Способ оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах
Владельцы патента RU 2661508:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" (RU)
Изобретение относится к области горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано для оценки и прогноза риска взрывов метана и пыли в шахтах и газоопасных рудниках. Техническим результатом является повышение достоверности оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах, разрабатывающих пласты, опасные по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, а также взрывчатости угольной пыли. Способ оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах включает выделение участков с различными горнотехническими и технологическими условиями, экспериментальное определение концентрации метана в рудничном воздухе, измерение расхода воздуха и содержания пыли в воздухе, бурение контрольных шпуров и измерение начальной скорости газовыделения в шпурах, регистрацию случаев суфлярного выделения из трещин, шпуров и скважин, осмотр и ревизию рудничного взрывобезопасного электрооборудования, отбор проб угля и определение инкубационного периода самовозгорания и выхода летучих веществ, формирование базы правил системы нечеткого логического вывода, использование программной среды для выполнения нечетких логических операций и определения вероятности взрыва. Риск взрыва метана и пыли оценивают с учетом влияния содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей. 3 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области горной промышленности, преимущественно к угольной, и может быть использовано для оценки и прогноза риска взрывов метана и пыли в шахтах и газоопасных рудниках.
Известен способ оценки риска на основе нечеткой информации (заявка RU №2015119134, опубл. 10.12.2016 г.), включающий измерение наблюдаемой величины целевого показателя при помощи прогнозируемой модели, выделение области, соответствующей парам требуемого и прогнозируемого значений целевого показателя, проведение сечения полученной области, выявление закономерности проявления исследуемого процесса, представление нечеткой информации о прогнозируемом и требуемом значениях целевого показателя в виде нечетких чисел, формирование области возможных исходов и проведение ее сечения для различных уровней достоверности, расчет точечного значения показателя риска для каждого уровня, формирование нечеткого показателя риска как множества полученных пар точечных значений показателя риска и их достоверности.
Недостатком данного способа является то, что в нем не учитывают факторы, влияющие на риск взрыва метана и пыли, что делает невозможным его применение для оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах.
Известен способ прогноза взрывоопасности метановоздушных смесей в шахтах (патент RU №2524860, опубл. 10.08.2014 г.), включающий измерение метаноносности пластов угля, определение метанообильности выемочных участков, регистрацию вспышек и взрывов метана на шахтах углегазовых месторождений в течение времени их работы, установление частоты аварийных по метану ситуаций, выделение выемочных участков с различными горнотехническими условиями разработки, установление показателя взрывоопасности метановоздушных смесей.
Недостатком данного способа является то, что оценку взрывоопасности метановоздушных смесей выполняют на основе определения частоты аварийных по метану ситуаций, что делает невозможным проведение прогноза риска взрывов метана для проектируемых участков шахт. Кроме того, в данном способе не учитывают влияние содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей.
Известен способ определения частоты взрывов метана (Айруни А.Т., Клебанов Ф.С., Смирнов О.В. Взрывоопасность угольных шахт. - М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2011. - С. 66-67), включающий определение частоты события «загазирование до взрывоопасной концентрации метана», определение частоты события «высокая температура» при совпадении с событием «загазирование до взрывоопасной концентрации метана», определение частоты события «отказ системы газового контроля» и определение частоты пересечения вышеуказанных событий.
Недостатком этого способа является низкая достоверность определения частоты взрыва метана, связанная с рядом допущений, принятых при определении частот событий «высокая температура» и «отказ системы газового контроля». Кроме того, в данном способе не учитывают влияние содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей.
Известен способ прогноза риска взрывов метана и пыли в шахтах (патент RU №2528807, опубл. 20.09.2014 г.), включающий экспериментальное определение интенсивности метано- и пылевыделения на выемочном участке, измерение расхода воздуха и концентрации метана в нем и запыленности рудничного воздуха, определение температуры воспламенения метана и пыли, определение частоты аварийных по метану и пыли ситуаций, измерение расхода воздуха и концентрации метана в рудничной атмосфере в процессе снижения параметров проветривания участка, установление динамики снижения расхода воздуха и роста концентрации метана до ее взрывоопасной величины в смеси, определение температуры воспламенения метана и пыли на глубине ведения горных работ при фактических давлении и влажности воздуха, установление риска взрыва метанопылевоздушной смеси.
Недостатком данного способа является то, что оценку взрывоопасности метановоздушных смесей выполняют на основе определения частоты аварийных по метану и пыли ситуаций, а также на основе экспериментальных данных, полученных в натурных условиях, что делает невозможным выполнение прогноза риска взрыва метана и пыли для проектируемых выработок шахт.
