Особенности применения БАС в угольных шахтах
- DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2019-3-145-88-90
- УДК: 622.86
М.Л. Ким, главный технолог отдела технического обеспечения и технологии подземных горных работ АО «СУЭК»
В.Н. Костеренко, канд. физ.-мат. наук, начальник управления противоаварийной устойчивости предприятий АО «СУЭК»
Л.Д Певзнер, д-р техн. наук, профессор, РТУ МИРЭА
Введение
За период 1991–2017 гг. в процессе эксплуатации и ведения горноспасательных работ в угольных шахтах России было зафиксировано 208 взрывов метана и угольной пыли, в том числе 28 взрывов при аварийно-спасательных работах [1]. Число взрывов в горных выработках в последние годы значительно сократилось, однако, несмотря на постоянное усовершенствование технологии ведения горных работ, а также внедрение высокотехнологичного оборудования, взрыв, как вид аварии, остается одним из основных. При этом ввиду постоянного перехода к отработке пластов более глубоких горизонтов трудоемкость ведения аварийно-спасательных работ возрастает.
В [2] описана возможность применения беспилотных авиационных систем (БАС) [3] для идентификации разрушений и анализа состава рудничной атмосферы на аварийном участке шахты. В [4] поставлены вопросы использования робототехнических средств в условиях шахты, приведены результаты экспериментальных исследований возможности применения беспилотных авиационных систем в подземных условиях рудной шахты.
В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 18 апреля 2016 г. №317 «О реализации Национальной технологической инициативы»* утверждены правила разработки и реализации планов мероприятий («дорожных карт») Национальной технологической инициативы. В рамках этой инициативы инициирована работа по формулированию перечня технологических барьеров по различным направлениям сквозных технологий и рынкам НТИ.
Одним из барьеров, преодоление которого приблизит возможность использования БАС в условиях шахт, является: «Обеспечение безопасного полета БАС при встрече с любыми видами препятствий, в том числе в условиях ограниченной видимости. Дальность обнаружения препятствия с целью уклонения от него не менее 150 м при скорости до 50 м/с. Бортовая навигационная система, сохраняющая работоспособность и обеспечивающая навигацию с заданной точностью в течении 12 ч, при отсутствии сигналов глобальных навигационных систем, в условиях отсутствия устойчивой связи, включая полеты в высоких арктических широтах».
Особенности шахтных БАС
БАС, планируемые к эксплуатации в угольных шахтах, отличаются от БАС, предназначенных для полетов на карьерах условиями эксплуатации. Так, например, кроме стесненных условий полета, высокой температуры, различной плотности воздуха, наличия метана, при аварии 3D модели системы горных выработок претерпевают существенные изменения – происходит образование новых препятствий для движения БАС, восходящие потоки нагретого воздуха, превышающие воздействие системы вентиляции, создают противодействия движению БАС. При этом обязательным условием является взрывобезопасное исполнение двигателей БАС. Кроме того, БАС шахтного исполнения ограничен величиной приборной нагрузки, а также параметрами скорости, управляемости и дальности полета.
Система управления БАС может быть [5]:
- ручной, когда управление перемещением осуществляется оператором вручную, исходя из имеющейся у него информации;
- дистанционной, когда управление перемещением БАС осуществляется оператором вручную, исходя из полученной информации от сенсоров, видео-фотокамер, системы технического зрения;
- автономной, когда БАС самостоятельно принимает решения о траектории перемещения в заданном направлении на основе полученной информации от сенсоров технического зрения, и при наличии элементов искусственного интеллекта.
По результатам статистического анализа распределения масс двигателя, аккумулятора, корпуса, системы управления и массы полезной нагрузки для БАС двух внешних типоразмеров 500 и 50 мм составлены диаграммы, которые представлены на рисунке.
Для БАС внешнего типоразмера 500 мм основную долю в общей массе занимает масса полезной нагрузки, а для БАС внешнего типоразмера 50 мм основную долю в общей массе занимают корпус БАС и система управления.
Физико-технические ограничения БАС обусловлены тремя факторами:
1. Подъемная сила БАС определяется общей массой и мощностью двигателя, так что соотношение массы БАС к общей мощности двигателей должно быть более 4 г/Вт.
2. Размер БАС ограничен размером винтов, который связан с подъемной силой так, что отношение габаритного размера БАС к мощности должно превышать 1,2 мм/Вт.
3. Отношение массы двигателя к его мощности составляет 6–9 г/Вт, отношение массы системы управления двигателей к мощности двигателей составляет 0,25–1,2 г/Вт для БАС внешнего типоразмера 50 мм и 500 мм.
Ограничения БАС по скорости перемещения в зависимости от установленного на борту системы технического зрения (СТЗ) можно найти аналитически. Рассмотрим два варианта БАС различной массы: масса БАС 100 г, сопоставимая с массой СТЗ и БАС массой 1000 г, существенно больше массы СТЗ.
При расчете ограничений примем, что двигатели летательного аппарата безынерционные, разгон и торможение выполняются практически мгновенно, движение БАС без груза равномерное с предельной скоростью ν max = 10 м/с.
Скорость движения БАС массой M нагруженного дополнительной массой системы технического зрения величиной m, определяется выражением:
В характеристики СТЗ входит величина дальности зрения – максимальное расстояние обнаружения препятствия S. Зная эту величину, можно определить время достижения препятствия для каждого средства технического зрения 
В табл. 1, 2 приведены результаты расчетов скорости и времени подлета к препятствию для различных средств технического зрения устанавливаемых на БАС двух массотипов.
Заключение
Задача проектирования БАС для применения в угольных шахтах является реальной. Продолжительность полета при весе БАС до 2500 г с внешним типоразмером 500 мм и полезной нагрузкой до 500 г составляет 20 мин при внешней температуре эксплуатации БАС не более 50 °С. Дальность полета в условиях затемненности и замкнутого пространства может достигать 1500–3000 м. При проектировании БАС для шахтных условий обязательным условием является учет ограничений БАС по скорости перемещения в зависимости от установленной на борту системы технического зрения, влияния температуры, скорости и плотности воздушных потоков.
