docJerzy Mróz, Jolanta Zgadzaj, Krzysztof Gralewski, Adam Broja
download 
Reklamacja Transkrypt
Jerzy Mróz, Jolanta Zgadzaj, Krzysztof Gralewski, Adam Broja
WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Mat. Symp. str. 351 – 364 Jerzy MRÓZ, Jolanta ZGADZAJ, Krzysztof GRALEWSKI, Adam BROJA Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa „EMAG”, Katowice System monitorowania zagrożeń naturalnych w kopalniach Streszczenie W artykule scharakteryzowano parametry i zagrożenia wentylacyjne występujące w kopalniach. Określono parametry charakteryzujące system wentylacji kopalni, warunki pracy górników, zagrożenia naturalne oraz koszty procesu wentylacji kopalni. Przedstawiono strukturę oraz funkcje realizowane przez system metanowo-pożarowy SMP. Opisano parametry i konstrukcję czujników stosowanych w systemie do pomiarów parametrów klimatycznych, wentylacyjnych oraz charakteryzujących zagrożenia. Przedstawiono również ciekawsze prace rozwojowe prowadzone w Centrum EMAG nad konstrukcją nowych czujników. 1. Wstęp W kopalniach węgla kamiennego system wentylacyjny zapewnia ochronę zdrowia i życia górników przez doprowadzenie odpowiedniej ilości powietrza o właściwej jakości. Jednak w sieci tej może powstać i rozprzestrzeniać się wiele zagrożeń naturalnych. Podstawowe zagrożenia wynikają z pojawienia się metanu, gazów trujących oraz pożarów. W systemie wentylacyjnym kopalni pracuje wiele elementów regulacyjnych takich jak tamy wentylacyjne oraz wentylatory główne i pomocnicze. Dzięki tym elementom uzyskuje się prawidłowe parametry powietrza: prędkość przepływu, ciśnienie, temperatura, wilgotność. Do pomiaru i kontroli parametrów i zagrożeń wentylacyjnych opracowano w Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa „EMAG” w Katowicach system metanowo-pożarowy SMP. System ten realizuje kontrolę parametrów bezpieczeństwa przy minimalizacji kosztów przeznaczonych na przewietrzanie, które są istotnym czynnikiem kosztów wydobycia węgla. 2. Funkcje systemu SMP System SMP został pierwotnie opracowany do wykrywania zagrożeń metanowopożarowych w kopalniach węgla kamiennego [1]. W czasie wdrożeń w wielu kopalniach rozszerzano jego funkcjonalność, a także dzięki modułowej strukturze systemu zwiększono ilość przyłączanych czujników. Rozwój systemu możliwy jest dzięki dużemu zasięgowi pomiarowemu (do 10 km), oszczędnemu wykorzystaniu sieci przesyłania sygnałów przez zastosowanie dołowych koncentratorów informacji oraz centralnemu zasilaniu urządzeń dołowych systemu. Aktualnie system jest przystosowany do realizacji wielu zadań z zakresu kontroli wentylacji kopalni. Opracowane są oraz dopuszczone do eksploatacji w kopalni urządzenia i moduły oprogramowania do realizacji poszczególnych zadań. ____________________________________________________________________________ 351 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ Zefir SWuP SD 2000 Klienci SMP-NT RS / Ethernet Stacja dyspozytora bezpieczeństwa RS / Ethernet (światłowody) Centrala CMC-3M/CMC-3MT Obwody wyjściowe Exial Linia telemetryczna Stacja powierzchniowa Atmosfera wybuchowa Urządzenie kontrolno pomiarowe A D W Urządzenia końcowe A - czujniki analogowe D - czujniki dwustanowe (stykowe) W- stykowe zespoły wykonawcze Rys. 2.1. Struktura systemu SMP Fig. 2.1. The SMP system structure 2.1. Kontrola zagrożeń metanowych System SMP umożliwia ciągły pomiar stężenia metanu oraz kompleksowe zabezpieczenie kopalni w zakresie kontroli zagrożeń metanowych. Dla zabezpieczenia przodków oraz miejsc o szczególnym wydzielaniu metanu stosuje się metanomierze mikroprocesorowe MM-2 i MM2p zakresie pomiarowym 0 100 % CH4. Wyjścia wyłączające metanomierzy podłącza się bezpośrednio do urządzeń wyłączających. ____________________________________________________________________________ 352 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Do zabezpieczenia rejonów ścian i rejestracji stężenia metanu w prądach grupowych lub na podszybiach mogą być stosowane proste metanomierze typu CMN-1 o zakresie 0 5 % z sygnalizacją przekroczenia zakresu niskich stężeń metanu. Metanomierz CMN-1 podłączany jest do centralki dołowej typu CCD, która realizuje przetwarzanie sygnału pomiarowego oraz algorytm wyłączeń. 