96

Россия является одним из мировых лидеров по производ-ству угля. В ее недрах сосредоточена треть мировых ре-

сурсов угля (173 млрд т) и пятая часть разведанных его запасов. Запасы энергетических углей составляют около 80%. Промыш-ленные запасы действующих предприятий составляют почти 19 млрд т, в том числе коксующихся углей – около 4 млрд т. До-быча угля за 2015 г. составила 358,2 млн т угля (рис. 1) из низ 155 млн т угля поставлено на экспорт (рис. 2) [3]. При этом ос-новной рост добычи угля в Российской Федерации пришелся на второе полугодие 2015 г. (рис. 1).

УДК 622.031.56: 622.817.47: 622.83.35

C.С. Кубрин

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ КАК ПЛАТФОРМА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТАДИЙ И ОПЕРАЦИЙ В ЕДИНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Рассмотрены подходы к построению интегральных многофунк- циональных систем управления технологическими процессами угледобывающих предприятий. Для решения вопросов повыше-ния эффективности операционного управления горным производ-ством необходимо управлять технологическими стадиями и опе-рациями, разрозненными процессами (основным и вспомогатель-ными) как одним непрерывным процессом. Предложено исполь-зовать для этой цели существующие на современных угольных шахтах АСУ ТП. Определены требования к интегральной много-функциональной системе управления основным производством, обеспечивающей комплексирование технологических стадий и операций в единую геотехнологию высокоинтенсивной отработки запасов угля комплексными механизированными забоями.Ключевые слова: комплексирование, технологические стадии, ав-томатизированные системы управления, технологический процесс, уголь, метан, дегазация, контроль, информационные системы, мо-ниторинг, управление.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 96–107.© 2016. C.С. Кубрин.

97

Основным направлением повышения эффективности освое- ния недр является обеспечение непрерывности технологиче-ского процесса – добычи угля не зависимо от изменений горно-геологических условий. Такой подход возможен на основе ком-бинированных технологических схем, сочетающих различные технологические процессы и технологические стадии освоения месторождений, которые совместно обеспечивают экономиче-ски выгодные и экологически безопасные условия разработки месторождений твердых полезных ископаемых при изменении условий, осложняющих выемку полезного ископаемого в слож-ных горно-геологических условий на больших глубинах. При этом необходимо обеспечить безопасность ведения горных ра-бот. Реализация такого подхода возможна на базе автоматиза-ции и информатизации угольных предприятий, позволяющих реализовать концепцию настраиваемых и адаптируемых к изме-няющимся условиям геотехнологий [1, 2]. Комплексирование на основе автоматизации – это объединение разнообразных до-бычных и вспомогательных технологических процессов в еди-ную информационно-управляемую технологическую цепочку последовательно и параллельно выполняемых технологических

Рис. 2

Рис. 1

98

операций, работ, представляющих собой некоторые техноло-гические стадии процесса извлечения твердых полезных иско- паемых. Полное использование геоинформационных ресурсов, данных систем мониторинга природной и техногенной среды (массив горных пород, рудничная атмосфера, состояние выра-боток, гидросфера), аналитических систем [4] позволит повы-сить эффективность добывающего комплекса, снизить эконо-мические издержки, улучшит управляемость горного производ-ства. Реализация такого подхода представляет собой развитие комбинированных геотехнологий [2]. Вопросы формирования высокоинтенсивных технологий техногенного преобразования недр на основе автоматизации и информатизации обусловлива-ются следующим:

� необходимостью объединения в единую технологию не-скольких технологий, ранее применявшихся без детерминиро-ванной взаимосвязи, для достижения установленных показате-лей ее применения;

� преобразованием объединяемых технологий в технологи-ческие стадии;

� выполнением технологических стадий в параллельном ре-жиме;

� необходимостью использования отдельных технологий в составе единой технологии в режиме «последовательная прог- рамма, параллельная подсистема».

В связи с вышеизложенным особую значимость приобрета-ет совершенствование существующих, создание новых геотех-нологических процессов, способных обеспечить безопасность ведения горных работ, высокую интенсивность и экономиче-скую эффективность в особо сложных условиях разработки месторождений и вопросы включения их в единую комбини-рованную геотехнологию, расширение списка задач, решаемых в рамках геинформационного обеспечения работы горнодобы-вающего комплекса, необходимость проведения синтеза раз-нородных наблюдаемых данных с помощью различных систем мониторинга техногенной среды и технологических процессов на геоинформационной платформе. Поставленная задача ре-шается на основе комплексной модернизации технологическо-го оборудования шахт, направленной на повышение произво-дительности труда путем автоматизации технологических про-цессов, повышения комплексности освоения месторождений, за счет повышения интенсивности разработки, применения новых методов управления геомеханическими процессами, реа-

99

лизуемых в едином детерминированном комплексе «сквозной, поточной», единой геотехнологии.

