А.Г. Бабенко, С.Э. Лапин, А.В. Вильгельм, С.М. Оржеховский
Для повышения эффективности производства при обеспечении технологической и производственной безопасности многофункциональные информационно-управляющие системы угольных шахт должны обеспечивать: контроль и управление технологическими и производственными процессами в нормальных условиях; аварийное оповещение; поиск застигнутых аварией людей в аварийных ситуациях, при проведении спасательных работ и ликвидации аварий; аэрогазовый контроль (АГК) и автоматическую газовую защиту (АГЗ); наблюдение (контроль за положением персонала); оперативную связь; оценку и прогноз различных опасностей в любых условиях.
Можно дать следующие определения перечисленных задач:
контроль и управление технологическими и производственными процессами — местный и централизованный, диспетчерский и ручной, автоматизированный и автоматический контроль и управление основным и вспомогательным оборудованием, системами вентиляции, дегазации и газоотсоса, электро-, гидро- и пневмоснабжения; сбор, обработка, хранение и предоставление информации в подземных выработках, на рабочих местах диспетчеров, операторов, главных специалистов и инспекторов; предоставление данных для других информационных систем;
аварийное оповещение (п. 41 ПБ 05-618—03 ) — передача горным диспетчером сообщений (кодовых, текстовых, речевых) в подземные выработки индивидуально каждому горнорабочему независимо от его местонахождения до, во время и после аварии;
поиск или аварийное позиционирование (п. 41 ПБ 05-618—03 ) — обнаружение человека и определение его местоположения под завалом через слой породы толщиной не менее 20 м с погрешностью не более 2 м в течение 2 сут после попадания под завал при аварии и проведении спасательных работ;
аэрогазовый контроль и защита РД-15-06—2006 — непрерывный контроль параметров рудничной атмосферы (взрывоопасные и токсичные газы, пыль, вентиляция, ранние признаки пожаров), сигнализация об их опасных значениях с помощью стационарных, переносных, групповых и индивидуальных средств, противоаварийная защита;
наблюдение или технологическое позиционирование (п. 41 ПБ 05-618—03 ) — определение положения персонала в подземных выработках в нормальных условиях с точностью до участка горной выработки (в соответствии с проектными решениями) на момент возникновения аварии.
Перечисленные задачи органично делятся на задачи управления технологическими и производственными процессами и задачи противоаварийного управления и защиты, при этом принципиально важным является техническое разделение систем противоаварийной защиты и систем автоматики и связи. Правильность такого подхода подтверждается многолетней инженерной практикой реализации систем автоматизации и противоаварийной защиты на различных опасных производствах в нефтегазовой, нефтехимической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности.
Анализ тяжести последствий аварий и требований к функциональной безопасности систем противоаварийной защиты, призванных исключить аварии или минимизировать их последствия, показывает, что ни существующие, ни перспективные электрические, электронные и программируемые системы защиты не способны сами по себе обеспечить безопасную работу. Достаточно сказать, что требуемый уровень интенсивности отказов составляет 10–9 ч–1, а уровень отказоустойчивости (число резервных каналов защиты) — не менее 1. Этим требованиям (например, резервирование аппарата электроснабжения как конечного устройства в канале АГЗ) не соответствует ни одна из существующих или разрабатываемых систем АГЗ. Электрические, электронные и программируемые системы защиты эффективны только тогда, когда они дополняют и контролируют реализацию соответствующих проектных решений, технологических и организационных мероприятий, обеспечивающих снижение уровня риска аварий до приемлемого ( Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и РД 03-418—01 ).
Противоаварийное управление и защита шахты должны осуществляться с использованием многофункциональной системы безопасности, которая объединяет в единый комплекс системы и средства, обеспечивающие решение задач организации безопасного производства и информационной поддержки управления технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях:
оперативный контроль за соблюдением проектных решений, предотвращающих условия возникновения различных видов опасности геодинамического, аэрологического и техногенного характера;
предотвращение условий возникновения различных видов опасностей в виде аварий за счет организации технологических и производственных процессов и применения систем, осуществляющих противоаварийное управление и защиту людей, оборудования и сооружений;
уменьшение ущерба от реализованной в виде аварии опасности за счет средств, обеспечивающих предотвращение развития аварии, распространения и снижения степени влияния опасных факторов.