2.2. System wyłączeń energii elektrycznej Jedną z bardziej istotnych funkcji systemu SMP jest automatyczne wyłączenie energii w stanach awaryjnych i alarmowych bez potrzeby kontaktowania się z powierzchnią. W systemie SMP sterowanie wyłączeniami energii elektrycznej i blokada rozłączeń są możliwe na różnych poziomach: wyłączanie przez czujnik MM-2, gdzie czujnik przejmuje pełny cykl wyłączania i blokady załączenia, wyłączenie poprzez centralkę dołową według programu zapisanego w pamięci, tzn. po przekroczeniu wartości alarmowych i w stanach awaryjnych oraz bezwarunkowo na polecenie z komputera centralnego, wyłączenia z komputera centralnego pozwalają na realizację wyłączeń zarówno na żądanie dyspozytora jak i automatycznie po spełnieniu określonych warunków, a szczególnie za pomocą tzw. „matrycy wyłączeń” dla realizacji złożonych układów wyłączeń np. wyłączenie z jednej centralki kilku pól w różnych rozdzielniach. 2.3. Kontrola zagrożeń pożarowych Zakres kontroli zagrożeń pożarowych obejmuje zarówno zbieranie i rejestrację danych dla wczesnego wykrywania pożarów jak i monitorowanie parametrów wentylacyjnych na terenach pola pożarowego. Kontroli podlegają następujące parametry: tlenek węgla – ACO-4B, tlen – TS.2, dym – ACD-1, temperatura powietrza – CT-2, temperatura górotworu – CTG-2, różnica ciśnień – CRC-5, CRC-6. Na podstawie danych z czujników wyliczane są parametry, tzw. „WSKAŹNIKI” zgodne z wytycznymi wykrywania pożarów oraz zależne od rodzaju czujników. W tym celu wykorzystuje się specjalistyczne algorytmy przetwarzania danych. 2.4. Wspomaganie dyspozytora w czasie wycofywania załogi w stanach awaryjnych W pierwszej fazie po wykryciu pożaru system wspomaga dyspozytora kopalni i służby wentylacyjne pokazując automatycznie w zależności od miejsca pożaru, strefy zagrożenia, miejsca wyznaczenia posterunków zagradzających dojścia do stref zagrożenia oraz instrukcje wyprowadzania załogi ze stref zagrożenia. Równocześnie system na bieżąco kontroluje skład powietrza w czasie pożaru, co pozwala na wentylację wg wcześniej ustalonych wytycznych prowadzenia akcji. 2.5. Monitorowanie rozdziału i kontrola ucieczek powietrza System SMP umożliwia monitorowanie rozdziału powietrza, sygnalizując wszelkie stany nienormalne rozpływu powietrza (funkcje tzw. anemometrii automatycznej). Kontrola dotyczy zarówno wydatków powietrza jak i stanu pracy urządzeń, np. zamknięcie/otwarcie czy kontrola szczelności tam, praca/postój wentylatorów pomocniczych itp. ____________________________________________________________________________ 353 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ W ten sposób w systemie mogą być sygnalizowane niekontrolowane ucieczki powietrza zwiększające straty powietrza, a zatem zużycie energii na przewietrzanie. Do tego celu wykorzystuje się: anemometry typu AS-2, AS-2S – do kontroli rozpływu powietrza, czujniki różnicy ciśnień CRC-4 – do kontroli szczelności i ciśnień na tamach, czujniki naporu powietrza – DCN-1 – do kontroli otwarcia lub zamknięcia tam wentylacyjnych, czujniki przepływu CPP – do kontroli pracy wentylatorów lutniowych. 2.6. Monitorowanie pracy wentylatorów głównych Stacje wentylatorów głównych włączono do systemu SMP jako niezależne obiekty kontroli dyspozytorskiej. W każdej stacji zainstalowano centralkę CCD, do której podłączono następujące urządzenia pomiarowe: czujniki różnicy ciśnień CRC-4 w szybie wdechowym oraz w kanale przed i za zasuwą, czujnik wydatku przepływu LD-301 wraz z sondą uśredniającą, czujniki mocy czynnej PP-83 silnika napędzającego wentylator, czujnik temperatury łożysk CTG-2. 