Интенсификация очистных и проходческих работ на уголь-ных шахтах, переход горных работ на большие глубины, ослож-нение геологических и горнотехнических условий их проведе-ния, рост динамических проявлений различной физической природы, в том числе, в катастрофической форме, потребовала проведения организационных мероприятий по снижения уров-ня рисков аварий и аварийных происшествий до приемлемого уровня. Одним из основным механизмом повышения уровня промышленной безопасности стали многофункциональные системы безопасности (МФСБ) горного предприятия. Перво-начальные требования к МФСБ были опубликованы в приказе 1158 от 20.12.2012 Росстехнадзора «О внесении изменений в Правила безопасности в угольных шахтах, утвержденные По-становлением Госгортехнадзора России от 5 июня 2003 г. № 50» (Зарегистрировано в Минюсте РФ 15.03.2011 № 20113). До-полнительные разрозненные требования опубликованы в ПБ 05-618-03. МФСБ строятся на базе существующих систем кон-троля и мониторинга внешней среды и горного оборудования и предназначены для обеспечения эффективного управления предприятием при заданном уровне безопасности (допустимо-го уровня риска) на подземных угледобывающих предприяти-ях (таблица), для выполнения мероприятий и действий по:

� противодействию возникновения условий для реализа-ции аварии;

� выявлению и прогнозированию тенденций и признаков опасных ситуаций, состояний и явлений;

� контролю соответствия технологических процессов задан-ным параметрам в нормальном режиме;

� контролю шахтной атмосферы и горного массива по ви-дам опасностей аэрологического и техногенного характера;

� предоставлению информации в нормальных (штатных), предаварийных и аварийных режимах лицам, принимающим решения технологического и производственного характера;

� постоянной готовности средств и систем противоаварий-ного управления и защиты, защиты от вредного воздействия аварии, спасения;

� предотвращению / предупреждению реализации аварии; � противоаварийному управлению и защите; � уменьшению ущерба от аварии / снижению негативного

воздействия;

