АВАРИЙНОЕ ОПОВЕЩЕНИЕ ПЕРСОНАЛА ШАХТ И РУДНИКОВ ПО РАДИОКАНАЛУ

Василиогло Анастасия Дмитриевна

студент 5 курса, кафедра электротехники, электроэнергетики, электромеханики, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург

Е-mail: sbor_stasia@mail.ru

Иванов Сергей Леонидович

научный руководитель, д-р тех. наук, профессор, кафедра машиностроения, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург

Семенов Михаил Алексеевич

научный руководитель, канд. тех. наук, доцент, кафедра электротехники, электроэнергетики, электромеханики, НМСУ «Горный», г Санкт-Петербург

Одной из основных задач обеспечения безопасности труда на горнодобывающих предприятиях является своевременное оперативное оповещение персонала о возникновении аварии. В правилах безопасности ПБ 05-618-03 (п. 41) аварийное оповещение — это передача горным диспетчером сообщений (кодовых, текстовых, речевых) в подземные выработки индивидуально каждому горнорабочему независимо от его местоположения до, во время и после аварии. Непосредственно к аварийному оповещению примыкают задачи мониторинга шахтного персонала. Они также отражены в п. 41 ПБ 05-618-03: поиск или аварийное позиционирование — обнаружение человека и определение его местоположения под завалом через слой горной массы толщиной не менее 20 м с погрешностью не более 2 м в течение 2 суток после попадания под завал при аварии и проведении спасательных работ; наблюдение или технологическое позиционирование — определение положения персонала в подземных выработках в нормальных условиях с точностью до участка горной выработки на момент возникновения аварии [1].

Исходя из, представленного выше, содержания п. 41 ПБ 05-618-03 к системе аварийного оповещения подземного персонала шахт и рудников можно сформулировать следующие требования:

1. Оповещением должна быть охвачена вся зона подземных горных выработок;

2. Сигналы оповещения должны приниматься каждым находящимся в подземных выработках горнорабочим или ИТР независимо от места нахождения;

3. Система оповещения должна оставаться работоспособной до аварии, во время аварии и после ликвидации аварии;

4. Время оповещения должно быть минимальным (не более нескольких минут);

5. Объем информации, передаваемый оповещением, должен быть достаточным для понимания персоналом характера аварии и возможных путей эвакуации [6].

В большей части этим требованиям соответствуют системы, использующие для передачи сигналов оповещения радиоканал, действующий через толщу горных пород. К ним относятся: «Земля-3М», «СУБР-1П», «Радиус-2», «СУБР-1СВМ», «Гранч», «Талнах» и другие. Наиболее распространенными из них на горных предприятиях, функционально более развитыми и постоянно совершенствующимися, являются системы «СУБР-1» и «Радиус-2». Причем, «Радиус-2» соответствует всем пяти пунктам сформулированных выше требований.

Другие системы подземной радиосвязи, получившие распространение на горных предприятиях в последние годы, на основе излучающего кабеля и микросотовых технологий (DECT, WiFi) имеют значительно более широкие функциональные возможности и способны выполнять все функции аварийного оповещения, но они не соответствуют п. 3 представленных выше требований. Наличие кабелей и аппаратуры в подземных выработках при аварии приведет, в первую очередь, к выходу их из строя, а значит к потере связи с подземным персоналом.

Системы оповещения через толщу горных пород не имеют стационарного оборудования в горных выработках. Они состоят из передатчика, расположенного на поверхности горного предприятия, и приемников, которыми снабжается весь подземный персонал. Следовательно, при аварии никакое оборудование не пострадает и связь с диспетчером останется работоспособной

Как действуют такие системы, рассмотрим на примере комплекса беспроводного подземного оповещения, персонального вызова, наблюдения и поиска людей, застигнутых аварией — «Радиус-2» [2, 4]. Комплекс состоит (рис. 1) из передающей аппаратуры ПРД, антенно-фидерного устройства АФУ и приемных устройств ПРМ. В состав передающей аппаратуры входит пульт дистанционного управления ПДУ горного диспетчера.

Рисунок 1. Структура комплекса «Радиус — 2»

Передающая антенна комплекса, представляющая собой заземленный диполь или рамку, охватывающую шахтное поле, может подвешиваться на опорах линий электропередач, прокладываться по поверхности земли в грунте или в шахтных подземных выработках, не опасных по газу и пыли. Антенна подключается к усилителю мощности ПРД, который в зависимости от геометрических размеров шахтного поля, геоэлектрических свойств горных пород выбирается из ряда 1,25; 2,5; 5,0; 10; 15 кВт.

