STRATEGICZNY PROJEKT BADAWCZY PT. "POPRAWA BEZPIECZEŃSTWA PRACY W KOPALNIACH" Raport końcowy z realizacji projektu badawczego nr 9 pt. Wyznaczanie współczynnika korekcji pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym Produkt nr 3 Metodyka (instrukcje) wyznaczania i zasady uaktualniania współczynnika korekcji (funkcji korekcji) pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza anemometrem stacjonarnym, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym Charakter opracowania: Praca naukowo-badawcza. Opracował zespół w składzie: prof. dr hab. inż. Wacław Dziurzyński prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski dr hab. inż. Jerzy Krawczyk prof. IMG PAN dr inż. Andrzej Krach dr inż. Janusz Kruczkowski dr inż. Przemysław Skotniczny dr inż. Paweł Jamróz mgr inż. Jakub Janus mgr inż. Piotr Ostrogórski tech. Tadeusz Bacia Kierownik projektu badawczego nr 9:... prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski
SPIS TREŚCI Str. 1 Wprowadzenie uzasadnienie istoty problemu 3 2 Długookresowe obserwacje porównawcze w rejonach wydobywczych kopalń 5 2.1 Wyznaczanie współczynnika korekcji (k) 5 3 Przykłady oszacowania zmian współczynnika korekcji (k) 6 3.1 Współczynnik korekcji (k) dla danych wygładzonych 8 3.2 Interpretacja współczynnika korekcji (k) w ocenie poprawności 9 rejestracji prędkości powietrza przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej 3.3 Metoda określania współczynnika korekcji (k) 10 3.4 Zasady aktualizacji współczynnika korekcji (k) 12 4 Wnioski 17 5 Literatura 19
1. Wprowadzenie uzasadnienie istoty problemu Jednym z głównych celów badawczych, projektu badawczego nr. 9, pt. Wyznaczanie współczynnika korekcji pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym, projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, było opracowanie metodyki wyznaczania współczynnika korekcji pomiędzy pomiarami prędkości powietrza anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, a średnią prędkością wyznaczoną metodą pomiaru ręcznego. Monitoring parametrów powietrza w kopalnianych systemach dyspozytorskiego nadzoru z wykorzystaniem stacjonarnych czujników jest ważnym elementem kontroli wentylacji kopalni. W bieżącej kontroli wentylacji kopalni rejestracje prędkości powietrza i określanie na jej podstawie strumienia objętości powietrza w wyrobiskach są istotne o ile są one wiarygodne i właściwie reprezentują parametry powietrza i jego zmiany. Równocześnie obserwuje się wzrost liczby anemometrów stacjonarnych systemów gazometrii automatycznej (Wasilewski, 2013) zabudowanych w wyrobisku kopalni. Jest oczywistym, że koszty zakupu i utrzymania tych czujników dla kopalń jest znaczący. W tej sytuacji wydaje się uzasadnione oraz niezbędne opracowanie jednoznacznych procedur wykorzystania pomiarów prędkości powietrza anemometrami stacjonarnymi systemu gazometrii automatycznej dla celów kontroli wentylacji, w tym szacowania zmian strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalni. Badania prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni prowadzone w warunkach kopalń od lat potwierdzają, że turbulentny charakter przepływu powietrza w wyrobiskach powoduje znaczne fluktuacje wartości chwilowych prędkości przepływu powietrza. Stąd z jednej strony poszukuje się najbardziej niezawodnego punktu pomiarowego w sensie średniego przepływu. Dodatkowo, wydaje się niezbędne aby w systemach gazometrii automatycznej sygnał pomiarowy był filtrowany, za pomocą filtrów cyfrowych (Wasilewski, 2013) w celu usunięcia losowych składowych sygnałów pomiarowych. W ten sposób można określać średnią wartość prędkości przepływu powietrza, która jest istotna dla oszacowania aktualnego stanu wentylacji w danym czasie. Ponadto kopalniane systemy dyspozytorskiego nadzoru oferują obecnie możliwości wykorzystania danych na szerszą skalę, ponad bieżącą kontrolą prędkości powietrza. Wykorzystując dane ze stacjonarnych anemometrów i proste algorytmy możliwe jest szacowanie przepływu Q w m 3 /min oraz wskaźników zagrożeń, w tym: wskaźników potencjalnego zagrożenia pożarowego w rejonie, czyli ilości tlenku węgla Q CO w l/min lub rzeczywistej metanowości rejonów wydobywczych, czyli ilości metanu w zużytych prądach powietrza Q CH4 w m 3 CH 4 min. Powstaje zatem pytanie, czy punktowe pomiary prędkości powietrza w wyrobiskach górniczymi można uznać za podstawę kontroli przepływu powietrza i oceny jego zmian. Jest to tym bardziej istotne, że obecnie systemy gazometrii są wykorzystywane nie tylko do rejestracji i sygnalizacji zmian prędkości powietrza czy szacowania strumienia objętości mieszaniny powietrzno-gazowej, ale również do automatycznego wyłączania energii 3
