900x200

Продолжая изучать подшивки старых журналов, мы часто сталкиваемся с материалами, в той или иной степени связанными с Донецком и Донбассом. Сегодня предлагаем вашу внимание публикацию из 11-го номера журнала "Техника молодежи". Публикация посвящена проблемам обеспечения безопасности в шахтах — нам показалось, что тема изложена достаточно интересно, поэтому мы и решили познакомить читателей с нею. Знаем, что среди посетителей нашего сайта есть достаточно специалистов в этом деле — надеемся, они дополнят и уточнят материал

Метан — бич каменноугольных шахт. Выделяясь из трещин и пустот в угле, этот газ не имеющий ни цвета, ни запаха, при концентрации от 5 до 16% образует с воздухом взрывчатую смесь. Более четверти века советские ученые вели поиски надежного способа оградить от нападений метана тех, кто «солнце поднимает из штольни». И вот в 1973 году за создание и массовое внедрение автоматических средств защиты от метана большая группа специалистов была удостоена Государственной премии СССР.

Огнедышаший Змей Горыныч

С тех пор как существуют угольные шахты, нет и не было ничего более страшного для шахтеров, чем взрыв метана.

При воспламенении этого газа горная выработка превращается в «пушку» огромной разрушительной силы. После первого выстрела раскаленные до 2500° С газы, расширяясь, вырываются со сверхзвуковой скоростью из длинного пушечного ствола, смерчем катятся по выработкам, круша и перемалывая все, что попадается на пути. К каким только ухищрениям не прибегали в старину шахтеры, чтобы избежать нападений метана! Даже брали с собой клетки с канарейками. Гибель птицы, более чувствительной к недостатку кислорода, возвещала о смертельной опасности и для человека.

Потом появилась бензиновая лампа. Теперь, когда вместо нее вот уже два десятилетия используется аккумуляторный светильник, эта лампа кажется допотопной. Но в свое время она  сослужила  добрую службу, ибо была не только источником света, но и анализатором метана. О его концентрации судили по высоте голубоватого ореола над пламенем лампы: чем выше и бледнее этот ореол, тем больше в забое метана. Если же лампа начинает коптить, значит, концентрация подбирается к зловещим 5% —надо уходить из забоя.

Несмотря на эти средства предупреждения, притаившийся в угле метан, который, подобно некоторым особо опасным преступникам, имеет несколько кличек — газ гремучий, болотный, рудничный и горючий, — часто напоминал о себе взрывами, человеческими жертвами.

Так было и сто лет назад, когда в каменной норе шахты, согнувшись в три погибели, рабочие долбили обушком неподатливый пласт, а затем, обливаясь потом, на четвереньках тащили уголь в корзинах на-гора. Так случается и сейчас в тех странах, где мало уделяется внимания технике безопасности, где прибыль ценится выше, чем жизнь человека. Нет-нет да и покажет свой свирепый нрав метан — этот огнедышащий Змей Горыныч, стоящий на страже земных сокровищ.

В гостях у Плутона

Хотя над головой километровая толща земли, здесь светло, как на поверхности, — дремучую темень разгоняют яркие лампы дневного света. Мой проводник в подземном путешествии— Виталий Цаплиенко, бригадир комсомольско-молодежного коллектива электрослесарей службы автоматики. По откаточному штреку вдоль нескончаемой полосы рельсов мы идем к лаве. Так называется выработка, где непосредственно добывается уголь. Туда же, толкая нас в спину, мчится поток свежего воздуха, закачиваемый с поверхности мощным вентилятором. 6 м3 в минуту на каждого шахтера — таков по правилам безопасности его минимальный расход. Этот воздух, охлаждая шахтную атмосферу, растворяет в себе выделившийся из угля метан и вместе с пылью выносит его на поверхность через специально проложенный вентиляционный штрек.

Наконец мы добрались до лавы. Это узкая, метровой высоты щель. По всей ее 300-метровой длине выстроились ряды гидравлических стоек. Подобно Атлантам, они держат на стальных плечах мощную толщу пород. На четвереньках мы ползем вдоль лавы. В шахте сейчас первая смена — ремонтная. Справа от нас двое рабочих через каждые 9-10 м бурят в пласте глубокие скважины. Потом в них под огромным давлением (около 200 атм) станут нагнетать воду, которая выгонит из угольных пустот метан. Эта тяжелейшая операция называется гидрорасчленением пласта.