2.7. Monitorowanie i kontrola potencjałów aerodynamicznych System realizuje pomiar parametrów oraz obliczanie rozkładu potencjałów aerodynamicznych w sieci wentylacyjnej kopalni. Opracowano i wykonano czujniki do pomiarów ciśnienia bezwzględnego oraz wilgotności względnej powietrza. System umożliwia analizę rozkładu potencjałów aerodynamicznych w warunkach normalnych dla określenia migracji gazów. 3. Charakterystyka systemu SMP Dane pomiarowe są transmitowane do dyspozytora kopalni, gdzie są sygnalizowane i archiwizowane. System realizuje następujące funkcje: ciągły pomiar parametrów powietrza kopalnianego, centralne zasilanie urządzeń dołowych, zdalny odczyt, transmisja na powierzchnię i rejestracja danych pomiarowych, analiza wartości pomiarowych, generowanie ostrzeżeń i alarmów, wyłączenie energii elektrycznej zarówno lokalnie jak i z powierzchni, prezentacja danych pomiarowych i wyników przetwarzania w postaci graficznej i tekstowej, dokumentowanie pracy systemu na nośnikach magnetycznych i papierowych, integracja i możliwość wielodostępu do danych w systemie dyspozytorskim. System SMP posiada strukturę hierarchiczną (rys. 3.1) i składa się z powierzchniowej stacji centralnej, lokalnych stacji dołowych oraz czujników pomiarowych. W systemie stosowane są następujące czujniki pomiarowe. Metanomierz MM-2 i MM-2p jest urządzeniem pomiarowym zbudowanym na bazie elementów mikroprocesorowych i wyposażony jest w dwuzakresowy detektor umożliwiający jednoznaczny pomiar w zakresie stężeń 0 – 100 %CH4. Pomiar jest realizowany w sposób ciągły w zakresie 0 – 5 % CH4, natomiast po przekroczeniu tej wartości metanomierz przełącza się na cykl czterominutowy. Zmianę sposobu pomiaru realizuje algorytm sterownika mikroprocesorowego, przy czym w zakresie do 5%CH4 załączany jest mostek pelistorowy, a w zakresie 5 – 100 % CH4 pomiaru dokonuje się mostkiem termokonduktometrycznym. ____________________________________________________________________________ 354 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Metanomierz CMN-1 przeznaczony jest do pomiaru stężenia metanu w powietrzu kopalnianym. Czujnik posiada dwa detektory pomiarowe. Detektor pelistorowy przeznaczony jest dla zakresu 0 – 5 % CH4, natomiast termokonduktometryczny dokonuje pomiaru w zakresie stężeń powyżej 5 % CH4. Czujnik sygnalizuje wysokie stężenia CH4 oraz stany awaryjne detektorów przez podanie odpowiednich sygnałów na wyjściu. Analizator tlenku węgla ACO-4B służy do pomiaru ciągłego zawartości tlenku węgla w powietrzu w zakresie od 0,02 obj. CO. W analizatorze zastosowany jest elektrochemiczny detektor tlenku węgla, którego zasada działania opiera się na reakcji elektrodowej. Tlenomierz stacjonarny TS-2 służy do ciągłego pomiaru zawartości tlenu wypieranego przez inne gazy w zakresie od 0 do 25 % obj. O 2. Przeznaczony jest do ostrzegania pracowników przed zagrożeniem wynikającym z przebywania w atmosferze o obniżonym stężeniu tlenu. W tlenomierzu zastosowany jest elektrochemiczny detektor tlenu którego zasada opiera się na katodowej redukcji tlenu. Wynikiem tej reakcji jest wyjściowy sygnał elektryczny będący liniową funkcją stężenia tlenu w powietrzu. Anemometr stacjonarny AS-2 służy do ciągłego pomiaru prędkości przepływu powietrza w kierunku normalnym i rewersyjnym w chodnikach kopalnianych. Pomiar prędkości przepływu powietrza realizowany jest w oparciu o czasową metodę ultradźwiękową. Zakres mierzonych prędkości 0 – 5 m/s lub 0 – 10 m/s zmieniany jest przez użytkownika. Pomiar prędkości przepływu powietrza polega na okresowym (z częstotliwością 20 – 40Hz) mierzeniu czasu przelotu fali ultradźwiękowej pomiędzy dwoma