Приемное устройство ПРМ, встраиваемое внутрь корпуса взрывобезопасного шахтного головного светильника, обеспечивает выполнение следующих функций: оповещение об аварии, персональный вызов работающих независимо от того, в каком месте шахты они находятся; поиск застигнутых аварией людей в шахте; наблюдение местоположения, автоматический табельный учет персонала шахты.

В случае предаварийной или аварийной ситуации горный диспетчер с ПДУ передает кодовые радиосигналы оповещения или персонального вызова в подземные выработки сквозь толщу горных пород. Емкость кодов комплекса «Радиус-2» составляет: персонального вызова — 1024, общего оповещения по типу аварии —4, передача цифровых или текстовых сообщений — 16. Передача осуществляется посредством низкочастотных электромагнитных волн с использованием сетки частот с нижнего диапазона 25 Гц до 2500 Гц с шагом 50 Гц. Сетка частот позволяет выбрать оптимальную частоту передачи сквозь толщу пород в зависимости от их удельной проводимости. Передающее устройство программно выбирает оптимум, переходя с одной частоты на другую.

Приемные устройства улавливают низкочастотные сигналы и преобразуют их в мигание лампы светильника различной частоты и длительности и параллельно в звуковые сигналы. По типу этих сигналов шахтеры получают информацию о происходящих событиях в шахте — авария или вызов для разговора по телефону.

Зона действия комплекса «Радиус-2» составляет в глубину сквозь горный массив до 2000 м, по простиранию шахтного поля — до 15 км.

Для реализации поиска людей, застигнутых аварией, в приемное устройство встроен шахтерский радиомаяк. Он включается диспетчером с ПДУ после подачи сигнала об аварии и начинает излучать специальные сигналы мощностью до 10 мВт. По этим сигналам при ликвидации аварии спасательная служба может определить местонахождение шахтера с помощью радиопеленгатора «Радиус ШРП» сквозь толщу горных пород на расстоянии 5—15 м.

Наблюдение местоположения или позиционирование персонала выполнено в комплексе «Радиус-2» по технологии активных RFID-меток, представляющих собой передатчики высокой частоты (434,5; 433,3 МГц), встроенные в шахтные головные светильники. Приемники (считыватели) этих сигналов устанавливаются в определенных местах шахты, где необходим контроль наличия персонала и соединяются с компьютером диспетчера оптоволоконным каналом связи. Дистанция считывания составляет до 40 м. В аварийной ситуации, когда будет разрушен оптоволоконный канал, компьютер зафиксирует положение персонала на момент аварии, что станет отправной точкой поиска людей, застигнутых аварией.

Таким образом, система «Радиус-2» обеспечивает выполнение всех пяти пунктов требований, предъявляемых к системам аварийного оповещения подземного персонала шахт и рудников. Однако пункт 5 требует дальнейшего развития и совершенствования системы. Ведь в четырех кодовых сигналах о типе аварии трудно вместить информацию о характере аварии, конкретном месте, где она произошла, ее развитии и последствиях, а также наметить пути быстрейшего выхода на поверхность. В комплексах «СУБР-1П» и «СУБР-1СВМ» такое развитие нашло воплощение в передаче текстовых сообщений на индивидуальные шахтерские пейджеры, которыми снабжаются ИТР и руководители работ. Текстовые сообщения программируются по позициям плана ликвидации аварий (до 508 сообщений по 40 символов в каждом). Кроме того, могут передаваться произвольные текстовые сообщения, которые принимаются индивидуальным приемным устройством и передаются на высокой частоте на шахтерские пейджеры.

Полностью реализовать пункт 5 сформулированных выше требований можно только при речевом оповещении. Известно, что полоса частот голосового диапазона находится в пределах 300—3500 Гц. Высшая частота диапазона (3500 Гц) на 1000 Гц больше, чем в рабочем диапазоне частот комплекса «Радиус-2». Повышение частоты передаваемого сигнала увеличивает риск его быстрого затухания в массиве горных пород а, следовательно, уменьшение дальности (глубины) речевого оповещения.

В Санкт-Петербургском горном университете были проведены исследования по определению глубины распространения электромагнитного поля при передаче сигналов речевого диапазона сквозь массив горных пород. Результаты исследований представлены на рис. 2 в виде графиков, характеризующих убывание напряженности электромагнитного поля (Е, мкВ/м) в зависимости от глубины его распространения (L, м) в массиве горных пород при различных частотах речевого диапазона. Расчеты выполнены для средней интегральной проводимости пород горного массива, равной 10^-2 См/м. Такая проводимость характерна для антрацитов, аргиллитов, алевролитов, мокрых глин, кварц-сернистовых сланцев и других пород. Из графиков видно, что напряженность электромагнитного поля на нижней частоте (300 Гц) на глубине 1200 м составляет около 12 мкВ/м, что вполне достаточно для удовлетворительной работы приемных устройств. На частоте 3500 Гц уже на глубине 500 м напряженность электромагнитного поля становится менее 9 мкВ/м, что говорит в пользу неустойчивой радиосвязи.

