительстве подземных сооружений. Сочетание этих данных позволяет:
-выявлять опасные зоны с повышенным риском разрушения;
-прогнозировать долговременную устойчивость выработки;
-оптимизировать систему управления горным давлением.
Преимущества комплекса «АЛЗАМИР-ДИНАР»:
-принципиально новый датчик для применения в сочетании с рамно-арочной крепью;
-контроль нагрузочного состояния рамно-арочной крепи и визуализация этих параметров на дисплее;
-контроль температурного режима массива горных пород с целью предотвращения аварий с нагреванием и последующим возгоранием или оттаиванием мерзлых пород в условиях вечной мерзлоты;
-возможность интеграции в многофункциональную систему безопасности (МФСБ) и вывод параметров нагрузочного состояния и температурного режима на пульт диспетчера в реальном времени;
-комплекс устройств относится к I группе взрывозащищенного электрооборудования уровня «ia» (ГОСТ Р МЭК 60079-25-2012 «Взрывоопасные среды. Часть 25. Искробезопасные системы»), удовлетворяет требованиям, предъявляемым к взрывозащищенному электрооборудованию по Техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 012/2011«О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах»;
-программно-технический комплекс выполняет автоматическую обработка данных, в случае превышения допустимых значений/ЧС датчики посредством звукового и светового оповещения предупреждают персонал шахты, находящийся в непосредственной близости от аварийного участка. Информация об аварийном участке передается на пульт диспетчера для дальнейшей координации действий по предотвращению аварийной ситуации или ликвидации ее последствий.
ООО НПО «АЛЗАМИР» осуществляет полный контроль за качеством на всех этапах изготовления продукции и обеспечивает постоянную техническую поддержку.
Список литературы:
1. Пронский Д.В., Пронская Н.В. О нагрузке на рамную крепь в условиях сформировавшейся зоны вывала пород на участках с повышенным водопритоком // Сборник научных трудов II Международного Форума студентов, аспирантов и молодых ученых-горняков «ПРОБЛЕМЫ ГОРНОГО ДЕЛА». 2021. С. 29-33.
2. Радченко Д.Н., Федотенко В.С., Аверин А.П. Особенности проектирования горнотехнических систем с автономным и дистанционно управляемым оборудованием в связи с добычей твердых полезных ископаемых подземным способом в условиях экстремальных сред // Труды 35-й Международной научно-технической конференции «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА». 2024. С. 479-483.
3. Барышников В.Д., Барышников Д.В., Гахова Л.Н. Оценка изменений напряженно-деформированного состояния массива в окрестности горной выработки в зависимости от температурного режима ее проветривания // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2022. № 2. С. 12-18.
4. Ткач С.М., Курилко А.С., Соловьев Д.Е. Роль теплофизических исследований в обеспечении эффективности и безопасности эксплуатации шахт и рудников криолитозоны // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2021. № 1. С. 154-160.
5. Санникова А.А., ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УКЛОННОГО БЛОКА 1-4Д НЕФТЯНОЙ ШАХТЫ № 1 НШУ «ЯРЕГАНЕФТЬ» // Материалы I Международной научно-практической конференции. 2018. С. 334-343.