punktami. Przepływające powietrze zmienia warunki rozchodzenia się fali ultradźwiękowej wpływając na czas jej przemieszczania od nadajnika do odbiornika. Fala ultra-dźwiękowa wysyłana jest naprzemiennie zgodnie i przeciwnie do przepływu powietrza. Czujnik dokonuje pomiaru różnicy czasu przepływu fali ultradźwiękowej i po przetworzeniu odwzorowuje wielkość mierzoną w postać napięcia, prądu lub częstotliwości. Czujnik różnicy ciśnień CRC-5 przeznaczony jest do pomiarów różnicy ciśnień w zakresie 0 10 kPa i -5 +5 kPa. Podstawowym elementem czujnika jest piezorezystancyjny przetwornik różnicy ciśnień wykonany technologią mikromechaniczną w specjalnej obudowie z tworzywa. Zawiera on miniaturową membranę krzemową, której odkształcenie jest mierzone za pomocą zintegrowanych z nią krzemowych tensometrów, z których sygnał elektryczny jest wzmacniany i standaryzowany. Czujnik przepływu powietrza w kanale wentylacyjnym. Pomiar odbywa się w kanale wentylacyjnym szybu wydechowego, gdzie powietrze jest silnie zanieczyszczone. Badania wykazały również, że warunki metrologiczne w kanale są bardzo trudne , profil prędkości jest nierównomierny. W systemie zastosowano czujnik opracowany przez specjalistów z Instytutu Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie. Opracowano sondę uśredniającą dokonującą pomiarów ciśnienia statycznego i dynamicznego w różnych punktach przekroju kanału wentylacyjnego. Uśredniona różnica ciśnień przetwarzana jest na standardowy sygnał pomiarowy w przetworniku mikroprocesorowym typu SMAR serii LD 301 umożliwiającym kształtowanie nieliniowej charakterystyki pomiarowej. Urządzenie zostało przebadane w tunelu aerodynamicznym, a odpowiednia charakterystyka będzie wpisana do przetwornika zgodnie z wynikami badań w konkretnej stacji wentylatorów głównych. Czujnik temperatury CT-2 jest przeznaczony do zabezpieczenia wyrobisk zagrożonych pożarem oraz służy do pomiaru temperatury powietrza w zakresie 0 – 50 C. W czujniku jako element pomiarowy wykorzystano układ scalony AD-590. Jest to źródło prądowe termoczułe, w którym zmiana prądu jest proporcjonalna do temperatury – 1µA/K. Sygnał prądowy zamieniany jest na napięciowy, wzmacniany oraz standaryzowany. ____________________________________________________________________________ 355 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ Czujnik temperatury górotworu CTG-2 przeznaczony jest do pomiaru temperatury skał lub zrobów ściany zawałowej w celu wykrywania pożarów endogenicznych. Służy do pomiarów temperatury w zakresie 0 – 50 C i jest przystosowany do instalowania w otworach nawierconych w caliźnie węglowej. Układ elektroniczny i parametry techniczne czujnika są zgodne z danymi czujnika CT-2. Analogowy czujnik dymu ACD-1 jest czujnikiem jonizacyjnym dwukomorowym, w którym wykorzystano źródło izotopowe promieniotwórcze Am-241. Komory jonizacyjne czujnika są połączone szeregowo, wpływające powietrze do komory pomiarowej powoduje zmianę potencjału punktu wspólnego elektrod i przesterowanie tranzystora polowego. Tranzystor ten pracuje w układzie wzmacniacza, który dokonuje standaryzacji sygnału wyjściowego do zakresu 0,4 – 2,0 V. Czujnik posiada specjalną obudowę stalową, która minimalizuje wpływ warunków górniczych i przepływu powietrza na wskazania czujnika. Dwustanowy czujnik naporu powietrza DCN-1 przeznaczony jest do sygnalizacji stanu tam wentylacyjnych oraz przekroczenia różnicy ciśnień pomiędzy wybranymi wyrobiskami górniczymi. W czujniku wykorzystany jest mikroprzełącznik ognioszczelny sterowany membraną z ustawianym progiem zadziałania. Próg ten może być regulowany od 50 do 500 Pa. Rys. 3.1. Zunifikowane urządzenia do kontroli parametrów atmosfery kopalnianej Fig. 3.1. Unified instruments for monitoring of mine air ____________________________________________________________________________ 