Существующая проблема. Уголь является важным источником тепловой энергии во всем мире. Топлив-но-угольная промышленность обеспечивает отопление жилищно-коммунальных комплексов, движение автотранспорта, а также выработку электроэнергии. В промышленности этот ресурс используется для обеспечения работы печей, а также для изготовления азотных удобрений, пластмассовых изделий, взрывчатых веществ и спиртов.

При экспертной оценке состояния угольной промышленности доля этого ископаемого составляет примерно 27% от общего показателя всего топлива. В области металлургии, как и в области электроэнергетики, уголь всегда использовался как топливо более активно, чем в других отраслях промышленности. Около 44% всей электроэнергии в мире производится с использованием угольной продукции. Учитывая сложившуюся тенденцию замены газа углем в топливной промышленности таких стран, как Китай, США, Индия, ЮАР, Австралия, можно сделать вывод, что угольная промышленность является одним из основных векторов развития энергетики в передовые страны.

Но наряду с активным развитием эта отрасль также является одной из самых опасных с точки зрения риска гибели работников. Угольные шахты, расположенные на территории Российской Федерации, остаются одними из самых опасных объектов по сравнению с предприятиями других стран. Следует учитывать, что в России значительный процент подземных горных работ ведется в неблагоприятных горно-геологических условиях. В Российской Федерации 19 угольных шахт (31,7%) ведут добычу на глубине около 500 метров, 2 шахты, Воркутинская и Комсомольская, работают на глубине до 1 километра. В 2018 г. средняя глубина шахт в России достигает 482,5 м против 431 м в 2010 г. 90,8 % угольных пластов классифицируются как опасные по одному из влияющих факторов, 74 % данных шахт опасны по 2 и более факторам. в то же время. Критически высоким - 87,3% является процент тех слоев, которые опасны из-за взрывоопасности пыли.

Идея работы. Добыча угля по-прежнему является важной частью мирового энергетического комплекса. Несмотря на активное развитие технологий и современного оборудования, добыча угля остается одной из самых опасных работ в мире. Основная опасность связана с большим количеством труднопрогнозируемых факторов, таких как вскрытие блистера с отравляющим и горючим газом, обрушение шахты из-за нарушения ее конструктивной целостности и т.д. аппаратные системы, способные контролировать необходимые параметры, но проблема заключается в сложности и затратности внедрения и обслуживания, поэтому даже для крупнейших предприятий массовое внедрение таких систем невыгодно. Ранее проведенными исследованиями установлено, что большинство разработанных систем мониторинга угледобычи очень дороги во внедрении и трудоемки в использовании и сопровождении. В статье предлагается рассмотреть разработанный прототип системы мониторинга концентрации токсичных и горючих газов в режиме реального времени, способный с достаточной скоростью считывать информацию и передавать ее в систему, запускающую механизм реагирования в случае указанные пределы концентрации будут превышены.

Постановка задачи. В процессе разработки угольных шахт подземным способом необходимо учитывать возможные аварийные ситуации, которые реально влияют на уровень опасности и приводят к авариям и травматизму на угледобывающих предприятиях.

Значительные опасности на угольных шахтах, которые могут возникнуть при интенсивной добыче полезных ископаемых в сложных условиях: взрывы метана, воспламенение угольной пыли, обвал горных пород, прорывы воды, выброс взрывоопасных газов, внезапные выбросы угля и газа, подземные пожары. Анализируя статистику несчастных случаев на угольных шахтах Кемеровской области, предприятия угольной отрасли готовы активно финансировать обеспечение промышленной безопасности и охраны труда. С 2004 года на угольных шахтах произошло около 20 аварий, 220 пострадавших, 206 из которых погибли от взрывов газа - метана. Эта проблема существенно снижает конкурентоспособность угольных предприятий.

Еще одной острой проблемой является удорожание углей из-за нерентабельности вложений в автоматизацию технологических и обеспечивающих процессов, что напрямую связано с дороговизной импортного оборудования. Угольная промышленность отстает в глобальном внедрении автоматизации горных работ, 3D-технологий в моделировании и проектировании месторождений, изучении развития геологоразведки и добычи полезных ископаемых, мониторинге состояния физических процессов. Повышение производительности труда на угольных предприятиях Российской Федерации часто происходит за счет привлечения большего количества человеческих ресурсов. Использование общепринятой системы управления промышленной безопасностью позволит существенно снизить риск профессиональных заболеваний и производственного травматизма. Внедрение данного типа систем дистанционного мониторинга состояния физических процессов в угольных месторождениях, обеспечивающих 

автоматизированный сбор, консолидацию, обобщение, систематизацию и анализ информации о полученных значениях параметров состояния физических процессов в угольных месторождениях. для определения состояния промышленной безопасности.

