Маркшейдерия и недропользование

Мировой опыт применения современных электронных маркшейдерских технологий показывает острую необходимость внедрения в практику повседневной работы маркшейдеров электронных тахеометров. Однако в угольной промышленности они широко применяются только на разрезах. На шахтах тахеометры могут использоваться лишь на поверхности, так как не имеют сертификации в области взрывозащиты. Работы в данном направлении осуществляет только компания «Leika», но пока электронные тахеометры во взрывозащищенном исполнении на российском рынке не появились.
Авторами была поставлена цель исследовать возможность использования данных приборов на угольных шахтах, применив расчетно-измерительный метод оценки искробезопасности электронных блоков тахеометров типа «Sokkia», широко распространенных в ОАО «СУЭК-КУЗБАСС».

Современные электронные тахеометры имеют электронные схемотехнические решения, построенные на новом поколении микросхем, отличающихся пониженным энергопотреблением.

Основные паспортные технические характеристики электрической схемы тахеометров следующие:
• напряжения источников питания тахеометров – от 6 до 12 В;
• средняя электрическая емкость источников – 2000 мАч;
• напряжение внешнего питания – от 6 до 12 В постоянного тока;
• входное напряжение разъема для внешних устройств – от 7,2 до 11 В постоянного тока;
• уровень сигнала разъема для внешних устройств – 9 В постоянного тока.

Оценка искробезопасности схемотехнических решений электронных тахеометров требует анализа сложных индуктивных цепей с шунтами и индуктивными элементами с ферромагнитными сердечниками. Основы теории искробезопасности перечисленных цепей изложены в работах [1,2,3], в которых энергия разряда при исследованиях рассматривается как главный параметр, определяющий воспламенение.

Математическая модель, учитывающая все теоретически возможные виды разряда, может быть представлена функцией [3]:

(1)

где n – показатель степени, зависящий от вида разряда; I – размыкаемый ток; τ_кр – критическая длительность разряда; t - текущее время разряда; m – коэффициент, задающий темп спадания тока, который зависит от параметров цепи.

Напряжение разряда определяется из уравнения

(2)

где Е – напряжение источника питания; R – оптическое сопротивление цепи; L – индуктивность цепи.

Энергия разряда в индуктивной цепи при однолинейном спадании тока в разряде за время τ_кр известна [4] и равна

(3)

где L_экв – эквивалентная индуктивность цепи; k₂ – отношение долей энергии, выделенных из цепи в модель разряда от источника питания и индуктивных элементов, определяемое выражением

(4)

Отношение напряжения холостого хода на разрядном промежутке к удвоенному напряжению измерительной модели разряда равно

(5)

Коэффициенты k₁ и k₂ связаны соотношением

(6)

Токовая модель разряда с постоянным напряжением для определения максимума энергии разряда в индуктивных и безреактивных цепях может быть представлена в виде функции [3]:

(7)

где U_p – напряжение на измерительной модели разряда.
Энергия измерительной модели разряда определяется выражением [4]:

(8)

Результаты определения величин A_M/A₀ и E/2U_P для некоторых значений k₂ приведены в табл.1.

Из приведенных результатов видно, что для индуктивных цепей (k₂<1,0) значения максимальной энергии разряда А_max и А_m близки к энергии линейной модели разряда А₀, а для омических цепей (k₂ → ∞) максимальная энергия разряда в 1,5 раза превышает А₀, что говорит о возможности реализации энергии от индуктивных и омических цепей, близкой к теоретически возможной. Рассмотрим, при каких дополнительных условиях в измерительной модели разряда может быть реализована максимальная энергия.

Количество электричества, протекающее через модель разряда, определяется выражением

(9)

Принимая во внимание, что

(10)

Энергия определяется по формуле:

(11)

Учет наиболее опасных условий коммутации в каждой конкретной цепи достигается выбором такого темпа роста напряжения на разряде, при котором из цепи за время разряда выделяется максимум полезной энергии [3]:

(12)

Для расчетного определения максимума полезной энергии разряда эта связь найдена в виде функции:

(13)

где n – отношение э.д.с. источника питания к минимальному напряжению зажигания дуги, равное

(14)

Для нахождения воспламеняющей энергии разряда используются характеристики искробезопасности, полученные на унифицированном искрообразующем механизме [1,5]. Воспламеняющие параметры цепей I, L и Е сведены к параметрам k₁ и k₂ (рис.1).

Рис. 1.
График взаимосвязи коэффициентов k₁ и k₂

С помощью приведенных в работе [3] графиков найдены значения полезной энергии разряда, которые определяют границу воспламенения.

Оценка искробезопасности индуктивных и омических цепей сводится к определению полезной энергии разряда за критическое время и сравнению полученного значения с величиной воспламеняющей энергии А_в

По приведенным в работе [4] данным построен график зависимости отношения А_П/А_М от E/2U_p при n=E/U₃ (рис.2).

Расчет и оценка искробезопасности цепей электронного тахеометра проведены в следующей последовательности: первоначально произведена ориентировочная оценка параметров электрической схемы тахеометров (по причине отсутствия необходимой конструкторско-технологической документации и принципиальных электрических схем на модельный ряд электронных тахеометров «Sokkia» оценка проведена путем вскрытия и электроизмерительного анализа электронного тахеометра «Nicon NPL-302», по классу аналогичного тахеометру «Sokkia серия 30R»), установлен тип индуктивной цепи в соответствии с таблицей, приведенной в работе [1]; определена эквивалентная индуктивность цепи L_экв. по расчётным выражениям [1]; по имеющейся информации [6,7,8] о технических характеристиках электронных тахеометров «Sokkia» оценены средние токи электрических цепей тахеометров, работающих в различных режимах: измерение углов и расстояний и измерение только углов; для исходного значения тока I₀ рассчитаны коэффициенты k₂ и n и энергия разряда А₀ из графика на рис.1; определена полезная энергия разряда А_П; аналогичным образом определена полезная энергия разряда А_П при другом значении тока I₀; для оценки степени искробезопасности цепей использованы данные о воспламеняющей энергии, полученные для унифицированного искрообразующего механизма; оценка искробезопасности по А_в выполнена по условию [3]

(15)

где K – коэффициент искробезопасности, равный 1,5; Р – вероятность воспламенения газов, присутствующих в атмосфере работы прибора; оценка искробезопасности по I – L – E и I – E выполнена по условию

(16)

где I_в – соответствующий воспламеняющий ток.

Результаты расчетов для основных режимов работы электронных тахеометров «Sokkia» параметров k₁, k₂, A₀ сведены в табл.2, а параметров m₁, А_n, А_в – в табл.3.

В табл.4 представлены результаты оценки искробезопасности электрических цепей тахеометров «Sokkia» (коэффициент искробезопасности К=1,5, так как использованы характеристики искробезопасности, полученные на унифицированном искрообразующем механизме; вероятность воспламенения Р=1•10^-3).

Таким образом, результаты выполненной аналитической оценки показывают, что электронные тахеометры типа «Sokkia» при их применении в угольных шахтах опасности по воспламенению и взрывам метановоздушной смеси не пред- ставляют.