356 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ 3.1. Analizatory gazów przeznaczone do pracy w warunkach ekstremalnych Pojawiające się w wyrobiskach czynniki zakłócające takie, jak wysokie zapylenie, duża wilgotność, zmieniające się w szerokim przedziale temperatura, ciśnienie oraz przepływ analizowanego powietrza powodują, iż wskazania analizatorów często ulegają zafałszowaniu. Dodatkowy wpływ mają również obecne w wyrobiskach inne domieszki gazowe, a także wprowadzane w dużych ilościach różnego typu środki chemiczne. Istotnym problemem jest też obniżanie się wskazań metanomierzy w chwili spadku stężenia tlenu w powietrzu poniżej wartości stechiometrycznej. Równoczesne wystąpienie tych czynników może więc doprowadzić do pojawienia się znacznych błędów pomiarowych. Z tego też powodu podjęte zostały badania mające na celu opracowanie nowej grupy urządzeń o zwiększonej odporności na powyższe zakłócenia, przeznaczonych do pracy w warunkach ekstremalnych. Wprowadzono tu szereg elementów kompensujących wpływ wspomnianych wyżej czynników zakłócających. 3.1.1. Eliminacja wpływu wilgotności i pyłu W urządzeniach zastosowano dwie hydrofobowe, porowate membrany dyfuzyjne spełniające rolę filtrów przeciwpyłowych i przeciwwilgotnościowych. Porowatość (ε), średnice porów (a) oraz współczynnik krętości porów () membran zostały tak dobrane, aby charakter dyfuzji gazu w proponowanych membranach oraz barierach dyfuzyjnych czujników był jednakowy. Pierwszy z filtrów steruje procesami dyfuzyjnymi gazu i praktycznie całkowicie eliminuje transport cząsteczek wody do powierzchni czujnika. Filtr ten, za względu na swój hydrofobowy charakter, jest odporny na osiadanie cząsteczek pary, nie dopuszcza do przepływu konwekcyjnego, a równocześnie, w związku z wysoką porowatością, w niewielkim stopniu ogranicza dyfuzję cząsteczek badanego medium. Drugi filtr hydrofobowy spełnia rolę dodatkowego zabezpieczenia przed penetracją wody. Wykonany jest z folii o większej porowatości, a zatem praktycznie nie stanowi bariery dla dyfundującego gazu. Bardzo gładka i śliska powierzchnia membran nie pozwala również na osiadanie cząsteczek pyłu. Zaletą proponowanych membran jest także ich całkowita odporność na wszelkiego typu chemikalia. 3.1.2. Eliminacja wpływu gazów zakłócających i zanieczyszczeń chemicznych W celu eliminacji wpływu zanieczyszczeń gazowych oraz chemicznych na pracę czujników metanu, tlenu oraz tlenku węgla zastosowany został odpowiedni filtr chemiczny oczyszczający analizowaną mieszankę z niepożądanych składników, przed jej dojściem do elementu pomiarowego. Wprowadzony filtr chemiczny składa się z dwóch warstw. Pierwszą z nich, podstawową, stanowi węgiel aktywny o wysokiej zdolności adsorpcyjnej. Druga warstwa ma za zadanie wychwycić wszystkie zanieczyszczenia nie pochłaniane przez filtr węglowy, a prowadzące do zakłóceń we wskazaniach danego urządzenia. Warstwa ta ma różny skład w zależności od rodzaju przyrządu. Filtr chemiczny posiada specjalną konstrukcję zapewniającą: dużą powierzchnię rzeczywistą, prowadzącą do wysokiej aktywności, dużą porowatość, w konsekwencji czego filtr ten nie powoduje ograniczeń w transporcie cząsteczek analizowanego gazu ____________________________________________________________________________ 357 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ wysoką wytrzymałość mechaniczną. Filtr chemiczny połączony jest z filtrami przeciwpyłowymi w jeden zespół (kompakt). Kompakty te wprowadzone zostały w analizatorach tlenku węgla oraz tlenomierzach w miejsce stosowanych obecnie filtrów fosforobrązowych; w metanomierzach stanowią dodatkową warstwę zakładaną od strony gazowej. 3.1.3. Eliminacja wpływu temperatury i ciśnienia Eliminacja wpływu zmian temperatury i ciśnienia na wskazania przyrządów przeprowadzona została na drodze programowej. W tym celu konieczne było wprowadzenie dodatkowych czujników pozwalających na pomiar powyższych parametrów. 