100

Цел

ь М

ФС

БО

бесп

ечен

ие д

опус

тим

ого

уров

ня р

иска

умен

ьшен

ие в

ероя

тнос

ти п

ричи

нени

я ущ

ерба

умен

ьшен

ие т

яжес

ти у

щер

ба

Реж

им

раб

оты

п

редп

рият

ия/

учас

тка

но

рмал

ьны

й/ш

татн

ый

пре

дава

рий

ны

йав

ари

йн

ый

Уро

вни

защ

иты

п

редп

рият

ия/

учас

тка

про

тиво

дей

стви

е во

з-н

ик

но

вен

ию

усл

ови

й

для

реал

иза

ци

и а

вари

и

пре

дотв

ращ

ени

е/п

реду

пре

жде

ни

е

реал

иза

ци

и а

вари

и

умен

ьшен

ие

ущер

ба о

т ав

ари

и/

сни

жен

ие

нег

ати

вно

го в

озд

ейст

вия

Цел

ь о

браб

отк

и

ин

фо

рмац

ии

про

гно

зиро

ван

ие

о

пас

но

стей

ко

нтр

оль

со

отв

ет-

стви

я п

роек

тны

м

реш

ени

ям

ко

нтр

оль

со

отв

ет-

стви

я н

орм

ати

в-н

ым

до

кум

ента

м

про

гно

зиро

ва-

ни

е ра

зви

тия

авар

ии

Сп

осо

б во

здей

стви

я н

а о

бъек

т уп

равл

ени

яо

пер

ати

вно

е

упра

влен

ие

про

тиво

авар

ий

но

е уп

равл

ени

е и

защ

ита

защ

ита

от

возд

ей-

стви

я ав

ари

исп

асен

ие

Объ

ект

упра

влен

ия

пре

дпри

яти

е, п

рои

з-во

дств

енн

ые

про

цес

сы,

техн

оло

гиче

ски

е п

ро-

цес

сы,

пер

сон

ал

техн

оло

гиче

ски

е п

роц

ессы

, п

ерсо

нал

пре

дпри

яти

е, п

ро-

изв

одс

твен

ны

е п

роц

ессы

, те

хно

-ло

гиче

ски

е п

ро-

цес

сы,

пер

сон

ал

пер

сон

ал

Ти

п у

пра

влен

ия

орг

ани

зац

ио

нн

ое,

ав-

том

ати

ческ

ое,

авт

ом

а-ти

зиро

ван

но

е и

руч

но

е уп

равл

ени

е

авто

мат

иче

ски

е п

роти

воав

ари

йн

ые

упра

влен

ие

и з

ащи

та

орг

ани

зац

ио

нн

ое,

авт

ом

ати

ческ

ое,

ав

том

ати

зиро

ван

но

е и

руч

но

е уп

рав-

лен

ие,

авт

ом

ати

ческ

ие

про

тиво

ава-

рий

ны

е уп

равл

ени

е и

защ

ита

Си

гнал

иза

ци

я

(шк

ала

оп

асн

ост

и)

но

рмал

ьная

пре

дуп

реди

тель

ная

пре

дава

рий

ная

авар

ий

ная

101

� применению систем защиты людей, оборудования и со-оружений при аварии;

� безопасности ведения аварийно-спасательных работ.На сегодняшний день автоматизированные системы конт-

роля и управления технологическими процессами на угольной шахте представлены в разобщенном виде. Каждый техноло-гический процесс имеет собственную систему управления, не связанную с системой управления другим технологическим процессом. Такой подход правомерен при управлении основ-ного производственного процесса различными службами гор-ного предприятия. При этом предполагается, что все службы обеспечены требуемыми ресурсами (материальными, энерге-тическими, техническими, технологическими, информацион-ными и людскими) и они работают совместно и эффективно. В случае сбоя работы какой-либо службы горного предприятия вся информации представляется горному диспетчеру. Горный диспетчер пытается оперативно организовать мероприятия по ликвидации сбоя работы службы и восстановлению выполне-ния производственного процесса в оперативном режиме. Вре-мя простоя зависит от опыта горного диспетчера, его знаний и навыков. Такой подход к организации управления производ-ством можно определить, как управление по запланированным параметрам вплоть до появления сбоя, далее включатся ситуа- ционное управление человеком по восстановлению работо-способности технологического процесса. В дальнейшем техно-логический процесс в зависимости от результатов, вызванных вынужденным простоем, либо выполняется по плановым по-казателям, либо исполнители пытаются наверстать упущенное время ускоряя технологический процесс. В этом случае про-ектные параметры основных технологических процессов могут выйти за рамки ограничений.

Чаще всего это происходит при выполнении основного тех-нологического процесса по добыче угля в очистном забое. На се-годняшний день производительность очистного комплекса в не-сколько раз превышает проектные параметры ведения очистных работ. Это в основном связано с метаном, который появляется из отбитого угля, груди забоя, вмещающих пород, отработанно-го пространства, и который система проветривания не успевает удалить из очистного забоя. Для снижения природной газонос-ности угольного пласта до приемлемого уровня (13 м3/т с.м.) производят предварительную пластовую дегазацию в пределах выемочного участка. Для этого бурятся дегазационные скважи-

102

ны по пласту, как из штреков, так и навстречу движения очист-ного комплекса, над куполом обрушения пород и, при необ-ходимости, на нижележащий пласт из участковых выработок, с земной поверхности. Все подземные скважины объединяются в единую дегазационную систему. Контроль и управление пото-ками каптируемой метановоздушной смеси (МВС) выполняет автоматизированная система контроля и управления подзем-ной дегазационной сетью (автоматизированная система конт- роля шахтной дегазационной системы АСК ШДС) (рис. 3) [5].

Контроль за параметрами МВС осуществляется с помощью разработанной специализированной станцией контроля пара-метров дегазации (СКПД), позволяющей измерять концентра-цию метана СН

4 во всем диапазоне от 0 до 100% об. (установле-

но два датчика), концентрация оксида углерода (СО) в пределах от 0 до 200 ppm, содержание кислорода (О

2) в диапазоне от 0 до

25% об., давление МВС от 400 до 1200) мм рт. ст.; дифференци-альное давление в диапазоне от 0 до 200) мм вод. ст. (рис. 3). На основе полученных данных производится расчет объемного рас-

Рис. 3. Мнемосхема автоматизированной системы контроля шахтной дегазационной системы

103

хода МВС, проходящей через точку контроля. В автоматизированную систему управления технологиче-ских процессов шахты интегрируется подсистема контроля и управления дегазационными установками и под-земной дегазационной сетью. Такое решение обеспечивает контроль и управление рассмотренной комби-нированной геотехнологии очист-ных работ и промышленного извле-чения метана.

