Система за мониторинг на атмосферата в открит рудник

Рудник “Асарел” е пионер във въвеждането на непрекъснат инструментален контрол на атмосферата в откритите рудници. Стремежът е да се достигне до въвеждане на безопасни прагови стойности на контро­лираните примеси, които да се използват при оценка, управление на риска и аварийна евакуация на работещите в котлована на рудника. При това газовите примеси не се контролират в зоната на дишане на работещите.

Наредба 13 [2], в която са регламентирани гранични стойности за концентрация на вредности в работната среда, представлява въведена европейска норма. В ЕС са приети определени гранични стойности на концентрациите на примеси с атмосферата на работната среда, но всяка държава-членка ги установява самостоятелно в своите норми и често завишава изискванията спрямо законода­телството на ЕС. Нормите за гранични концентрации на примеси са регламентирани в Наредба 13 като средно-сменни концентрации за работна смяна и за период до 15 минути, за замърсявания на работната среда – т.е. в зоната на дишане на човека. За два от най-токсичните компоненти - азотните оксиди в наредбата [2] няма кратко­временни норми. В страната няма норми за аварийно планиране, нито за работната, нито за околната среда.

В рудник “Асарел” бе доставена и монтирана монито­рингова система на фирмата AHLBORN GbmH – Германия за непрекъснат контрол на атмосферата. Системата има три мониторингови станции снабдени със сензори за измерване на пет газа: въглероден оксид, серен диоксид, кислород, азотен оксид и азотен диоксид. Всяка от станциите има предвидена възможност за включване на допълнителни сензори. В диспечерната зала на рудника са инсталирани адаптер и радио модем, които прехвърлят регистрираните данни към компютър със софтуер RTM WIN-control [3]. На монитора се визулаизират в реално време и в цифров формат измерените концентрации на петте газа. Доставчикът не е предоставил информация за периодичността на контрол на точността на работата на инсталираните в станциите сензорите и за техния експлоатационен срок (живот).

Същността на представеното тук изследване бе да се разработи методика за непрекъснат контрол на рудничната атмосфера, която да се верифицира на основата на анализ на представителна информация от нормална работа на комплектованата мониторингова система и метеорологична станция, за да се предложи инструкция за непрекъснат контрол на атмосферата с план за действие при превишения на съдържанието на примеси в нея. На основата на анализ на действащи нормативи в европейски и други страни да се предложат стойности на липсващите в [2] кратковременни концентрации и дозата за различни нива на опасност.

Източници на вредности в рудника

Източниците на вредности в рудника са технологични:

• 
  взривяване, като част от добивната технология;
  
• 
  работа на дизелови двигатели за транспорт и на други машини.
  

Основните продукти на непълното изгаряне на дизеловото горива са:

• 
  въглероден оксид (CO)
  
• 
  въглеводороди, включително алдехиди (НС)
  
• 
  недоизгорял въглерод (сажди)
  
• 
  азотни оксиди (NO и NO2)
  
• 
  полиароматни въглеводороди
  

Регламентирани са в Наредба 13 [2]. Там са дефинирани някои определения, които са важни за работата на Системата за мониторинг:

а) Експозиция - излагане на човешки организъм на въздействието на физични фактори, химични или биологични агенти;

б) Гранична стойност на химичен агент във въздуха на работното място - допустима концентрация на химич­ния агент във въздуха на дихателната зона на работещия за определен период от време.

В Наредба 13 са пропуснати определенията за цитираните в нея гранични концентрации ( за 8h и за 15 min), които в съответствие с международно приетите означения имат следния смисъл:

• 
  Средно-претеглена във времето концентрация (Меж­дународното означение е TWA – Time Weighted Average) - средната концентрация на газа или парата, на която всеки работник може да бъде изложен в обичайната 8-часова работна смяна, в 40-часова работна седмица без неблагоприятни ефекти за неговото здраве;
  
• 
  Кратковременна гранична концентрация - средно-претеглена във времето концентрация на газа или парата за 15-минутен период (експозиция), на която всеки работник може да бъде изложен без болезнено усещане, неблагоприятни ефекти за неговото здраве и която няма да затрудни неговото самоспасяване или безопасност. (Международното означение е STEL – Short Term Explosion Level)
  

• 
  интервалът между две превишения до STEL не може да бъде по-малък от 60 минути;
  
• 
  в рамките на работната смяна достигането на STEL може да се случи не повече от три пъти.
  

Както се вижда от данните в таблицата кратковременни норми за азотен диоксид не са определени, а за азотен оксид сме показали стойност 9.4, която е STEL в нормите[6.7] на MSHA (Mine Safety and Health Administration- USA).