elektrycznej w rejonach ścian wydobywczych po przekroczeniu wartości określonych w projektach technicznych. Wg W. Budryka prędkości powietrza na stacjach pomiarowych można prowadzić wykonując tylko jeden dokładny pomiar i określić stosunek v/v max (gdzie v max, oznacza prędkość w środku przekroju) lub też wyznaczyć punkt, w którym prędkość jest równa prędkości średniej v. Dalsze pomiary należy przeprowadzać tylko w środku przekroju lub w tak wyznaczonym punkcie. Uzasadnienie tego sposobu wynika z tzw. prawa Murgue'a, według którego wszystkie prędkości w danym przekroju pozostają zawsze w stałym stosunku do siebie. Mc Pherson, Hartman i inni pokazują, że uwzględniając profil prędkości w wyrobisku górniczym oraz liczbę Reynoldsa dla turbulentnego przepływu podali związek między prędkością średnią v i maksymalną v max w wyrobisku korytarzowym jako: (1) Rys.1. Profil prędkości i związek między prędkością średnią i maksymalną w wyrobisku korytarzowym Próby oszacowania prędkości średniej na podstawie pomiaru punktowego np. wartości maksymalnej pokazały (Roszczynialski W., Trutwin W., Wacławik J.,1992), że wartość średnią oblicza się korzystając ze współczynnika k =v śr /v max, który zależy od wielu czynników. Podali, że dla przepływów turbulentnych współczynnik ten jest funkcją liczby Reynoldsa, a dla Re = 10 5 10 6, współczynnik k jest zwykle k > 0,75. Dla typowych wyrobisk górniczych k zawiera się w przedziale (0,83 0,87). Wg H.Bystronia współczynnik przeliczeniowy k B prędkości powietrza mierzonej punktowo przez czujnik na prędkość średnią, określany jest zależnością: v k B = k v B (2) sr gdzie: v - jest prędkością powietrza w osi zabudowanego czujnika, v sr - jest prędkością średnią w całym przekroju wyrobiska. Z badań (Wasilewski, 1996) wynika, że dla wyrobisk korytarzowych współczynnik k B wynosi 1,11 1,18. 4
Powyższe stwierdzenia oraz przeprowadzone w kopalniach badania długoterminowe i eksperymentalne w projekcie badawczym Wyznaczanie współczynnika korekcji pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym, projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, ale także praktyka górnicza pokazują, że możliwe jest szacowanie średniej prędkości powietrza w wyrobisku na podstawie punktowego pomiaru prędkości w systemach gazometrii automatycznej. Jednak w celu uzyskania wiarygodnych wyników konieczne jest spełnienie i przestrzeganie w praktyce górniczej następujących warunków określonych w tym projekcie badawczym: prawidłowe wyznaczenie średniej prędkości powietrza anemometrem ręcznym metodą trawersu ciągłego (Produkt 1), poprawnie działający anemometr stacjonarny z charakterystyka zweryfikowaną w akredytowanym laboratorium (Produkt 1), prawidłowa lokalizacja anemometru w wyrobisku i właściwa jego zabudowa w przekroju wyrobiska (Produkt 2), poprawne określenie współczynnika korekcji (k) pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym (Produkt 3). 2. Długookresowe obserwacje porównawcze w rejonach wydobywczych kopalń Przykłady oszacowania zmian współczynnika korekcji (k) W projekcie badawczym numer 9, projektu strategicznego prowadzono wspólnie z kopalniami długoterminowe badania porównawcze średniej prędkości powietrza wyznaczanej anemometrem ręcznym metodą trawersu ciągłego i pomiary punktowe przy anemometrze stacjonarnym w przekroju zabudowy anemometru stacjonarnego w wyrobiskach kopalni z prędkością rejestrowaną przez ten anemometr w systemie gazometrii automatycznej. Pomiary wykonywali pracownicy kopalń w cyklu tygodniowym wg przygotowanego i uzgodnionego programu (Wasilewski, Kozyra, 2013). Badania prowadzono w sumie w 30 przekrojach wyrobisk, wytypowanych przez Głównych Inżynierów Kopalń JSW SA, KW SA KHW SA oraz PKW SA, w których były zabudowane anemometry stacjonarne systemu gazometrii automatycznej. W tych przekrojach na bieżąco prowadzona była inwentaryzacja wyrobisk wraz z wymiarowaniem przekrojów oraz wykonywaniem zdjęć przekrojów pomiarowych. 