3.1.4. Ograniczenie wpływu przepływu analizowanego powietrza Na charakter pracy przyrządów wpływa kilka czynników: oddziaływanie przepływu gazu na pracę elementu pomiarowego (czujnika), kierunek ruchu strugi gazu w stosunku do wlotu czujnika, parametry geometryczne, głębokość usytuowania czujnika pod powierzchnią obudowy, wszelkie wystające elementy obudowy powodujące lokalne zmiany w rozkładach prędkości i kierunku, a także burzliwości strugi. Zależności te zostały uwzględnione przy projektowaniu omawianej grupy urządzeń. Jak wynika z przeprowadzonych badań zdecydowanie mniejszym błędem obarczone są wskazania przyrządów w przypadku równoległego, w stosunku do czoła czujnika, przepływu analizowanej mieszanki. Fakt ten należy uwzględnić w chwili instalowania urządzeń w wyrobisku. 3.1.5. Korekta wskazań metanomierza w zakresie niskich stężeń metanu przy obniżonej koncentracji tlenu Reakcja spalania metanu w czujniku pelistorowym przebiega w obecności tlenu. Stwierdzono, że wskazania pelistorowych czujników metanu są poprawne dla (Mróz 1998): C λCH4 = O 2 2 ,7 (3.1) CCH 4 Przy dalszym obniżaniu się stężenia tlenu następuje sukcesywny wzrost błędu pomiarowego. Całkowity brak tlenu w analizowanym gazie prowadzi do wskazań zerowych. Konieczne było zatem przeprowadzenie korekty wskazań i określenie rzeczywistych wartości stężenia metanu. W metanomierzach, obok czujników temperatury i ciśnienia wprowadzony został dodatkowo czujnik tlenu. Umożliwił on przeprowadzenie, na drodze programowej, wspomnianej wyżej korekty. Wprowadzone dodatkowo czujniki umożliwiły, poza realizacją kompensacji, rozszerzenie funkcji urządzeń o pomiar i wizualizację mierzonych parametrów. Tlenomierz AMT-1E wyposażony został ponadto w czujnik wilgotności pozwalający na ocenę naturalnego spadku stężenia tlenu wywołanego wypieraniem tlenu przez parę wodną (Mróz i Szczygielska 2001). W urządzeniach realizowane są zatem następujące funkcje: ____________________________________________________________________________ 358 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Metanomierz AMM-1E (rys. 3.2): - pomiar: stężenia metanu, stężenia tlenu, temperatury, ciśnienia, - transmisja sygnału na powierzchnię, - sygnalizacja wyniku pomiaru na wyświetlaczu LCD. Tlenomierz AMT-1E - pomiar: stężenia tlenu, temperatury, ciśnienia, wilgotności, - transmisja sygnału na powierzchnię, - sygnalizacja wyniku pomiaru na wyświetlaczu LCD. Analizator tlenku węgla AMTW-1E - pomiar: stężenia tlenku węgla, temperatury, ciśnienia, - transmisja sygnału na powierzchnię, - sygnalizacja wyniku pomiaru na wyświetlaczu LCD. Metanomierz AMM-1E, tlenomierz AMT-1E oraz analizator tlenku węgla AMTW-1E mogą zostać, na życzenie Odbiorcy, wyposażone dodatkowo w czujnik SO 2, H2S, NO lub NO2. Rys. 3.2. Metanomierz AMM-1E Fig. 3.2. AMM-1E methane meter 3.2. Pyłomierz PŁ-1 Podstawowymi przyczynami powstawania pyłu węglowego w kopalniach jest urabianie węgla za pomocą kombajnów i materiałów wybuchowych oraz transport urobku. Pył w sieci wentylacyjnej może być przenoszony na znaczne odległości i stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi; tworzy także potencjalne zagrożenie wybuchem. Prowadzenie ciągłej kontroli zapylenia powietrza pozwoli na ocenę sprawności urządzeń będących źródłem zapylenia oraz umożliwi skuteczną profilaktykę pyłową. Dotychczasowe monitorowanie prowadzone było za pomocą czujników pozwalających na okresowe odczyty wartości pomiarowych. W Centrum EMAG opracowany został pyłomierz optyczny (rys. 3.3) przystosowany do współpracy z systemem metanowo-pożarowym SMP. W pyłomierzu tym wykorzystano efekt Tyndalla polegający na rozpraszaniu promieniowania na cząstkach pyłu (aerozolu). Zasada