Отсюда вытекает следующий вывод: аварийное оповещение в голосовом формате возможно только на глубины менее 500 м, что неприемлемо для современных шахт и рудников, глубина расположения подземных выработок которых составляет 1000 м и более [3, 5].

Рисунок 2. Затухание электромагнитного поля при передаче речевого сигнала через массив горных пород для различных частот диапазона:
1 — при частоте 300 Гц; 2 — при частоте 1000 Гц; 3 — при частоте 3500 Гц.

Этот вывод не означает, что нужно отказаться от речевого оповещения. Следует искать пути увеличения глубины передачи. Одним из таких путей является корректировка амплитудно-частотной характеристики передающего тракта, которая направлена на то, чтобы усиливать в большей степени высокочастотную часть речевого спектра, как наиболее ослабляющуюся при распространении в горном массиве. Такое решение напрашивается на основе анализа характеристик, представленных на рис. 2.

Если сравнить, например, напряженности электрического поля на частотах 300 Гц и 3500 Гц на глубине передачи 500 м, то оказывается, что на частоте 3500 Гц она уменьшилась в 24 раза по сравнению с частотой 300 Гц. Это означает, что для увеличения дальности передачи (более 500 м) необходимо компенсировать убывание высокочастотных составляющих. Для этого требуется увеличить коэффициент усиления передающего тракта для высших частот речевого диапазона не менее, чем в 24 раза по сравнению с усилением низкочастотных составляющих.

Решить эту задачу можно путем введения в оконечный каскад передающего тракта корректирующей цепочки из последовательно соединенных индуктивности L и емкости С, включенных последовательно с антенной передатчика. Эта цепочка должна иметь преимущественно емкостное сопротивление, чтобы с увеличением частоты речевого сигнала ее общее сопротивление уменьшалось, а коэффициент усиления каскада при этом увеличивался.

Величины параметров L и С необходимо выбирать с учетом возникновения резонансной частоты f_рез = 1/2π. Величина f_рез должна быть меньше всех частот речевого спектра, и тем более, частоты 3500 Гц. Из этих соображений произведение LС не должно превышать 2·10^-9. Реализовать такую корректирующую цепочку не представляет труда.

Нами были проведены испытания оконечного каскада передающего тракта в виде усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Его параметры были рассчитаны с учетом корректирующей цепи. При испытании такого каскада наблюдалось нарастание электромагнитного поля на частотах от 300 до 1000 Гц примерно в 1,5 раза, а на частотах от 1000 до 3500 Гц — его плавное убывание примерно в 2 раза. При этом напряженность электромагнитного поля на глубине 500 м для высокой частоты спектра составила 450 мкВ/м, что примерно в 45 раз выше, чем без корректирующей цепочки. Это означает, что поле может распространяться на большую, чем 500 м глубину.

Дальнейшие исследования показали, что при выбранном оконечном каскаде с корректирующей цепочкой электромагнитное поле на частоте 3500 Гц может достигать глубины 800 м, обеспечивая напряженность в пределах 15 мкВ/м, что вполне достаточно для обеспечения устойчивого речевого оповещения.

Список литературы:

1.Бабенко А.Г. Принципы построения многофункциональных систем безопасности угольных шахт, опыт и перспективы их использования в Кузбассе/ А.Г. Бабенко, С.Э. Лапин, А.В. Вильгельм, С.М. Оржеховский — Безопасность труда в промышленности, 2011, № 1. С. 16—22.

2.В радиусе повышенного внимания к шахтеру/ Уголь Кузбасса, Международный научно-практический апрель — 2011.С. 68—69.журнал, март — апрель 2011. С. 68 — 69.

3.Драбкин А.Л., Проскуряков Р.М., Семенов М.А. Система беспроводной импульсной однополосной передачи речевых сигналов через массив горных пород с использованием ретрансляторов/ Известия вузов «Горный журнал» № 2, 2002. С. 107—111.

4.«Неделя комфорта и безопасности жизнедеятельности» в Кузбассе одобрила ноу-хау красноярского НВИЦ «Радиус». Известия региона от 24.11.2011 г. Специальный выпуск.

5.Семенов М.А. Система компенсации убывания электрического поля в массиве горных пород // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии, 2012 — [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://www.online-electric.ru/articles.php?id=9 (Дата обращения: 10.05.2012).

6.Ферхо В.А., Веснин В.Н. Вопросы оснащения техническими средствами аварийного оповещения и определения местоположения персонала в подземных горных выработках рудников и угольных шахт. Горный журнал Казахстана, 2010, № 8. С. 47—50.