2.1 Wyznaczanie współczynnika korekcji (k) Wyznaczanie współczynnika korekcji (k) jest istotne dla szacowania strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalni, na podstawie zapisów z anemometrów stacjonarnych w systemie gazometrii automatycznej. Współczynnik korekcji (k) wyliczono dla strumienia objętości powietrza wyznaczonego dla średniej prędkości powietrza zmierzonej przez pomiarowca w kopalni metodą trawersu ciągłego za pomocą anemometru ręcznego i przyjętego przez kopalnię przekroju wyrobiska oraz średniej prędkości powietrza wyznaczonego przez uśrednienia za okres pomiarów (do kilkunastu minut) ze wskazań anemometru stacjonarnego. 5
Q vsred,trawers k = = (3) ~ A v v gdzie: v jest średnią prędkością powietrza wyznaczoną metodą trawersowania ~ v A Q sred,trawers anemometrem ręcznym przez pomiarowca, jest średnią prędkością powietrza wyznaczoną przez uśrednienie za okres pomiarów danych anemometru stacjonarnego systemu gazometrii. jest polem przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy anemometru i równocześnie przekrojem pomiarowym dla pomiarów ręcznych. jest strumieniem objętości (ilością) powietrza wyznaczoną dla średniej prędkości powietrza wyznaczonej metodą trawersowania anemometrem ręcznym przez pomiarowca. 3. Przykłady oszacowania zmian współczynnika korekcji (k) W celu pokazania możliwości wykorzystania pomiarów z anemometrów stacjonarnych dla celów kontroli wentylacji dokonano analizy długookresowych obserwacji porównawczych średniej prędkości powietrza w przekroju zabudowy anemometru stacjonarnego metodą trawersu ciągłego, wykonywanych anemometrem ręcznym przez pracownika kopalni oraz prędkości powietrza rejestrowanej w tym samym czasie anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii. 5 4,5 v, m/s k KWK Bielszowice - Przekop płd-równ poz.642m - współczynnik korekcji i prędkość średnia i z gazometrii 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 v(śred) - przekop płd-równ poz.642m AS035 Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii Przykład 1. Zmiany prędkości powietrza i współczynnika korekcji (k) w czasie rocznych obserwacji 02.2014 01.2015 6
Jako przykłady wyników analiz na tym etapie opracowania wybrano długoterminowe obserwacje porównawcze wraz z próbą oszacowania współczynnika korekcji (k) dla wyrobisk w kopalniach. W analizie pokazano znaczące zmiany wyliczanego współczynnika korekcji (k) w okresie kilkumiesięcznych badań porównawczych, które mogą wynikać z braku jednoznacznych procedur wyznaczania średniej prędkości anemometrem ręcznym metodą trawersu ciągłego lub niezbyt starannego (powtarzalnego) wykonywania pomiarów średniej prędkości oraz dużych fluktuacji, a także błędnych wskazań i awaryjności anemometrów stacjonarnych w systemach gazometrii automatycznej. 3,00 v, m/s ZG Sobieski - chodnik IV odstawczy - współczynnik korekcji i prędkość średnia i z gazometrii 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 v(śred) - Chodnik IV odstawczy AS3/17 Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii Przykład 2. Zmiany prędkości powietrza i współczynnika korekcji (k) w czasie rocznych obserwacji 01.2014 01.2015 7
4,0 3,5 v, m/s k KWK Zofiówka - chodnik podśc. C-1 pokł. 502/1 - współczynnik korekcji i prędkość średnia i z gazometrii 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Vśred) - chodnik podśc. C-1 pokł. 502/1 AN330 - (AS-1) Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii Przykład 3. Wpływ zmian prędkości powietrza rejestrowanej anemometrem stacjonarnym na zmiany współczynnika korekcji (k) w czasie rocznych obserwacji 01.2014 02.2015 3,5 v, m/s k KWK Zofiówka pochylnia transportowa G-4 - współczynnik korekcji i prędkość średnia i z gazometrii 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 V (śred) - Pochylnia transportowa G-4 pokł. 412łg+łd i 412łg AS436 (AS-1) Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii Przykład 4. Wpływ zmian prędkości powietrza rejestrowanej anemometrem stacjonarnym na zmiany współczynnika korekcji (k) w czasie obserwacji 05.2014 03.2015 3.1 Współczynnik korekcji (k) dla danych wygładzonych Badania prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni prowadzone w projekcie badawczym potwierdziły turbulentny charakter przepływu powietrza w wyrobiskach, co powoduje 8