Шахтеры знают, что внезапным выбросам метана (а его давление в замкнутой полости угля достигает 100 атм) , обычно предшествуют некоторые особые признаки: резкое увеличение выделения газа, гул, толчки в угольном массиве, осыпание забоя, отскакивание кусочков угля. Гремучий газ как бы предупреждает о своем нападении. И человек научился слушать угольный пласт — установленные на поверхности магнитофоны фиксируют каждый «вздох», каждый шорох в толще земли.

Но вот кончается ремонтная смена, и начинается рабочая. Загудел комбайн, врубаясь в пласт. И сразу же облако угольной пыли, подхваченное потоком свежего воздуха, понеслось через лаву к вентиляционному штреку.

Вот здесь-то и разыгрывается сражение с метаном, происходит его укрощение…

В надежных руках автоматики

Представьте себе такую ситуацию. Мощный комбайн рубит в лаве уголь, который нескончаемым потоком несет к вагонеткам ленточный транспортер. Работа в самом разгаре. И вдруг — стоп! Остановились механизмы, замигала сигнальная лампа датчика, а наверху, в диспетчерской, раздается звонок. Это сигнал о том, что в забое опасная концентрация метана. Нет, пока до зловещих 5% далеко, но прибор, подав сигнал на отключение электроэнергии, предупреждает людей о том, что продолжать работу нельзя, иначе может произойти взрыв.

Фантастика? Нет, реальность! Впервые в мировой практике советскими специалистами создана система автоматической газовой защиты — система АГЗ. Это широко разветвленная сеть датчиков и аппаратов, которые устанавливаются в шахтах, опасных по газу.

АГЗ не только сигнализирует об опасности, не только непрерывно контролирует состав атмосферы и передает информацию диспетчеру шахты, но и автоматически отключает электропитание работающих в забое механизмов при определенных концентрациях метана.

Аппаратура АГЗ состоит из трех основных элементов: датчика метана, аппарата сигнализации и диспетчерского пульта. Датчик метана — это резидент газовой разведки. Такие легко переносимые приборы устанавливаются в тех местах шахты, где необходим постоянный контроль за метаном. Их подвешивают к кровле, потому что именно здесь собирается более легкий, чем воздух, метан. Данные разведки автоматически передаются по кабелю в «центр» — на диспетчерский пульт, расположенный на поверхности. Поскольку аппарат сигнализации обычно находится далеко от датчика, для удобства связи оба аппарата снабжены телефонами.

Как только датчик зафиксирует предельно допустимую концентрацию метана, он выдает релейный сигнал в аппарат сигнализации, а тот, в свою очередь, подает команду на отключение электроэнергии. Одновременно в забое раздается звонок. Не пройдет и минуты, как все механизмы, работающие в опасной зоне, будут отключены от источника питания, а люди покинут забой. Работа начнется через несколько минут, когда вентилятор создаст безопасную атмосферу.

Важнейшая особенность всей аппаратуры АГЗ — абсолютная искробезопасность. И неудивительно, ведь приборам приходится работать во взрывчатой среде.

АГЗ — результат многолетней исследовательской работы. Советские и зарубежные специалисты интенсивно вели поиски надежного способа измерения концентрации гремучего газа. Но долгое время они не приводили к успеху. Повышенная влажность, пыль, примеси токсичных газов, постоянные колебания состава шахтной атмосферы — человек мог приспособиться к этим тяжелым условиям, приборы — нет.

Наконец, в 1948 году новый метод определения концентрации метана предложил работавший тогда в Институте горного дела АН СССР Владимир Кравченко, ныне доктор технических наук, лауреат Государственной премии. Вкратце суть этого метода вот в чем.

Два чувствительных элемента — рабочий и сравнительный — включены в мостовую электрическую схему. Оба находятся в совершенно одинаковых условиях, оба под током, который нагревает их до температуры порядка 400° С. Разница лишь в том, что сравнительный элемент — это просто цилиндрик из окиси алюминия, а рабочий — такой же цилиндрик, покрытый пленкой палладия. Последний — великолепный катализатор окисления метана. Поэтому при появлении в окружающей среде гремучего газа окисление его идет только на рабочем элементе, температура которого при этом увеличивается, а следовательно, возрастает и сопротивление, тогда как температура (и сопротивление) сравнительного элемента остается прежней. Происходит разбалансирование мостовой схемы. Причем величина его пропорциональна концентрации метана. При достижении предельно допустимой концентрации со схемы через усилитель поступает сигнал на отключение электроэнергии.

Этот принцип используется сегодня во всех датчиках газовой защиты. Называется он термокаталитическим низкотемпературным.

Работы Кравченко продолжил сотрудник того же института, заведующий лабораторией газовой защиты Евгений Карпов, а также заведующий отделом автоматических средств газовой защиты института «Гипроуглеавтоматизация» Исаак Биренберг. Ныне оба они удостоены Государственной премии.