Газ	Концентрация, ppm
	ERPG-1	ERPG-2	ERPG-3	IDHL
CO	200	350	500	1200
NO	-	-	-	100
NO2	1	15	30	20
SO2	0.3	3	25	100

Стационарен мониторинг се извършва на избрани позиции в рудника. Следят се концентрациите на O2, CO, NO, NO2, SO2, температурата, атмосферното налягане и относителната влажност на въздуха. Системата се състои от три измервателни пункта (мониторингови станции), разположени в чашата на рудника (таблица 4), модул за безжично предаване на измерената информация, централен компютър със специализиран софтуер AMR WinControl, инсталиран в диспечерския пункт, на който се приема и съхранява предадената информация.

• газови сензори за О2, CO, NO, NO2, SO2 (фиг. 1);

• уред за комбинирано измерване на температура, атмосферно налягане и относителна влажност на въздуха тип FHAD46-4AGL05 (фиг. 2);

• измервателен прибор тип ALMEMO® 2890-9 (фиг.3);

• радио модем;

• електрическо захранване 220 V.

Модулът за безжично предаване на информацията ползва радио модем, разположен в съответната мониторингова станция. Всички сензори на системата измерват непрекъснато величината, която контролират. От настрой-ката на измервателния прибор и софтуера зависи, през колко време те ще се обръщат към сензора за измерван резултат.

Системата може да получава, показва и регистрира измервания през 10 секунди или на по-голям интервал от време.

Динамиката на състава на рудничната атмосфера, нейната температура и налягане не се нуждаят от такава голяма честота и натрупване на огромен масив от данни с малка изменчивост. Системата е настроена да се обръща и да получава три данни в минута от всеки сензор, което означава поява на ново показание и запис за концен­трацията на всеки газ през 20 секунди. Тази честота е достатъчна за целите на непрекъснатия контрол на рудничната атмосфера.

В диспечерския пункт са разположени следните елементи на системата:

• 
  персонален компютър, зареден със специализиран софтуер AMR WinControl;
  
• 
  RS232/RS485 адаптер с мрежово захранване;
  
• 
  Радио-модем Elpro;
  
• 
  комплект кабели и преобразуватели за свързване с PC;
  
• 
  непрекъсваемо захранване (UPS).
  

Анализа на възможностите на софтуера на монито­ринговата система и сравнението с изискванията на Наредба 13 [2] за контрол на две гранични концентрации: средносмена TLW-TWA и кратковременна TLW-STEL определя като възможно решение работата с «пълзящ прозорец» с продължителност на времевия интервал в него от 15 минути. При появата на всяко ново измерване се изчислява средната концентрация на газа за предходния 15 минутен период и резултата се записва.

Друг плаващ прозорец с интервал от 5 минути записва и максималната стойност на газа в 5 минутен интервал, преди последното измерване. На фиг.4 е показана извадка за два часа от записа на данните на системата. В измерените стойности се наблюдават три пика, които пре­вишават средносменната гранична (TWA) концентрация и един който я достига, с различа продължителност по време.

На фиг.5 са дадени осреднените стойности на измерените концентрации от фиг.4, както следва:

• 
  плъзгащ прозорец с интервал на осредняване 15 минути – линия с кръгче;
  
• 
  плъзгащ прозорец за максималните стойности на концентрацията в интервал от 5 минути – линия с квадратче.
  

Данните от мониторинговите станции се приемат от радио-модема и по стандартен интерфейс се довеждат до компютъра. Визуализацията и обработката на данни се осъществява от специализиран софтуерен продукт AMR WinControl [3]. Програмата работи на стандартен PC в среда Windows. Работата с AMR WinControl започва с конфигурация на станциите и задаване на параметрите на сензорите. След началното конфигуриране и проверка за наличието на връзка с мониторинговите станции измерванията се визуализират. Програмата предоставя различни възможности за визуализация: в текстов формат, в графичен вид (фиг.6), последователно показване на отделните станции, едновременна визуализация на показанията на сензорите от трите станции (фиг. 7).

За всеки сензор в съответна цветна скала по ниво на опасност са показани 15 минутните осреднени стойности, както и средната 15 минутна стойност.

По отношение на кодовете за газова опасност се въвежда цветен код за всяко превишение на осреднените 15 минут­ни измервания. Цветният код се променя в зависимост от нивото на опасност за хората в него, както следва (табл.5):

• 
  черен код - концентрация на газа по-малка от TWA;
  
• 
  син код - при достигане и превишаване на TWA, но концентрацията на газа е по-малка от STEL;
  
• 
  червен код – достигане и превишаване на STEL, без непосредствена опасност за евакуация на хората от рудника за период от 30 минути след достигане на STEL;
  
• 
  син код – концентрация, при която в рудника не трябва има хора.
  