Объектами контроля и управления, оценки и прогноза служат аэрологическое и геодинамическое состояние, технологическое оборудование, сооружения и персонал угольной шахты, системы и средства, связанные с безопасностью, другие процессы жизненного цикла шахты от проектирования до закрытия.
Состав многофункциональной системы безопасности определяется при проектировании и изменяется в ходе эксплуатации. В состав многофункциональной системы безопасности по проекту, согласованному и утвержденному в установленном порядке, должны входить электрические, электронные и программируемые системы, обеспечивающие:
поддержание безопасного аэрологического состояния (системы контроля и управления стационарными вентиляторными установками и вентиляторами местного проветривания, газоотсасывающими установками; дегазационными установками и подземной дегазационной сетью; аэрогазового контроля; контроля и управления пылеподавлением и контроля пылевых отложений);
противопожарную защиту систем обнаружения пожаров и их ранних признаков, контроля и управления пожарным водоснабжением;
сигнализацию и связь (системы наблюдения за положением персонала, аварийного оповещения, поиска людей, застигнутых аварией, оперативной связи);
индивидуальную и групповую защиту персонала;
оперативный контроль за состоянием горного массива, контроль и прогноз внезапных выбросов и горных ударов.
Наиболее острые дискуссии ведутся по способам реализации требований п. 41 ( ПБ 05-618—03 ), касающихся аварийного оповещения, наблюдения за положением персонала и поиска застигнутых аварией людей. Для решения этих задач используются различные технологии: радиосвязь по излучающему кабелю (сотни МГц); среднечастотная или высокочастотная радиосвязь между персональными переносными (индивидуальными) и стационарными радиоустройствами; микросотовая высокочастотная радиосвязь (2,4–5,5 ГГц) с базовыми станциями (точками доступа), которые выполняют функции с проводной и беспроводной ретрансляцией сигнала (DECT и WiFi). Также известны рекомендации по использованию подземной радиосвязи, которые нашли широкое подтверждение в мировой горно-инженерной практике: для двухсторонней связи с горноспасателями во время проведения аварийных работ эффективна связь вдоль направляющих (протяженные металлические конструкции, линии электропередачи или связи) в диапазоне частот выше 300 кГц; для обнаружения людей за завалом и для двухсторонней связи с ними эффективен радиоканал сквозь толщу горных пород в диапазоне 5–250 кГц; для аварийного общешахтного повещения используется радиоканал (однонаправленный от диспетчера к подземному персоналу) сквозь толщу горных пород в диапазоне частот до 10 кГц.
Большинство поставщиков систем безопасности предлагают комплексные системы, которые объединяют различные технологии передачи данных, каждая из которых является специализированной и оптимизирована для решения определенной задачи. На практике, как правило, используются: для аварийного оповещения — односторонняя низкочастотная радиопередача сигналов через толщу горных пород на индивидуальные приемники; для наблюдения за положением персонала — средне- или высокочастотная двухсторонняя радиосвязь между активными радиометками и стационарными считывателями; для поиска — односторонняя низкочастотная радио связь через завал от индивидуального передатчика на носимое поисковое устройство; для оперативной связи — традиционная проводная телефония или двухсторонняя высокочастотная радиосвязь на основе технологии микросотовой связи или излучающего кабеля.
Проанализируем возможность реализации некоторых задач противоаварийного управления и защиты с использованием перечисленных технологий.
Аварийное оповещение. Тяжесть последствий напрямую зависит от своевременной эвакуации людей за пределы опасной зоны в начальный период возникновения и развития аварии. Поэтому задача своевременного оперативного оповещения персонала об аварии — ключевая в требованиях п. 41 [1]. Системы аварийного оповещения, как минимум, должны удовлетворять следующим требованиям:
а) оповещать персонал во всех зонах подземных горных выработок;
б) обеспечивать прием сигналов оповещения каждым, находящимся в подземных выработках работником;
в) сохранять работоспособность, как во время, так и после возникновения аварийной ситуации, и обладать высоким коэффициентом готовности;
г) задержка по времени оповещения не должна превышать нескольких минут;
д) объем передаваемой информации должен быть достаточен для понимания персоналом характера аварии и путей эвакуации.
При невыполнении хотя бы одного из этих требований нельзя рассчитывать, что подземный персонал будет оперативно эвакуирован из опасной зоны без потерь. Не все используемые или проектируемые системы, для которых декларируется обеспечение аварийного оповещения, соответствуют приведенным требованиям.