А вообще-то аппаратура АГЗ создана в тесном содружестве институтов — Института горного дела имени А. А. Скочинского, «Гипроуглеавтоматизации». Макеевского научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности — и конотопского завода «Красный металлист».

img1

Стационарная аппаратура автоматической газовой защиты. Ее обязанность — незамедлительно возвещать об опасном содержании метана в шахте и отключать взрывоопасное электрооборудование при достижении пороговой концентрации гремучего газа

Сегодня уже более 200 шахт нашей страны оснащены системами АГЗ. Здесь свирепый метан находится в цепких руках автоматики. Например, на шахте «Социалистический Донбасс», где мне довелось побывать, за все время ее работы, начиная с 1966 года, не было ни одного несчастного случая по вине газа, хотя эта шахта причислена к сверхопасной категории по внезапным выбросам.

Но безопасность на шахтах не единственная заслуга автоматической газовой защиты. Ее внедрение приносит государству большую экономию — ведь теперь отпала надобность в целой группе работников, которые раньше 2-3 раза в смену с помощью специальных интерферометров замеряли концентрацию метана. За счет такого сокращения штатов только на одной донбасской шахте имени В. М. Бажанова ежегодно экономится около 30 тыс. рублей!

Остается лишь добавить, что к концу нынешней пятилетки все опасные по газу шахты Советского Союза будут оборудованы новой аппаратурой.

«Спутник шахтера»

Стационарная аппаратура АГЗ часто не успевает за стремительными проходчиками, которые прокладывают новые штреки. Для тех, кто трудится в тупиковых забоях, необходим легкий переносный прибор постоянного контроля метана, своего рода — персональный страж.

Впервые такой прибор в 1965 году появился у нас, годом позже — в Англии. Благодаря броской рекламе фирма «Инглиш электрик» добилась широкой популярности своего детища. Арбитром выступили румынские шахтеры. Они закупили по небольшой партии приборов — тех и других. Испытали их в работе, сравнили и сделали вывод: советские — надежнее, удобнее, долговечнее. Они служат 2 года — в 12 раз дольше, чем английские!

Горняки Донецка, которым еще при испытаниях полюбился этот прибор, дали ему название «Спутник шахтера». И не случайно: множество человеческих жизней спас портативный сигнализатор. Его корпус, сделанный из высокопрочной пластмассы, по габаритам не больше обычной книги. А действует он точно так же, как и датчик АГЗ.

У «Спутника» две шкалы. Одна — вспомогательная — показывает напряжение аккумуляторной батареи, другая — концентрацию метана в окружающем воздухе. Чувствительные элементы защищены от воздействия угольной пыли сетчатым фильтром. Когда концентрация метана достигает 2% (от 2 до 5% — один шаг, ведь при нынешних темпах работы угольных комбайнов концентрация газа в забое растет весьма быстро), на датчике начинает мигать яркая лампочка и одновременно раздается вой сирены. Между прочим, конструкторы нашли для этой сирены побочное применение — создаваемое ею звуковое давление очищает сетчатый фильтр от угольной пыли.

Оригинальность разработки очень скоро получила мировое признание. Прибор отмечен дипломом Международной выставки «Интергормаш-67», золотой медалью Международной Лейпцигской ярмарки 1968 года. На него получены патенты в Англии, Бельгии, Франции, ФРГ.

Начиная с 1965 года было выпущено более 8О тыс. сигнализаторов метана, которым в 1969 году присвоен государственный Знак качества. Сегодня ими оборудованы все шахты Советского Союза и Румынии, а также многие шахты Болгарии, Чехословакии, Югославии.

img2

"Спутник шахтера» — удобный переносный анализатор метана, используемый там, где неудобно применять громоздкую аппаратуру стационарной АГЗ. Этот персональный страж служит шахтерам в тупиковых выработках, при прокладке новых штреков

«Спутник шахтера» — плод совместного труда специалистов тех же организаций, которые создавали систему АГЗ. Только теперь к ним присоединился омский завод «Электроточприбор». Когда начальник СКБ этого завода Евгений Разгуляев приезжал в Москву, чтобы получить диплом лауреата Государственной премии, он привез на суд своих коллег последний вариант переносного сигнализатора. Прибор уже в 2 раза меньше и легче прежнего!