Сензорите на системата, които диспечера трябва да контролира, генерират 24 показания (включително 15 газови концентрации), които се актуализират три пъти в минута. Големият брой на сензорите наложи предло­жената визуализация на данните (фиг. 7).

Цветен код	Ниво на опасност по концентрация “C” на газа
	O2 [%vol.]	CO [ppm]	NO [ppm]	NO2 [ppm]	SO2 [ppm]
черен
зелен
червен
син

В долната част на екраните на фиг.7 и 8 са минимизи­рани три прозореца, за трите мониторингови станции. При получаване на сигнала за достигане на STEL диспечерът има възможност да отвори всеки от тях и да получи информацията, във вида показан на фиг.9. И в двата случая той има възможност да наблюдава изменението през 20 секунди на 15-минутната концентрация на всички газове на нивото на което е достигната STEL.

Ефективността на естественото проветряване и тен­денцията за промяна на концентрацията която се наблю­дава, трябва да се оценява въз основа на мониторинга на газовите примеси в рудника, при известни метеороло­гичните условия. Авторите извършиха едногодишни метеорологични наблюдения, чрез които се изясниха някои предопределени от местоположението на рудника климатични фактори, влияещи върху разпространението и изнасянето на отделяните и контролирани със системата за непрекъснат мониторинг газови примеси. Обобщена информация, въз основа на статистическа обработка на регистрираните метеорологични данни за едногодишен период обосновава следните изводи:

• най-малък период на затишие – 2% е наблюдаван през месец март на 2013г.;

• най-продължителен период на затишие – 32.1% е наблюдаван през месец февруари 2013г (затишие през повече от една трета от времето в месеца, средно 5 часа в денонощието);

• средната продължителност на затишието през годината е изчислена на 18.76% от 8760 h/yr, или 164 часа годишно. Средно дневното затишие съответства на 4.5 часа в денонощие;

• медианата на периодите на затишие е 16.45% (по-малка е от изчислената средна стойност) и показва, че половината от данните са до тази стойност, докато другата половина е над нея.

• 
  максимални стойности на скоростта на вятъра са измерени в периода от 12:30 до 15:00 часа. Вероятностно може да се твърди, че скоростта на вятъра в този период се очаква да бъде по-висока от 2 m/s (~7 km/h). Скоростта на вятъра расте от 12:30 до 14:00 часа, след което започва да намалява. Считаме, че този факт трябва да бъде отчетен и да доведе до неголямо изместване на режима на взривяване, което би било добре да приключва до 13-13:30 часа;
  
• 
  вероятността за затишие е най-голяма през периодите 22:30-24:00 часа и 1:30-6:00 часа, в които интензивността на газоотделянето в рудника се налага да бъде минимизирана.
  

• 
  от изток-югоизток; запад-северозапад - през зимния период
  
• 
  до изток-североизток - през летния,
  
• 
  една четвърт (25%) от средномесечните скорости са по-малки от 1.57 m/s;
  
• 
  три четвърти (75%) от средномесечните скорости са по-малки от 2.63 m/s;
  
• 
  медианата (50%) е 1,97 m/s.
  

Системата генерира текстов файл с данните за зададен период от време, конвертируем в Excel формат. Докладите за работна смяна и денонощие се генерират от конвертирания Excel-файл. В началото това трябва да става ръчно, от специалиста по вентилация, докато дружеството реши да бъде създадена програма за генериране на доклади. Конвертираният Excel-файл с три електронни таблици – по една за всеки месец се архивира в електронното досие на системата. Електронното досие на системата с архивираните файлове се съхранява на друг твърд диск – RAR или външен диск.

Изготвят се сменни и денонощни доклади, съдържащи средни, максимални и минимални измерени стойности от всеки сензор. Сменни доклади се изготвят при регистри­рано и потвърдено превишение на кратковременната концентрация на наблюдаваните газове. Денонощните доклади са съставени по данните за цяло денонощие. Денонощните доклади се изготвят всеки ден и се изпращат по електронната поща. При системна поява на аварийни сигнали за последователни смени или за цяло денонощие трябва да се проследи хронологично връзката на естественото проветряване на рудника с данни от метеорологичните измервания, и показанията за газовите концентрации. Особено внимание е необходимо да се обърне на периодите на безветрие (нулева или по-малка от 0,3 m/s скорост на вятъра), и на инверсия (стратификация на атмосферата, с устойчиво намаляване на температурата и нарастване на плътността на въздуха по дълбочина на котлована на рудника). Доклад за превишение на кратковременните концентрации ще се из­праща по електронна поща, като е-mail писмо, съдържащо типов текст и приложен файл в който системата декларира вида на аварийното събитие - намереното превишение на аварийното ниво на концентрацията. Длъжностните лица, на които е изпратен е-mail, e възможно да получат и SMS-съобщение на мобилния си телефон за превишението, което могат да видят и в пощенската си кутия. Генери­рането на този доклад от системата изисква допълнително програмиране. Докладите, както и аварийните съобщения трябва да бъдат получавани поне от следните длъжностни лица: главният инженер на рудника; Минно-спасителната служба; Специалиста по ТБ на рудника; Специалиста по вентилация в инспекцията по безопасност на пред­приятието; Началника на инспекцията по безопасност на предприятието.