znaczne fluktuacje wartości chwilowych prędkości przepływu powietrza rejestrowanych w systemie gazometrii. 3,5 V, m/s k KWK Zofiówka pochylnia transportowa G-4 - współczynnik korekcji dla v średnie dobowe 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 V (śred) - Pochylnia transportowa G-4 pokł. 412łg+łd i 412łg AS436 (AS-1) dobowe Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii (dobowe) Przykład 5. Zmiany współczynnika korekcji (k) dla uśrednionej dobowo prędkości powietrza w czasie obserwacji 05.2014 03.2015 Przykłady 1 4 pokazują wpływ zmian prędkości powietrza rejestrowanej anemometrem stacjonarnym na zmiany współczynnika korekcji (k). Stąd proponuje się aby do wyznaczenia współczynnika korekcji (k) pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym przyjmować uśrednioną za okres jednej doby prędkość powietrza z systemu gazometrii automatycznej (przykład 5). 3.2 Interpretacja współczynnika korekcji (k) w ocenie poprawności rejestracji prędkości powietrza przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej Długotrwałe obserwacje w 30 przekrojach pomiarowych w kopalniach, często trwające ponad rok, pokazały, że współczynnik korekcji (k) wyznaczany na bieżąco może być dobrym wskaźnikiem poprawności pracy anemometru stacjonarnego w systemie gazometrii automatycznej. Przyjmując, że przepływ w wyrobisku kopalni jest turbulentny, a zatem jak pokazują badania literaturowe, ale i własne eksperymenty, współczynnik korekcji (k) w poprawnych warunkach powinien wynosić poniżej k = 1,0. Równocześnie badania niepewności pomiaru (Raport 2014) pokazują, że w warunkach kopalni można dopuścić poprawki do 10%, a zatem wydaje się, że można uznać zmienność współczynnika korekcji (k) w przedziale 0,9 < k < 1,1. A zatem jeśli współczynnik korekcji (k) znacznie przekracza wartości k = 1,0, to można uznać, że anemometr stacjonarny wyraźnie zaniża wskazania co może być spowodowane: 9
1. złą lokalizacją anemometru np. umieszczenie go zbyt blisko ociosu w tzw. warstwie przyściennej (Raport 2015, Produkt 2), 2. błędnymi wskazaniami anemometru stacjonarnego (zaniżanie wskazań). W tym przypadku konieczna jest interwencja działu wentylacji kopalń np. przez zmianę położenia anemometru w przekroju wyrobiska lub wydanie anemometru na powierzchnię celem kalibracji. 3,0 v, m/s k KWK Zofiówka - pochylnia C-1 pokł. 502/1 - współczynnik korekcji i prędkość średnia i z gazometrii 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 V(śred) Pochylnia C-1 pokł. 502/1 AN415 - (CFV -5) Wspólczynnik k = Q/S*v z gazometrii Przykład 6. Interpretacja zmian współczynnika korekcji (k) w czasie rocznej obserwacji 01.2014 02.2015 Przykład 6 pokazuje dużą zmienność współczynnika korekcji (k) na poziomie zdecydowanie powyżej wartości k = 1,0. Badania pokazały, że szczególnie dla małych prędkości powietrza w wyrobisku (około 0,5m/s i mniej), wpływ wskazań anemometru stacjonarnego na współczynnik korekcji (k) jest istotny i może być wykorzystany dla służb wentylacyjnych kopalń do działań naprawczych. 3.3 Metoda określania współczynnika korekcji (k) Przyjmuje się, że współczynnik korekcji (k) pozwala wyznaczać strumień objętości powietrza na podstawie prędkości powietrza rejestrowanej automatycznym pomiarem anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, z zależności: Q = 60 k van A, [m 3 /min] (4) gdzie: Q strumień objętości powietrza w wyrobisku [m 3 /min], A pole przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy anemometru stacjonarnego [m 2 ], v an prędkość rejestrowana przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej [m/s]. k współczynnik korekcji pomiędzy pomiarem prędkości powietrza w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym. 10