Подземные «маяки»

Говорят, что все дороги ведут в Рим. Про Рим не знаю, но вот то, что все дороги новых шахтерских приборов ведут в Макеевский НИИ по безопасности работ в горной промышленности, это, пожалуй, верно…

Двухэтажное здание отдела физико-химических исследований института. Здесь под руководством заведующего отделом Феликса Кригмана, заведующего лабораторией автоматической газовой защиты Михаила Гусева, удостоенного Государственной премии, и сотрудника этой лаборатории, кандидата технических наук Владимира Назаренко трудится один из пяти коллективов, усилиями которых совершена подлинная революция в области контроля рудничного газа.

Сегодня в лаборатории накладываются последние «штрихи» на новый прибор. Это сигнализатор метана, совмещенный с головным светильником. Назвали его «Маяк», а более официально — СМС-1. Когда концентрация метана достигнет опасной величины, заставить лампу светильника мигать — таково назначение сигнализатора.

«Маяк» состоит из двух блоков. Сам прибор — весом всего 200 г — спрятан в корпусе аккумулятора, который шахтер прикрепляет к поясу. А крохотный 10-граммовый мини-датчик притаился сверху на лампе. Состоит мини-датчик из пары чувствительных элементов, которые изготовлены из металлической нити толщиной в 20 микрон и заключены в рабочую камеру. В желтой броне высокопрочной пластмассы мини-датчик очень напоминает каплю застывшей янтарной смолы.

«Маяк» особенно нужен тем, кто трудится в забоях крутопадающих пластов, где горняку нередко приходится висеть на подвесках. Не то что килограммы «Спутника шахтера», там каждый лишний грамм — особенно к концу смены — пудовой гирей тянет к земле.

Вот почему уменьшение до минимума веса и размеров было главной целью создателей сигнализатора.

Применение миниатюрных — тоньше волоса — чувствительных элементов решает сразу две основные проблемы. Во-первых, они потребляют мизерную энергию, значит, можно обойтись прежним аккумулятором — дополнительного источника тока не нужно. Во-вторых, тепловая инерция чувствительных элементов незначительная, а следовательно, быстродействие всего прибора резко возрастает.

Аналогичный прибор — встроенный в светильник миниатюрный сигнализатор, контролирующий содержание кислорода в шахте, — создан в институте «Гипроуглеавтоматизация» под руководством Биренберга.

Укрощение метана

Была в старину такая профессия — газожег — пожалуй, самая опасная из всех существовавших на земле. Перед началом смены человек, закутанный с ног до головы в мокрую доху, опускался в шахту. В руках его — горящий факел. С ним он должен был проползти по опустевшим выработкам и сжечь газ во всех нишах и выемках. Рабочая смена начиналась, когда возвращался газожег. Но часто такая «дегазация» стоила ему жизни.

Проводится дегазация и сегодня, но, конечно, совсем иначе. В пласте перед тем, как его разрабатывать, бурят скважины. В них вставляют дегазационные трубы, по которым с помощью вакуумного насоса газ откачивают на поверхность. Такие трубы подводят и к нишам, так называемым куткам, откуда вентилятор не в силах выгнать застоявшийся метан.

За год на угольных шахтах страны выделяется более 3 млрд. м3 метана.

Этим газом можно было бы вскипятить сотню миллионов цистерн воды. Однако до недавнего времени от этого метана старались поскорее избавиться — от греха подальше!

Применение выносных мини-датчиков, вмонтированных в дегазационные трубы, позволяет сделать откачку метана полностью безопасной. При достижении в трубе недопустимой концентрации метана мини-датчик подает сигнал на автоматическое отключение вакуумного насоса. Вновь начнет работать насос лишь после того, как, впустив порцию свежего воздуха, автоматические клапаны создадут в трубе безопасную среду.

Раньше в котельных на шахтах Донбасса использовался уголь. Причем, чтобы не тратить добываемые здесь ценные коксующиеся сорта, за сотни километров везли антрацитовый штыб. Теперь стало возможным вместо дорогого угля использовать грошовый метан, который раньше буквально выбрасывали на ветер.

Так автоматика помогает человеку приручить коварный метан.

Мечты, проеткы, планы

Годовой расход электроэнергии вентиляторами всех шахт страны достигает 3 млрд. квт-ч. Чтобы получить столько энергии, нужно в течение года использовать всю мощность такой станции, как Киевская ГЭС.

А можно ли эту энергию сэкономить?

Можно — если совсем отказаться от проветривания шахт. Вспомните — метан образует взрывчатую смесь при его содержании в воздухе от 5 до 16%. Позволим метану заполнить шахту и, отсасывая газ для промышленных целей, будем поддерживать его концентрацию более 40—50%. Тогда даже при желании невозможно произвести взрыв газа в шахте. А люди? Они будут работать в специальных скафандрах.