В качестве решения вышеуказанных проблем разработка и внедрение специализированных систем мониторинга физических процессов в угольных месторождениях для анализа фактора опасности на угольных предприятиях, обоснование комплекса мероприятий, направленных на своевременное оповещение об опасности, что позволит повысить безопасность и производительности подземных горных работ. Целью данного исследования является разработка системы с оптимальным сочетанием функциональности и затрат на внедрение.

Актуальность разработки обусловлена тем, что в настоящий момент для российских угольных шахт важно снизить количество несчастных случаев и исключить производственный травматизм. Такие проблемы на угольных шахтах возникают из-за неэффективной системы управления и контроля в угольных шахтах, а также из-за отсутствия прогнозирования опасных явлений и отсутствия работы по заблаговременному предотвращению опасных физико-механических явлений.

Мониторинг системы физических процессов в угольных шахтах значительно повышают производительность труда за счет мониторинга, эффективного управления, сбора данных и своевременного оповещения работников угольных шахт. Мониторинг является важным этапом автоматизации горнодобывающего предприятия, так как позволяет передать часть полномочий по управлению производством и принятию управленческих решений от человека искусственному интеллекту.

Основная часть. При разработке мониторинга физических процессов для угольных месторождений необходимо анализировать те процессы, которые происходят в угленосном пласте, описывая физические основы следующих процессов. Опасность процесса добычи угля состоит из двух основных факторов: самонапора пластов и возможного изменения состояния метанового кармана и давления. Влияние этих факторов усиливается с увеличением интенсивности и глубины горных работ. Основная проблема заключается в том, что те процессы протекают в короткие сроки, на которые не представляется возможным среагировать и вынуждают организовать мониторинг в режиме реального времени.

Предлагаемый алгоритм мониторинга имеет 3 этапа:

1. «Сбор данных» необходим для получения и сбора параметров процессов добычи угля.

2. «Построение графика» необходимо для визуализации полученных данных на станции операторов, что дает возможность не только видеть фактические отклики от датчиков, но и анализировать закономерности распределения параметров для прогнозирования возможных аварийных ситуаций.

3. «Ведение документа с прочитанными данными» необходимо для сбора и записи всех данных в файлы, что дает возможность оперативного анализа и более подробных будущих расследований.

Система мониторинга позволяет в режиме реального времени отображать полученную информацию по всем датчикам, используемым в мониторинге. Осуществляется контроль содержания метана, пропана, окиси углерода, двуокиси углерода и N-газа. В призабойных участках выработок в тупиковых участках длиной 10 м и более и отводящих участках выработок протяженностью 50 м и более при условии использования шахтами электрической энергии образуются выбросы метана. При работе в тупиках шахты, подвижной подстанции - в районе подстанции. Если горные работы велись при буровзрывных работах и ​​могут быть произведены контузионные взрывы, не зависящие от использования электрической энергии, в тупиках шахты, небезопасных по выбросам метана, продолжительностью 100 м. , при условии использования электрической энергии, кроме участков различного скопления.

Осуществлялся контроль концентрации метана, пропана, монооксида углерода, диоксида углерода и N-газа. В призабойных участках выработок в тупиковых участках длиной 10 м и более и отводящих участках при длине шахты 50 м и более при условии использования шахтами электрической энергии образуются выбросы метана. При работе в тупиках шахты, подвижной подстанции - в районе подстанции. Если горные работы производились при буровзрывных работах и ​​могут быть произведены контузионные взрывы, не зависящие от использования электрической энергии, в тупиках шахты, небезопасных по выбросам метана, продолжительностью 100 м, при условии использования электрической энергии, кроме площадей различного скопления:

• В зонах проветривания наружной вентиляции электродвигателями при подземной разработке пластовых месторождений, небезопасных из-за вероятности внезапных выбросов, а также при условии работы вентиляторов в зонах с выходящим потоком воздуха от остановки выработок и работ в тупиках;

• в воздух, поступающий в выработки с нисходящей вентиляцией, с последовательной вентиляцией и в условиях добычи угля из пластов;

• Вблизи выходящего воздуха из выработок, при условии использования электрической энергии, и в местах проведения земляных работ, без привязки к использованию электрической энергии;

• В тупиковых вентиляционных работах;

• в помещениях, где работают машины и электрооборудование, вентилируемые выходящим воздухом; в помещениях, где установлено электрооборудование;

• в местах с выходом воздуха за пределы площадей выемки (до шахт) при условии, что в этих зонах находятся машины и электрооборудование или кабели;

• В выходящих струях шахтных сооружений;

• На смесителях газоотсосных установок;

• В камерах вентиляторов для отсоса газа.