Po przeprowadzonych w projekcie badaniach zaleca się, aby anemometry stacjonarne zabudowywać w stacjach pomiarowych (Rozporządzenie MG, 2002, PN PN-G-06102), w których okresowo wyznaczany jest strumień objętości (ilość) powietrza, przez służby wentylacyjne kopalni.. Wówczas pole przekroju wyrobiska będzie tożsame dla wyznaczenia strumienia objętości (ilość) powietrza dla średniej wartości prędkości mierzonej anemometrem ręcznym, jak dla strumienia objętości szacowanego na podstawie prędkości powietrza rejestrowanej anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej. Jednak w warunkach ruchowych w kopalni nie można wykluczyć, że przekrój, w którym jest zabudowany anemometr stacjonarny systemu gazometrii automatycznej nie będzie w stacji pomiarowej, ale w innym miejscu w tym wyrobisku. Wówczas dla wyznaczenia współczynnika korekcji (k) trzeba uwzględnić różnicę pola powierzchni w obu przekrojach. Taki przypadek chociaż możliwy należy uznać za nie zalecany również z uwagi na niepewność pomiaru (Produkt 1). Sposób I (zalecany) anemometr stacjonarny zabudowany w stacji pomiarowej Współczynnik korekcji dany wzorem (5) jest określany jako stosunek prędkości średniej powietrza, zmierzonej anemometrem ręcznym w miejscu zabudowy anemometru stacjonarnego, do prędkości rejestrowanej przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej. v sr k = (5) van. gdzie: v śr średnia prędkość powietrza wyznaczona przez pomiarowca anemometrem ręcznym, metodą trawersu ciągłego [m/s] (Produkt 1), v an prędkość rejestrowana przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej [m/s]. Zaleca się przyjmować uśrednioną za okres doby prędkość przepływu powietrza. Sposób II anemometr stacjonarny zabudowany w wyrobisku poza stacją pomiarową Współczynnik korekcji (k) jest określany jako stosunek prędkości średniej powietrza, zmierzonej anemometrem ręcznym w miejscu zabudowy anemometru stacjonarnego, do prędkości rejestrowanej przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej z uwzględnieniem różnicy pola powierzchni w przekrojach pomiarowych. k V S sr. 1 = (6) Van. S2 gdzie: V śr średnia prędkość powietrza wyznaczona przez pomiarowca anemometrem ręcznym, metodą trawersu ciągłego [m/s] (Produkt 1), V an prędkość rejestrowana przez anemometr stacjonarny w systemie gazometrii automatycznej [m/s], Zaleca się przyjmować uśrednioną za okres doby prędkość przepływu powietrza. 11
S 1 pole przekroju wyrobiska w stacji pomiarowej, w której pomiarowiec zmierzył średnią prędkość anemometrem ręcznym, metodą trawersu ciągłego [m 2 ], S 2 pole przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy anemometru stacjonarnego [m 2 ]. Przykład z anemometrem stacjonarnym zabudowanym w wyrobisku poza stacją pomiarową pokazano poniżej na rysunku 2. Rys.2. Anemometr stacjonarny zabudowany w wyrobisku poza stacją pomiarową 3.4. Zasady aktualizacji współczynnika korekcji (k) Współczynniki korekcji (k) pomiędzy punktowymi pomiarami prędkości powietrza przez anemometry stacjonarne rejestrowanymi w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednionymi wartościami prędkości powietrza, zmierzonymi anemometrami ręcznymi, będą określane nie rzadziej 1 raz w miesiącu, ale także każdorazowo w przypadku: wymiany anemometru, zmiany lokalizacji anemometru, zmiany przekroju wyrobiska, regulacji w sieci (zmiany prędkości powietrza), zmiany systemu przewietrzania. System nadzoru dyspozytorskiego ZEFIR W systemie nadzoru dyspozytorskiego ZEFIR istnieje możliwość automatycznego w trybie on-line wyznaczania strumienia objętości powietrza, ale również wydatku metanu i wydatku tlenku węgla w wyrobisku na podstawie bieżących pomiarów prędkości powietrza i 12