Известен способ оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах Домрачев А.Н., Палеев Д.Ю., Говорухин Ю.М., Криволапое В.Г., Липатин В.И. Использование аппарата нейронных сетей и нечеткой логики при оценке вероятности взрыва пылеметановоздушной смеси // Научно-технический журнал «Вестник». №1. 2014. - С. 40-43), принятый за прототип, включающий экспериментальное определение концентрации метана в рудничном воздухе, формирование базы правил системы нечеткого логического вывода, использование программной среды для выполнения нечетких логических операций и определения вероятности взрыва.
Недостатки данного способа заключаются в том, что в нем не выделяют участки, с отличными друг от друга горнотехничсекими и технологическими условиями, не учитывают содержание пыли в воздухе, обеспеченность участка воздухом, опасность разрабатываемых пластов по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, взрывчатости угольной пыли, а так же опасность образования высокотемпературного источника воспламенения смеси, который необходим для возникновения взрыва метана и пыли. Кроме того, в способе не учитывают влияние содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей. Указанные недостатки приводят к информационной неполноте процедуры оценки риска и низкой достоверности ее результатов.
Техническим результатом является повышение достоверности оценки рисков взрывов метана и пыли в шахтах разрабатывающие пласты, опасные по внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, а также взрывчатости угольной пыли.
Технический результат достигается тем, что дополнительно выделяют участки с различными горнотехничсекими и технологическими условиями, затем на каждом участке измеряют расход воздуха и содержание пыли в воздухе, производят бурение контрольных шпуров и измерение начальной скорости газовыделения в шпурах, регистрируют случаи суфлярного выделения из трещин, отбирают пробы угля, затем определяют инкубационный период самовозгорания и выход летучих веществ, а риск взрыва оценивают с учетом влияния содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей.
Способ поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 - алгоритм осуществления способа оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах;
Фиг. 2 - структурная иерархия учета факторов в модели нечеткого логического вывода.
Способ осуществляется следующим образом. В сети горных выработок выделяют участки с отличными друг от друга горнотехничсекими и технологическими условиями (Фиг. 1). В отношении к каждому участку устанавливают значения содержания метана и пыли в воздухе, расхода воздуха, определяют опасность разрабатываемых пластов по взрывчатости угольной пыли, самовозгоранию, внезапным выбросам и суфлярным выделениям метана, а так же опасность образования высокотемпературного источника воспламенения при использовании электрооборудования. В вычислительной программной среде формируют базу правил системы нечеткого логического вывода, выполняют нечеткие логических операций и определяют вероятность взрыва. При этом оценку риска взрыва метана и пыли производят с учетом влияния содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей.
Содержание метана на участке устанавливают по фактическим данным путем проведения газовоздушных съемок. В случае проектируемых участков допускается использование величин, измеренных в процессе геологической разведки месторождения в соответствии с рекомендациями нормативного документа путем отбора образцов угля в виде кернов и определения в них содержания метана в лабораторных условиях.
Содержание пыли в воздухе участка устанавливают путем прямого измерения с использованием стандартных способов и средств отбора пыли. В случае проектируемых участков, содержание пыли в воздухе определяют по результатам измерений в существующих участках шахты, эксплуатируемых в аналогичных условиях.
Фактический расход воздуха на участке устанавливают путем прямого измерения для определения обеспеченности участка воздухом. Для этого производят сравнение фактического расхода воздуха с расчетными значениями потребности в воздухе по формуле
где ω - показатель обеспеченности участка воздухом;
Qф - фактический расход воздуха на участке, м3/мин;
Qp - расчетное значение требуемого расхода воздуха на участке, м3/мин.
В случае проектируемых участков допускается принятие величины обеспеченности участка воздухом, равной 1.
Опасность разрабатываемых пластов по взрывчатости угольной пыли устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа путем отбора образцов угля и определения выхода летучих веществ как потери массы навески при нагревании пробы угля в лабораторных условиях. В случае проектируемых участков, отбор проб производят в существующих участках шахты, либо в процессе геологической разведки месторождения.
Опасность разрабатываемых пластов по самовозгоранию устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа путем отбора образцов угля и определения инкубационного периода самовозгорания расчетными методами в лабораторных условиях. В случае проектируемых участков, отбор проб производят в существующих участках шахты, либо в процессе геологической разведки месторождения.
Опасность разрабатываемых пластов по внезапным выбросам устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа по проведению текущего контроля выбросоопасности путем бурения контрольных шпуров и измерения начальной скорости газовыделения в шпурах. В случае проектируемых участков выбросоопасность пластов устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа по прогнозу выбросоопасности при ведении геологоразведочных работ.