При получении информации о превышении согласованного порога система мониторинга предупреждает об опасности звуковым или световым сигналом. Интервал времени между звуковым сигналом стационарных датчиков, установленных в шахте, и получением от них информации не должен быть более 10 секунд.

Система мониторинга физических процессов в угольных месторождениях представляет собой газовоздушную систему управления, которая необходима для обеспечения безопасности подземных горных работ путем непрерывного контроля параметров, считываемых с датчиков, характеризующих газовый режим шахт. Мониторинг более подробно можно описать так: собираем показатели газовых датчиков и сохраняем их на ПК, для удобства восприятия информации отображаем 

сохраненную информацию с датчиков на графиках, также сохраняем информацию о параметры газового режима за определенный период времени для дальнейшей информационной аналитики, что крайне важно для управления установками и оборудованием, обеспечивающим безопасность по воздушно-газовой обстановке в угольных шахтах.

Данная система мониторинга необходима для выполнения следующих функций:

• Мониторинг воздуха и газа в местах установки датчиков в угольных шахтах (датчики описаны и представлены в таблице 1);

• Автоматический контроль возникновения опасностей из-за повышенной концентрации и возможность дистанционного включения работы вентиляционных установок в угольной шахте;

• включение вентиляции для проветривания участков забоя шахты при подготовке к выемке в автономном режиме, а также их контроль;

• Автоматическое оповещение об опасности;

• Автоматизированное управление оборудованием для поддержания безопасного газовоздушного состояния в угольных шахтах.

Все описанные функции используются как система, обеспечивающая следующие процедуры и операции:

• обеспечение оповещения звуковым сигналом и включением и выключением световых индикаторов, что является сигналом для работников угольной шахты о возникновении аварийной ситуации, данная процедура осуществляется оператором и диспетчеризируется;

• Данные с датчиков и сенсоров о концентрации газов в угольной шахте проверяются и контролируются непрерывно диспетчером и оператором, оператор следит за сохранностью информации о концентрации газа;

• Существует процедура отключения машин и другого оборудования, потребляющего электрическую энергию. Данная процедура обесточивания происходит автоматически при обнаружении опасной концентрации газов или отключении диспетчером;

• порядок оперативной замены или перенастройки системы контроля физических процессов в угольных месторождениях в случае возникновения аварийной ситуации;

• Сохранение данных, которые были списаны с датчиков и датчиков для анализа событий через некоторое время.

В состав представленной системы входят:

1. USB-кабель для питания и передачи считанных данных;

2. Микроконтроллер Arduino для чтения и обработки данных о концентрации газа с датчиков. Сигнал - 2 провода (зеленый и синий) и провода питания - остальные 6 проводов;

3. Макетная плата, обеспечивающая подключение датчиков к контроллеру, а также позволяющая размещать их в различных конфигурациях;

4. Датчик MQ-135 - измерение СО₂, точнее концентрации углекислого газа в атмосфере;

5. Датчик MQ-2 - измерение концентрации в атмосфере пропана;

6. MQ-9 - измерение СН₄, точнее концентрации метана в атмосфере;

7. Датчик MQ-7 - измерение концентрации угарного газа в атмосфере;

8. Датчик MQ-4 измерения диоксида серы в атмосфере шахтных сооружений;

9. Далее предлагается рассмотреть разработку системного программного обеспечения;

Программное обеспечение было разработано с использованием языка Си. Алгоритм работы прототипа системы контроля загазованности угольной шахты состоит из следующих этапов:

1. Подключение библиотек для упрощения работы с датчиками и другими компонентами;

2. Определяется максимально возможное количество измерений параметров;

3. Переменные, содержащие параметры каждого газа, представлены в виде массива;

4. Определяются минимальное и максимальное значения по оси у;

5. Формируется первичный массив данных, полученных от датчиков;

6. Вызов модуля построения графика и создания файла хранения данных сеанса;