stężenia odpowiednich gazów. Jest to możliwe w module MAGIK systemu ZEFIR przez skonfigurowanie odpowiednich czujników oraz wprowadzenie dwóch parametrów, czyli pola przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy anemometru oraz współczynnika korekcji (k) pomiędzy pomiarem prędkości powietrza anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym. MAGIK - kartoteki czujników przepływu medium Automatyczne pomiary parametrów powietrza w systemie gazometrii automatycznej i rejestrowane na bieżąco w systemie ZEFIR umożliwiają dokonywanie obliczeń przepływu przez określone wyrobisko. Do tego celu należy utworzyć kartotekę czujnika przepływu medium w module MAGIK (Rys.3., Rys.4., Rys.5.) oraz skojarzyć odpowiednie wielkości: prędkość przepływu powietrza, mierzoną w wyrobisku anemometrem, stężenie medium - metan, tlenek węgla, mierzone w wyrobisku czujnikami stężeń, przekrój wyrobiska w miejscu zabudowy anemometru, współczynnik korekcji (k) pomiędzy pomiarem prędkości powietrza anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym wykonanym przez pomiarowca. W wyniku utworzenia czujnika przepływu przeliczane są na bieżące chwilowe wartości przepływu medium, w jednostce czasu np. minucie, w jednostkach objętości - litry, m 3. Konieczne parametry i numery logiczne czujników analogowych dla mierzenia przepływów podaje się w zleceniu kartoteki czujnika przepływu (Rys.3.) w następujący sposób: Liczba porządkowa czujnika przepływu w zakresie 1 255, Q - przepływ: nazwa wpisana lub przeniesiona automatycznie z czujnika prędkości przepływu powietrza (anemometru), Pole przekroju wyrobiska w miejscu zabudowy anemometrów, Współczynnik korekcji (k) 13
Rys.3. Przykłady kartotek czujników przepływu powietrza W systemie ZEFIR czujnik przepływu jest traktowany jak każdy czujnik analogowy, dla którego można wyznaczać średnie czy tworzyć raporty oraz przeglądać zmiany w postaci wykresów Rys.4.). Rys.4. Wykres dobowy (3 zmiany) dla czujnika przepływu 14
Rys.5. Zestawianie czujników przepływu skonfigurowanych w systemie MAGIK Wielkość przepływu obliczana jest według zależności: Q = c*v*c*a (7) gdzie: [v] - Prędkość powietrza - numer logiczny czujnika analogowego (anemometru), zainstalowanego w miejscu pomiaru przepływu. W razie nieobecności takiego czujnika, możliwe jest wpisanie stałej, zadanej wartości branej do obliczenia przepływu. Przyjmuje się, że jednostką prędkości są m/s, [C] - Stężenie medium - numer logiczny czujnika analogowego mierzącego stężenie badanego medium. Jednostkami stężenia mogą być: % lub ppm. [A] - Przekrój wyrobiska - w miejscu pomiaru przepływu, wyrażony w m 2. [c] - Stała pomiaru - zależna od jednostek mierzonego stężenia, jest obliczana automatycznie tak, aby w rezultacie otrzymać przepływ wyrażony w m 3 /min. W przypadku wyznaczania strumienia objętości stała pomiaru c będzie stałą skalującą równą 60 (przeliczenie jednostek z sekund na minutę) oraz współczynnikiem korekcji (k) pomiarem prędkości powietrza mierzonej anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości wyznaczoną anemometrem ręcznym. Współczynnik korekcji (k) może być modyfikowany konwersacyjnie przez operatora systemu np. w Dziale Wentylacji kopalni. Sposób konfigurowania czujnika przepływu medium wyznaczania strumienia objętości powietrza oraz wydatku metanu i wydatku tlenku węgla w wyrobisku na podstawie bieżących 15
pomiarów prędkości powietrza i stężenia odpowiednich gazów w wyrobisku jest opisany w formie ekranu pomocniczego. Rys.6. Ekran opis sposobu konfiguracji czujnika przepływu funkcja pomoc System wspomagania dyspozytorskiego THOR W systemie wspomagania dyspozytorskiego THOR, który jest stosowany w kilku kopalniach m.in. KHW SA istnieje również możliwość automatycznego obliczania strumienia objętości powietrza oraz wydatku metanu i wydatku tlenku węgla w wyrobisku wprowadzając do systemu czujniki wirtualne z ich parametrami na podstawie bieżących pomiarów prędkości powietrza i stężenia odpowiednich gazów w wyrobisku. W tym celu konieczne jest z poziomu konserwatora systemu, wprowadzenie czujników wirtualnych oraz pola powierzchni przekroju wyrobiska i współczynnika korekcji (k). Czujniki wirtualne Czujniki wirtualne są to obiekty systemu THOR (Rys.7.), w których wynik pomiaru jest tworzony na podstawie przetworzonych danych z innych zmiennych systemu Czujniki wirtualne mogą być wykorzystywane w systemie podobnie jak wszystkie inne czujniki parametrów powietrza, czyli mogą być z nich generowane raporty, wykresy, komunikaty oraz mogą być umieszczane na mapach. Czujniki wirtualne mogą być tworzone na jeden z trzech sposobów: Graficznie - w postaci schematów Tekstowo - w postaci programu w języku skryptów systemu THOR Za pomocą szablonów 16