В Московском горном институте разработан еще один своеобразный метод борьбы с гремучим газом. Учеными найдены бактерии, для которых метан — лучшая пища. Если пропитать угольный пласт суспензией этих бактерий, то они, пожирая метан, станут размножаться до тех пор, пока не поглотят его полностью.

Но пока столь экзотические проекты остаются на бумаге. А в жизнь будут претворяться более реальные, те, которые больше соответствуют уровню сегодняшней техники.

Расскажем вкратце об одной из новых разработок создателей аппаратуры АГЗ.

КПД. пневматического комбайна в 4 раза меньше, чем у электрокомбайна. И все же сегодня на шахтах, опасных по внезапным выбросам метана, вынуждены применять дорогостоящую пневмоэнергию. Происходит это потому, что электрооборудование, недостаточно совершенное в отношении искробезопасности, может послужить причиной взрыва рудничного газа. Опыты, проведенные на шахтах Донбасса, показали: взрывчатая концентрация может образоваться уже через 5 секунд с начала выброса. Та аппаратура газовой защиты, которая применяется сегодня на шахтах, способна отключить электроэнергию только через 1 мин. Комментарии, как говорится, излишни.

Так вот, решить эту проблему позволит быстродействующая автоматическая газовая защита — БАГЗ. Она построена таким образом, что датчик будет реагировать именно на скорость нарастания концентрации. Сигнал от него поступает в первое же мгновение, как только увеличение концентрации газа достигает аварийной скорости. Датчик не ждет, пока концентрация подберется к взрывоопасной, а подобно пророку предсказывает: это может скоро случиться.

Инерционность самого датчика ничтожна — 0,2-0,3 с. Этого времени ему вполне хватает, чтобы «сообразить» — промедление смерти подобно, и подать сигнал на отключение электроэнергии. Последнее событие должно произойти не позже чем через 0,7—0,8 с после начала выброса.

Но заставить сложную систему действовать с такой фантастической скоростью — еще полдела. Надо так сконструировать прибор, чтобы он не боялся ни электромагнитных помех, ни резких колебаний скорости и концентрации газа, ибо все эти помехи приводят к ложным срабатываниям датчика. А ложные срабатывания — это неоправданные простои. Прежде чем снова включат электроэнергию после проверки, пройдет минут 10-15. В шахте средней производительности такой простой — потеря около 20 т угля. Следовательно, ТЭС недовыработает 50 тыс. квт-ч электроэнергии, а это, в свою очередь, означает, что не будут выплавлены 15 т металла или не будут выпечены 5 млн. батонов хлеба!

Теперь представляете, какую ответственность берет на себя автоматический «пророк» и насколько точными должны быть его предсказания?

Еще одна проблема, которая стоит перед конструкторами, — создание системы дистанционного управления проветриванием шахты. Она будет основана на быстродействующих датчиках метана и воздуха. Экспресс-информация от них поступит в ЭВМ, и та сможет прогнозировать на ближайшие дни выделение метана в шахте и соответствующий расход свежего воздуха. Такая схема управления позволит автоматизировать контроль подземной атмосферы. И тогда автоматика, телемеханика и вычислительная техника возьмут в свои руки полное управление сложным организмом шахты.

  • Автор: Сергей ВЛАСОВ, инженер
  • Источник: "Техника молодежи", №11, 1974


2 Комментарии

  • Dedushka
    Dedushka

    Переносной газовый анализатор метана "Спутник шахтёра" выдавался, как правило, каждой бригаде на одну смену. По прибытию на рабочее место подвешивался в призабойном пространстве в верхней точке крепи (метан легче воздуха). При достижении опасной концентрации метана прибор издавал противный писк, извещая об опасности. Шахтёры частенько просто игнорировали показания прибора, и, чтобы не действовал на нервы, мокали его в канавку с водой (конструкция "Спутника шахтёра" не предусматривала возможность его отключения). Захлебнувшись, прибор замолкал. Такие нарушения техники безопасности не всегда, но изредка всё же приводили к авриям, поэтому и разработали датчик метана, встроенный в лампу. Этот прибор описан в статье третьим по счёту. Понятное дело, что на страницах журнала "Техника-молодёжи" не могли указать истинную причину его создания — безобразное массовое нарушение требований техники безопасности на угольных предприятиях, поэтому авторы и приплели сказку про крутопадающие пласты. Зато СМС-1 — датчик, встроенный в головной светильник по-просту не давал работать своим миганием в случае достижения критической концентрации метана, вынуждая покинуть опасное пространство. Ни выключть, ни тем более утопить его уже было невозможно — это означало бы остаться в шахте в кромешной темноте.

    Ответить
  • (will not be published)

Подписаться на комментарии