7. Вызов функции, задающей основные параметры очистки воздуха для каждой концентрации;

8. Вызов функции, проверяющей соответствие каждого выхода платы Arduino заданному устройству;

9. Вызов функции начальной настройки библиотеки каждого используемого датчика;

10. Вызов функции измерения параметров углекислого газа с датчика MQ-135;

11. Вызов функции измерения параметров газа - пропана с датчика MQ-2;

12. Вызов функции измерения параметров природного газа с датчика MQ-4;

13. Вызов функции измерения параметров газа - метана с датчика MQ-4;

14. Вызов функции измерения параметров угарного газа с датчика MQ-7;

15. Полученные данные записываются, передаются на рабочую станцию и записываются.

На рис. 1 показан интерфейс системы, на котором отображаются графики изменения концентрации газа. Графическое представление информации удобно в работе, а также для анализа изменений, происходящих в угольных месторождениях.

Важным документом, который был разработан и выполнен, является документ, в котором в удобной табличной форме, где каждая колонка выделена под параметры каждого отдельного газа, где прописаны и сохранены сведения о концентрации газов. Пример такого документа показан на рисунке 2.

Для удобства использования и оперативного оповещения об опасной концентрации газовых выбросов график, показывающий концентрацию газа при превышении концентрации, уведомляет об опасности выделением графика красным цветом. Для оповещения рабочих, находящихся непосредственно в угольной шахте, включается звуковой сигнал, оповещающий об опасности. Результат на примере превышения нормы концентрации выбросов метана показан на рисунке 3.

Описанный выше программный код для считывания информации о концентрации газов в угольной шахте, программный код для построения графиков, наглядно отображающих концентрацию опасных газов, программный код для сбора, хранения и анализа полученных данных по концентрации газа обеспечит мониторинг физических процессов в угольных месторождениях. Такая структура действий позволяет своевременно оповещать рабочих об опасной концентрации газов, прогнозировать опасные физические процессы в угольных месторождениях, анализировать, при каких концентрациях и значениях насыщенности тех или иных газов происходили физические процессы, которые повлияло на структуру добычи угля.

Учитывая среднее количество районов добычи и шахт, внедрение полноценной системы потребует колоссальных вложений средств и мощностей. Альтернативой этому решению может стать система, имеющая меньший набор функций, но способная контролировать важнейшие показатели безопасности (загазованность шахты). Предлагаемое решение представляет собой программно-аппаратный комплекс, способный принимать информацию от датчиков и сенсоров и передавать ее на рабочее место оператора. Основными функциями системы являются постоянный контроль концентрации наиболее часто встречающихся газов, оповещение оператора и персонала в случае достижения критических показателей концентрации и формирование журнала наблюдений, на основании которого проводится анализ динамика изменения концентрации газа может быть впоследствии проведена в зависимости от характера, продолжительности и интенсивности работы. Накопленный объем знаний может быть использован в качестве исходных данных для будущей системы прогнозирования, а также возможных научных исследований в данной предметной области.

Заключение. В статье представлен процесс разработки прототипа системы контроля концентрации токсичных и горючих газов в угольной шахте. Анализ предметной области выявил наличие нескольких полнофункциональных разработок, способных не только отслеживать целевые параметры концентрации газа, но и моделировать характер и скорость его распространения. Достоинствами этих типовых систем являются эргономичный интерфейс и широкий набор функций анализа, мониторинга и запуска, но проблема заключается в высокой сложности реализации таких систем. Помимо высокой стоимости, использование этих систем предполагает внесение изменений на каждом этапе производственного процесса, включая установку нового оборудования, изменение структуры сети передачи данных, частичную замену рабочих мест операторов и набор датчиков и сенсоров. Сложность и важность настройки системы вызывает необходимость привлечения узкопрофильного специалиста, который должен не только выполнить первоначальную настройку и калибровку оборудования, но и обучить персонал. В ответ на это было установлено, что в больших масштабах распространяется внедрение простых, но функционально достаточных систем.

В результате исследования был разработан прототип, включающий в себя программируемую плату и набор датчиков, способных измерять концентрации наиболее распространенных газов. Результаты испытаний показали, что предложенный комплекс датчиков и вычислительная схема способны с достаточной точностью определять концентрацию опасных газов, передавать данные в систему и обеспечивать своевременное реагирование системы при достижении критических показателей.

Представленные исследования являются первым этапом нашей собственной полнофункциональной системы контроля и мониторинга загазованности выработки угольных шахт.