Programowanie graficzne czujników wirtualnych Wybranie czujnika wirtualnego i użycie przycisku Edytor logiki w programie ODYN otwiera okno edycji programu zmiennej wirtualnej. Jeśli jest to nowy czujnik lub czujnik już wcześniej zdefiniowany metodą graficzną otwiera się okno edycji programu w postaci schematu. Rys.7. Graficzny edytor programu czujnika wirtualnego Utworzenie programu graficznego czujnika wirtualnego polega na: Wybraniu potrzebnych komponentów z palety komponentów i wstawieniu ich na panel schematu, Połączeniu wejść i wyjść wybranych komponentów, Ustawieniu właściwości poszczególnych komponentów takich jak źródło sygnału, współczynniki czy czasy zadziałania, Zapisaniu schematu do bazy danych systemu THOR. W tym wypadku konfigurowanie czujników wirtualnych oraz zmiany ich parametrów np. zmiany współczynnika korekcji (k) pomiędzy pomiarem prędkości powietrza mierzonej anemometrem stacjonarnym w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednioną wartością prędkości wyznaczoną anemometrem ręcznym, jest możliwe jedynie z poziomu konserwatora systemu, co stanowi niewątpliwe utrudnienie dostępu do zmian przez Działy Wentylacji kopalń, chociaż nie wyklucza wprowadzania tych zmian. 4. Wnioski Badania prędkości powietrza prowadzone w projekcie badawczym przez służby kopalniane, według programu badań ustalonego z Głównymi Inżynierami Wentylacji kopalń w przekrojach zabudowy anemometrów stacjonarnych systemu gazometrii automatycznej mają na celu podniesienie znaczenia pomiarów automatycznych w kontroli wentylacji i 17
ocenie stanu przewietrzania. W szczególności dotyczy to wyznaczenia strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalni na podstawie prędkości powietrza rejestrowanych przez stacjonarne anemometry w systemie gazometrii automatycznej. Uzyskane wyniki realizacji projektu badawczego pozwalają sformułować następujące wnioski szczegółowe: Wyniki długookresowych badań potwierdziły, że pomiary prędkości powietrza i wyznaczanie na tej podstawie strumienia objętości powietrza w wyrobisku kopalni jest metrologicznie zadaniem trudnym z uwagi na naturalne turbulencje przepływu i silne fluktuacje wartości chwilowych prędkości powietrza, a także zmienność rozkładu prędkości w przekroju wyrobiska. Dotychczasowy brak jednoznacznych procedur wyznaczania współczynnika korekcji pomiędzy punktowymi pomiarami prędkości powietrza przez anemometry stacjonarne rejestrowanymi w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednionymi wartościami prędkości powietrza wyznaczanymi anemometrami ręcznymi pokazuje brak powtarzalności, co wynika zarówno z wyznaczania pomiaru średniej prędkości przez pomiarowców kopalni, ale przede wszystkim dużej zmienności wskazań i awaryjności anemometrów stacjonarnych w systemach gazometrii automatycznej, niewątpliwie wymaga to działań dla poprawy tego stanu. Zaproponowana metodyka wyznaczania współczynnika korekcji (k) pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza w systemie gazometrii, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym pokazuje celowość jej wprowadzenia, co potwierdziły długoterminowe (roczne) obserwacje prędkości przepływu powietrza w wyrobiskach kopalń. Współczynniki korekcji (k) pomiędzy punktowymi pomiarami prędkości powietrza przez anemometry stacjonarne rejestrowanymi w systemie gazometrii automatycznej, a uśrednionymi wartościami prędkości powietrza, zmierzonymi anemometrami ręcznymi metodą trawersowania, będą określane nie rzadziej 1 raz w miesiącu, ale także każdorazowo w przypadku: wymiany anemometru, zmiany lokalizacji anemometru, zmiany przekroju wyrobiska, regulacji w sieci (zmiany prędkości powietrza), zmiany systemu przewietrzania. Długotrwałe obserwacje w prowadzone w kopalniach, w projekcie badawczym pokazały, że współczynnik korekcji (k) wyznaczany na bieżąco może być, w praktyce górniczej, dobrym wskaźnikiem poprawności lub nie pracy anemometru stacjonarnego w systemie gazometrii automatycznej. Duża zmienność współczynnika korekcji (k) na poziomie zdecydowanie powyżej wartości k = 1.0, może mieć miejsce szczególnie dla małych prędkości powietrza w wyrobisku, kiedy wpływ wskazań anemometru stacjonarnego na współczynnik korekcji (k) jest istotny. Ta informacja może być wykorzystana przez służby wentylacyjne kopalń do działań naprawczych. Dotyczy to zarówno lokalizacji anemometru w przekroju wyrobiska jak i poprawności wskazań anemometru. Stosowane w kopalniach systemy nadzoru dyspozytorskiego (ZEFIR lub THOR) umożliwiają szacowanie strumienia objętości mieszaniny powietrzno-gazowej w 18