Калибриране и контрол на сензорите

Надеждността на работа на мониторинговата система зависи от нейната комплектност и поддръжка. Рудникът разполага с три еталонни газови смеси за калибриране на сензорите и настройка на системата.

Други важни за правилното функциониране на системата са периодичните проверки на показанията с портативен газоанализатор. Измерването се извършва непосред­ствено до мониторинговата станция, като се записват показанията на измервателния прибор на станцията и тези на преносимия газоанализатор. За резултатите от проверката се води регистър. До набирането на опит в прилагането на системата проверките с портативен газоанализатор е препоръчително да се извършват на всеки две седмици. При отказ или нереални показания на сензорите на системата се извършват извънредни проверки. Тази проверка започва със сравнителен анализ с портативен газоанализатор, след което сензора се проверява, чрез измерване на електрическия му измеряем сигнал. Това може да стане чрез контролно измерване на място или след смяната му и прецизно измерване в ел.лаборатория. При отклонения от нормалната работа на повече от три сензора трябва да се извърши извънредна контролна проверка на всички сензори. От датата на тази извънредна проверка започва да се отчита времето до следващата тримесечна проверка. За да се бракува сензор той трябва да премине през лабораторна диагностика и заключение за изчерпан ресурс.

Перспективно софтуерно разширение на системата

Насочено е към по-ефективно използване на системата. Като първа стъпка авторите препоръчват софтуерно осигуряване на възможност длъжностните лица: Главен инженер на рудника; Минно-спасителна служба; Специа­листа по ТБ на рудника; Началника на инспекцията по безопасност на предприятието и Специалиста по венти­лация в инспекцията по безопасност на предприятието да могат да наблюдават газовата обстановка в рудника, чрез следене на картината на екрана на диспечера, на персоналните си компютри.

Използване на възможностите на специализирания софтуер AMR Win Control може да се оползотворят в няколко посоки:

• 
  Програмиране на мониторинговата система за хронологично изобразяване на графика за концентрацията на газа, показал превишение, на трите контролирани хоризонта в реално време. Така длъжностните лица, които трябва да вземат решение, могат да видят развитието на обгазяването или прочистването на рудника след достигане на STEL;
  
• 
  Програмиране за автоматично генериране на текстово съобщение за достигане на STEL и изпращането на доклада с e-mail до длъжностните лица. Така може да се автоматизира изпращането на съобщение за авария;
  
• 
  Програмиране на автоматично генериране на сменни и денонощни доклади и графики за газовата обстановка рудника;
  
• 
  Разработване на програма за показване на състояние на инверсия на рудничната атмосфера, с наличната информация от действащите в рудника сензори.
  

Някои от тези предложения могат да бъдат реализирани в кратки срокове, а други изискват известна практика в ползването при нормалната експлоатация на монито­ринговата система от специалистите в предприятието.

Стационарният мониторинг на атмосферата в открития рудник трябва да създаде условия за подобряване на безопасността на работа, чрез:

• 
  Намаляване на обема на оперативното персонално опробване на работните места за наличието и съдържанието на вредни газове в зоната на дишане на работещите в рудника, без влошаване на качеството на персоналния мониторинг;
  
• 
  Отчитане на влиянието на метеорологичните фактори върху проветряването на рудника при емисии от линейни, точкови и залпови източници на замърсяване на атмосферата в него;
  
• 
  Набиране на емпирични данни за създаване на вътрешно-фирмени правила за управление на замърся­ването на атмосферата в рудника, на основата на моделиране, което може да прогнозира опасни по обгазяване зони.
  

1. 
   Management of oxides of nitrogen in open cut blasting. Mines Inspectorate & Explosives Inspectorate of the Department of Employment. Guidance Note – QGN 20, 95p.
   
2. 
   Наредба 13 за защита на работещите от рискове, свързани с химически агенти при работа, ДВ. бр.8/30 Януари 2004г.
   
3. 
   AMR Win Control, User Manual. akrobit® software GmbH, www.akrobit.de
   
4. 
   OSHA Regulation (Standards -29 CFR), Limits for Air Contaminant.
   
5. 
   NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards, Publ. No 2005-149, 2007
   

[7] Coal Mine Health Inspection Procedures handbook. PH89-V-1, chap_5, 2001.http://www.msha.gov/