При этом используются несколько стадий, основными из которых явля-ются – разработка проектных реше-ний, предварительная управляемая пластовая дегазация выемочного столба и сближенных пластов для обеспечения высокоинтенсивной и безопасной отработки запасов с последующей дегазацией погашенного пространства.

Однако потенциал системы дегазации угольного пласта ис-пользуется не полностью. При подходе к кусту дегазационных скважин очистного комплекса работа скважин прекращает-ся. Общеизвестно, что использование увлажнения угля [6] со смачивающими добавками уменьшает выделение пыли и газа метана при отбойке угля. Соответственно, подсоединив дегаза-ционный трубопровод к насосу, осуществляющему подачу во-дяного раствора, можно дозировано увлажнить угольный пласт к моменту подхода очистного комплекса. Процессом предва-рительного увлажнения призабойной части угольного пласта перед подходом очистного комплекса должна управлять авто-матизированная система.

На современных угольных шахта параметры технологиче-ских процессов и окружающей среды, на которые воздействуют технологические процессы, контролируются автоматизирован-ными системами управления технологическими процессами (рис. 5).

На сегодняшнем уровне развития оперативное управление основным производственным процессом – добычи угля, распа-дается на несколько не связанных между собой технологических операций, стадий. Для повышения эффективности операцион-ного управления добычей полезного ископаемого необходимо перейти к интегральной многофункциональной системе управ-

Рис. 4. Специализированная станция контроля парамет- ров метановоздушной смеси

104

ления основным производством (ИМФУ ТП) так же, как для повышении промышленной безопасности с целью снижения рисков аварий и аварийных происшествий перешли к МФСБ. Базой для этого выступят АСУ ТП горного производства.

Рис. 5

105

В этом случае объектом управления выступает угольная шах-та, производственный (очистной или проходческий) участок. При этом объект управления – это многомерный природный и техногенный объект, в котором выделяются горные выработки с вмещающим массивом горных пород, рудничная атмосфера, технические и технологические системы и средства и производ-ственный персонал. Тогда ИМФУ ТП – взаимосвязанный ком-плекс технических, технологических, инженерных и информа-ционных систем, производственных мероприятий и персонала, которые реализуют проектные решения и обеспечивают эффек-тивное операционное управление основными и вспомогатель-ными технологическими процессами горного производства с учетом горно-геологических условий. Следовательно, ИМФУ ТП является информационно-управляющей, включающей в себя технические, программные средства системой, базирую-щейся на существующей организационной структуре горного предприятия. Задачи решаемые ИМФУ ТП должны выполнять-ся как единый управляемый процесс самостоятельными систе-мами управления. Поэтому, все составные автоматизированные системы управления технологическими процессами в рамках ИМФУ ТП должны быть совместимы между собой (в терми-нах ГОСТ 34.003-90) на информационном и организационном уровнях. ИМФУ ТП является свободно-компонуемой, откры-той системой и обладает гибкой структурой, перестраиваемой при необходимости вовлечения дополнительных процессов в обеспечении основного горного производства.

Наиболее эффективным способом обеспечения оптимально-го управления основным производством является недопущение образований условия для остановки работ по причине возник-новения опасного состояния рудничной атмосферы или воз-никновения угрозы геогазодинамических явлений в угольном пласте. ИМФУ ТП МФСБ должна обеспечивать многоуровне-вую обработку информации о параметрах состояния геосистемы шахты, технических средств и технологического оборудования, используя наземный программно-компьютерный комплекс, реализующий алгоритмы контроля, оценки, прогноза и управ-ления технологическими стадиями, операциями.

ИМФУ ТП должна предоставлять единое информационное пространство с данными о всех параметров технологических процессов и управляющих воздействий на технологическое оборудование и технические средства. ИМФУ ТП должна про-изводить обработку потока данных с целью получения агреги-

106

рованных критериев оценки выполнения основного и вспо-могательных процессов горного производства и производить анализ по выявлению причин отклонения от оптимального режима управления. При выявлении отклонений от оптималь-ного режима управления горным производством ИМФУ ТП должна производить выработку предложений по корректиров-ки управления технологическим процессом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каплунов Д. Р., Калмыков В. Н., Рыльникова М. В. Комбинирован-ная геотехнология. – М.: Руда и металлы, 2003. – 560 с.

2. Кубрин С. С. Теоретико-информационный анализ систем управ-ления запасами и их отработкой с учетом конкурентной способности углей. – М.: Энергоатомиздат, 2002. – 182 с.