wyrobiskach oraz stanowią dobrą platformę do aktualizacji współczynnika korekcji (k) pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza anemometrem stacjonarnym, a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym. Przeprowadzone badania pozwalają sformułować dodatkowe zalecenia ruchowe dla kopalń: cykliczne sprawdzanie i porównanie prędkości powietrza, sztywne mocowanie anemometrów stacjonarnych, prowadzenie cyklicznych szkoleń dla pomiarowców. Wprowadzenie do praktyki górniczej, opracowanej w ramach projektu badawczego nr. 9, metodyki wyznaczania i uaktualniania współczynnika korekcji (k) opartej na jednoznacznych procedurach pomiaru średniej prędkości powietrza metodą trawersu ciągłego za pomocą anemometru ręcznego, niewątpliwie podniesie znaczenie pomiarów prędkości powietrza w systemach gazometrii oraz pozwoli na poprawę bezpieczeństwa w kopalniach. 5. Literatura 1. Budryk W., Wentylacja kopalń. Część I. Przewietrzanie wyrobisk. Górnictwo tom X. Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze. Katowice 1961. 2. Bystroń H. i inni Sposób rozmieszczania czujników anemometrycznych w sieci wentylacyjnej dla określenia kierunków i wydatków prądów powietrza. Dokumentacja GIG. Katowice 1976. 3. Hartman H. L., Mutmansky J. M., Ramani R.V., Wang Y. J. Mine Ventilation and Air Conditioning. John Wiley & Sons, Inc. New York. USA 1997. 4. McPherson M. J. Subsurface Ventilation Engineering. Published Mine Ventilation Services, Inc. California USA 2009. 5. Roszczynialski W., Trutwin W., Wacławik J., Kopalniane Pomiary Wentylacyjne. Wydawnictwo Śląsk. Katowice 1992. 6. Wasilewski S., Badania przepływu powietrza w kopalni. Archives of Mining Sciences, Vol. 41, Issue 4, 1996. 7. Wasilewski S. Kontrola prędkości powietrza w wyrobiskach kopalni w systemach nadzoru dyspozytorskiego. Przegląd Górniczy Nr. 7/2013 str. 1-13, 2013. 8. Wasilewski S., Kozyra A. 2014: Badania zmian przepływu powietrza w przekroju zabudowy anemometru stacjonarnego systemu gazometrii automatycznej, Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Teoria i praktyka. Praca zbiorowa pod redakcją D. Musioła i P. Pierzyny. Monografia. Gliwice 2014. str. 297-318. 9. Raport końcowy z zadania badawczego 9, Wyznaczanie współczynnika korekcji pomiędzy automatycznym pomiarem prędkości powietrza a uśrednioną wartością prędkości mierzoną anemometrem ręcznym, projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa kopalń, Kraków, lipiec 2015 (niepublikowany). 10. Produkt 1. pt. Metodyka wykonania pomiaru ręcznego prędkości średniej powietrza i wyznaczania przekroju wyrobiska w miejscu pomiaru prędkości średniej za pomocą 19
anemometru ręcznego i stacjonarnego wraz z analizą niepewności tych pomiarów, zadania badawczego nr. 9 projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa kopalń, Kraków, lipiec 2015 (niepublikowany). 11. Produkt 2. pt. Wytyczne rozmieszczenia anemometrów stacjonarnych w wyrobiskach kopalnianych oraz w przekroju poprzecznym wyrobiska, zadania badawczego nr. 9 projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa kopalń, Kraków, lipiec 2015 (niepublikowany). 12. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Stan prawny 14 sierpnia 2010, Katowice 2010. 13. Polska norma PN-G-06102, Podziemne wyrobiska zakładów górniczych. Stacje pomiarowe powietrza. Kwiecień 1996. 14. Polska norma PN-G-04025, Górnictwo. Powietrze kopalniane. Pobieranie próbek powietrza w wyrobiskach górniczych. Grudzień 1999. 15. Instrukcja obsługi Systemu nadzoru dyspozytorskiego ZEFIR. Laboratorium programowania PRUNELLA, Katowice. 16. Instrukcja obsługi Systemu wspomagania dyspozytorskiego THOR. Centrum Serwisu Telekomunikacji SEVITEL, Katowice. 20