Опасность разрабатываемых пластов по суфлярным выделениям устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа на основе регистрации случаев суфлярного выделения метана из трещин, шпуров и скважин в пределах поля шахты.
Опасность образования высокотемпературного источника воспламенения при использовании электрооборудования устанавливают в соответствии с рекомендациями нормативного документа по осмотру и ревизии рудничного взрывобезопасного электрооборудования. В случае проектируемых участков опасность образования высокотемпературного источника воспламенения при использовании электрооборудования устанавливают на основе проведенного осмотра и ревизии рудничного взрывобезопасного электрооборудования, предполагаемого к использованию на участке.
Указанные параметры являются входными данными для выполнения алгоритмов нечеткого логического вывода в вычислительной программной среде. Для выполнения нечетких логических операций формируют базу правил системы нечеткого логического вывода на основе известных зависимостей, определяющих взаимное влияние параметров факторов риска на вероятность взрыва метана и пыли в шахтах. На основе базы правил системы нечеткого логического вывода и структурной иерархии учета факторов риска формируют модель нечеткого логического вывода в вычислительной программной среде.
Для определения риска взрыва метана и пыли на анализируемом участке, полученные для него параметры вносят в модель нечеткого логического вывода в вычислительной программной среде, где последовательно выполняются следующие операции.
Фаззификацию входных данных выполняют для их приведения в область нечетких чисел, построенных на терм-множестве лингвистических переменных, отражающих степень опасности исследуемого фактора. Целью этого этапа является получение значений истинности для всех подусловий из базы правил.
Агрегирование подусловий выполняют для определения степени истинности условий для каждого правила системы нечеткого вывода.
Активация подзаключений выполняют для определения степени истинности для каждого подзаключения и получения совокупности активизированных нечетких множеств для каждого подзаключения в базе правил. При этом каждому подзаключению сопоставляют множество с новой функцией принадлежности.
Аккумуляцию заключений выполняют для получения нечеткого множества для каждой из выходных переменных путем объединения нечетких множеств. Для этого каждой выходной переменной сопоставляют объединение множеств, и определяют результирующую функцию принадлежности.
Дефаззификацию выполняют для получения количественного значения для каждой из выходных переменных путем применения метода центра тяжести.
После многократного выполнения операций нечеткого логического вывода с учетом базы правил системы нечеткого логического вывода и структурной иерархии учета факторов, получают значение риска взрыва метана и пыли на анализируемом участке.
После проведения оценки риска взрывов для всех выделенных участков, риск взрыва метана и пыли на шахте определяют как максимальное значение риска взрыва метана и пыли среди всех участков.
Результаты оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах используют для ранжирования шахт и участков шахт по степени опасности, для разработки мероприятий по снижению вероятности их возникновения и исключению аварийных ситуаций.
Способ поясняется следующим примером. Для оценки риска взрыва метана и пыли в сети выработок выделен участок, в отношении которого получены - данные, указанные в таблице 1. Для фаззификации исходных данных указанные параметры прошли экспертную классификацию на основе лингвистических переменных, представленных в таблице 2.
На основе сформированной базы управляющих правил системы логического вывода, составленной на основе экспертных оценок, и структурной иерархии, представленной на фиг. 2, в вычислительной программной среде MatLab Fuzzy Logic Toolbox сформирована модель нечеткого логического вывода для последовательного выполнения операций фаззификации, агрегирования подусловий, активации подзаключений, аккумуляции заключений и деффазификации в соответствии с алгоритмом нечеткого вывода Мамдани. Структурная иерархия фиг. 2 отражает последовательность и принципы совместного учета факторов в модели нечеткого логического вывода. При составлении модели использовались трапециевидные нечеткие числа, построенные на 01-носителе. Результаты работы модели показаны в таблице 3 и свидетельствуют о высоком уровне риска взрыва метана и пыли на участке, обусловленным совместным присутствием повышенных концентраций метана и взрывоопасной пыли на участке и наличием нарушений при эксплуатации электрооборудования.
Способ оценки риска взрывов метана и пыли в шахтах, включающий экспериментальное определение концентрации метана в рудничном воздухе, формирование базы правил системы нечеткого логического вывода, использование программной среды для выполнения нечетких логических операций и определения вероятности взрыва, отличающийся тем, что дополнительно выделяют участки с различными горнотехническими и технологическими условиями, затем на каждом участке измеряют расход воздуха и содержание пыли в воздухе, производят бурение контрольных шпуров и измерение начальной скорости газовыделения в шпурах, регистрируют случаи суфлярного выделения из трещин, отбирают пробы угля, затем определяют инкубационный период самовозгорания и выход летучих веществ, а риск взрыва оценивают с учетом влияния содержания пыли в воздухе на условия взрываемости метановоздушных смесей.