pomiaru opiera się na kontroli intensywności rozpraszania światła pod zadanym kątem na ____________________________________________________________________________ 359 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ cząstkach aerozolu. Intensywność światła rozpraszanego na pojedynczej cząsteczce zależy od jej średnicy projekcyjnej, kształtu, zespolonego współczynnika załamania światła długości fali świetlnej i kąta rozpraszania. Układ pyłomierza PŁ-1 (rys. 3.4) składa się z nadajnika, odbiornika oraz obwodu przetwarzającego i standaryzującego wyjściowy sygnał pomiarowy. Jako źródło światła wykorzystano diodę półprzewodnikową promieniowania podczerwonego o wysokiej jasności. Intensywność rozpraszanego na cząstkach pyłu promieniowania mierzona jest za pomocą fotodiody pracującej na tym samym zakresie częstotliwości promieniowania. Układ optyczny nadajnika i odbiornika osłonięty jest przed szybkim zapyleniem, a układ przesłon tak dobrano, aby odbiornik mierzył tylko intensywność światła rozpraszanego pod odpowiednim kątem. Rys. 3.3. Pyłomierz PŁ-1 Fig. 3.3. PŁ-1 dust meter Rys. 3.4. Konstrukcja pyłomierza PŁ-1 Fig. 3.4. Construction of the PŁ-1 dust meter ____________________________________________________________________________ 360 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Dane techniczne: - napięcie zasilania 12 V; - pobór prądu 8 mA; - zakres pomiarowy 0 – 100 mg/m3; - sygnał wyjściowy 0,4 – 2 V; - stopień obudowy IP-54; - rodzaj wykonania ExiaI; - wymiary 165x180x95mm. Przeprowadzone zostały badania pyłomierza prowadzące do określenia i regulacji charakterystyki pomiarowej. Wymagało to opracowania odpowiedniej komory pyłowej oraz wykonania w niej badań porównawczych z pyłomierzem wzorcowym DUST-TRAK 8520. Wyznaczono charakterystykę pomiarową liniową w zakresie 0 – 100 mg/m. Typowy przebieg sygnału wyjściowego z pyłomierza PŁ-1 po zadaniu próbki pyłu przedstawiono na rysunku 3.5. Rys. 3.5. Sygnał wyjściowy pyłomierza PŁ-1 dla próbki pyłu zadanej dyfuzyjnie Fig. 3.5. The PŁ-1 output signal for a diffusiblyset dust sample 3.3. Czujnik wielodetektorowy Miernik parametrów fizycznych powietrza THP-1 przeznaczony jest do pomiarów ciśnienia bezwzględnego, temperatury i wilgotności powietrza. Urządzenie dokonuje pomiarów, wyświetla wartości na wyświetlaczu LCD i transmituje sygnały na powierzchnię. Wielkości mierzone są podstawą do obliczeń w systemie SMP potencjałów aerodynamicznych w wybranych punktach sieci wentylacyjnej. Podstawowymi elementami miernika są: moduł pomiarowy ciśnienia pozwalający na pomiar w zakresie 800 1300 hPa z dokładnością 0,1 hPa (przetwornik SETRA 470), moduł pomiarowy wilgotności względnej powietrza mierzący w zakresie 10 % 95 % z dokładnością 3 % (przetwornik LB-712N1), moduł pomiarowy temperatury mierzący w zakresie -55 150C z dokładnością 0,2C (przetwornik AD-590). ____________________________________________________________________________ 361 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ Pracą miernika staruje układ mikroprocesorowy zapewniający współpracę z systemem SMP. 3.4. Analizator gazowy dokonujący pomiarów metodą chromatografii gazowej Nowoczesne technologie mikroelektroniczne i mikromechaniczne otwierają nowe możliwości w projektowaniu i produkcji urządzeń do analiz chemicznych. Rozwój takich urządzeń nazwanych mikrosystemami TAS (Micro Total Chemical Analysis System), czyli zminiaturyzowany system do całościowej analizy chemicznej, zapewnia pomiar stężeń substancji w bardzo małych próbkach analitycznych. W Centrum EMAG przy współpracy z Instytutem Techniki Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej podjęto badania nad opracowaniem mikrochromatografu przenośnego, czyli mikrosystemu do analiz zagrożeń gazowych w kopalniach w ramach projektu badawczego nr 9T12A04613 