3. http://www.minenergo.gov.ru4. Кубрин С. С. Математические модели и методы информационно-

аналитических систем. – М.: Энергоатомиздат, 2002. – 132 с.5. Захаров В. Н., Кубрин С. С. Автоматизация процессов дегазации и

утилизации метана при отработке метаноносных угольных пластов // Уголь. – 2010. – № 7. – С. 28–30.

6. Кудряшов В. В., Соловьева Е. А. Метод оценки пылесмачивающе-го действия растворов ПАВ // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – ОВ13. – С. 157–169.

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Кубрин Сергей Сергеевич – доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: s_kubrin@mail.ru,Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’. 2016. No. 11, pp. 96–107.

UDC 622.031.56: 622.817.47: 622.83.35

S.S. KubrinAUTOMATED CONTROL SYSTEM OF MINING, AS A PLATFORM OF INTEGRATION OF PROCESS STEPS AND OPERATIONS IN A SINGLE TECHNOLOGICAL PROCESS

Under consideration are approaches to integral multi-functional control systems for pro-duction processes in coal mines. Enhancement of efficiency of operating control over mine production requires exercising management over production stages and piecemeal operations (basic and auxiliary) as a single continuous process flow. To this effect, it is suggested to use automatic process control systems available in modern coal mines. The integral multi-function production control system requirements are determined to ensure integration of production stages and operations into a joint technology of high-rate fully mechanized coal mining.

Key words: Integration, production stages, automatic control systems, production pro-cess, coal, methane, degassing, control, information systems, monitoring, management.

107

AUTHOR

Kubrin S.S., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory, Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia, e-mail: s_kubrin@mail.ru.

REFERENCES

1. Kaplunov D. R., Kalmykov V. N., Ryl’nikova M. V. Kombinirovannaya geotekh-nologiya (Combined Geotechnology), Moscow, Ruda i metally, 2003, 560 p.

2. Kubrin S. S. Teoretiko-informatsionnyy analiz sistem upravleniya zapasami i ikh otrabotkoy s uchetom konkurentnoy sposobnosti ugley (Information-theoretic analysis of inventory management systems and perfecting given the competitive ability of coal), Mos-cow, Energoatomizdat, 2002, 182 p.

3. http://www.minenergo.gov.ru4. Kubrin S. S. Matematicheskie modeli i metody informatsionno-analiticheskikh sistem

(Mathematical models and methods of information-analytical systems), Moscow, Ener-goatomizdat, 2002, 132 p.

5. Zakharov V. N., Kubrin S. S. Ugol’. 2010, no 7, pp. 28–30. 6. Kudryashov V. V., Solov’eva E. A. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’.

2009, Special edition 13, pp. 157–169.

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ (СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)

БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Мендебаев Токтамыс Нусипхулович – доктор технических наук, ТОО «Научно-внедренческий центр Алмас», Казахстан,Соловьев Николай Владимирович1 – доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,Смашов Нурлан Жаксибекович1 – аспирант, e-mail: nur_cm@mail.ru,1 Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе.

Дано описание направленного бурения скважин в структуре геологоразведочных ра-бот. Приведены сведения о конструктивных элементах и их взаимодействиях в составе раз-работанной забойной компоновки с навигационной системой управления направлением скважин. Изложены технические характеристики используемого оборудования, результа-ты лабораторно-стендовых испытаний забойной компоновки. Приведены результаты про-изводственной апробации забойной компоновки. Забойная компоновка с навигационной системой управления скважин является новым средством направленного бурения.

Ключевые слова: скважина, бурение, инструмент, забойная компоновка, алмазное буровое долото, шаровой поплавок, геологоразведка.

DRILLING DIRECTIONAL WELLS USING THE NAVIGATION SYSTEM CONTROLMendebaev T.N., LLP «Research and innovation center Almas», Almaty, Kazakhstan,Solov’ev N.D.1, Smashov N.Zh.1, 1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidzе, 117997, Moscow, Russia.

In the article it is said about the significance of the directed drilling of well in the structure of geologi-cal survey works. Is given the information about structural elements and their interactions in the composi-tion of the developed driving in layout with the navigation system for control of the direction of bore holes. The technical characteristics of the utilized equipment are presented, the results of laboratory- bench tests – driving in layout. It is given information about the conditions for the production approval of driving in layout, obtained results. Driving in layout with the navigation system for the control of bore holes is the new means of directed boring.

Key words: borehole, drilling tool, down-hole layout, diamond drill bit, ball float, telesound, geological exploration.