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych. W technologii mikromechaniki krzemu opracowano i wykonano podstawowe elementy (rys. 3.6) składowe mikrochromatografu. W technologii TAS-u powstały: krzemowa mikrokolumna chromatograficzna z wyprowadzeniami, detektor termoprzewodnościowy, zawór krzemowy, mikropompka eżektorowa do pobierania próbek, zawór dozujący oraz detektor przepływu. Opracowano model laboratoryjny mikrochromatografu, który służyć będzie do przeprowadzenia szczegółowych badań prowadzących do opracowania prototypu urządzenia. Po uruchomieniu modelu mikrochromatografu i doborze optymalnego punktu jego pracy, przeprowadzono analizy próbek gazowych i otrzymano chromatogramy (rys. 3.7). Rys. 3.6. Wygląd mikrochromatografu przenośnego Fig. 3.6. Image of a portable microchromatograph ____________________________________________________________________________ 362 WARSZTATY 2003 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie” ____________________________________________________________________________ Struktura funkcjonalna modelu mikrochromatografu gazowego jest taka sama jak klasycznego chromatografu. Elementy składowe są jednak bardzo odmienne od klasycznych i posiadają inne charakterystyki funkcjonalne. DOZOWANIE N2 O2 CH4 CO Rys. 3.7. Chromatogram mikrochromatografu przenośnego Fig. 3.7. Chromatogram of a portable microchromatograph 4. Podsumowanie System SMP umożliwia kompleksową kontrolę parametrów bezpieczeństwa i stanu wentylacji kopalni. Modyfikacja systemu wynika z doświadczeń i eksploatacji w ciągu ostatnich lat w wielu kopalniach. Istotną cechą systemu SMP jest centralne zasilanie czujników, co pozwala na kontynuowanie pomiarów i realizację funkcji kontroli niezależnie od stanu dołowej sieci energetycznej, czyli również po awaryjnym wyłączeniu energii w wyrobiskach kopalni. Prowadzone są prace nad konstrukcją nowych czujników pomiarowych. Szczególnie istotne są urządzenia pomiarowe realizujące kompleksowe analizy próbek gazowych. Opracowanie są również nowe funkcje systemu. Szczególnie interesujące jest: – monitorowanie odmetanowania kopalni, – kontrola parametrów gazowych oraz wyłączanie energii elektrycznej po wstrząsie górotworu, – współpraca systemu SMP z systemem alarmującym STAR. ____________________________________________________________________________ 363 J. MRÓZ, J. ZGADZAJ, K. GRALEWSKI, A. BROJA – System monitorowania zagrożeń... ____________________________________________________________________________ Literatura [1] Dokumentacja techniczna systemu metanowo-pożarowego SMP. Centrum EMAG Katowice. [2] Mróz J. 1998: System metanowo-pożarowy warunkiem bezpieczeństwa pracy kopalni. Szkoła eksploatacji górniczej, Szczyrk. [3] Mróz J., Szczygielska M. 2001: Monitorowanie parametrów i zagrożeń wentylacyjnych w kopalniach. Krajowy Kongres Metrologii, Warszawa. [4] Zgadzaj J., Gralewski K., Mróz J. 2002: Nowe urządzenia do kontroli parametrów atmosfery kopalnianej. Konferencja „Telekomunikacja i systemy bezpieczeństwa w górnictwie”, Szczyrk. Monitoring system of natural hazards in mines The article refers to ventilation parameters and hazards that occur at mines and describes the parameters being characteristic of a mine ventilation system, working conditions of miners, natural hazards and the costs of mine ventilation process. There are presented the structure and functions performed by the SMP methane and fire monitoring system. The parameters and construction of the sensors used in this system to measure climatic, ventilation and hazardcharacterizing parameters are described. The article presents also development work of some interest on the construction of new sensors, conducted by EMAG Centre. Przekazano: 26 marca 2003 r. ____________________________________________________________________________ 364
