Komunikacja 5G pod ziemią

Predykcja i cyfrowe bliźniaki w kopalniach

W miarę jak ceny czujników spadają, a możliwości transmisji wyników pomiarów i ich obróbki, dzięki Internetowi Rzeczy i m.in. postępowi w zakresie algorytmów sztucznej inteligencji, rosną, przybywa sensorów wbudowanych w maszyny. Dostarczają one komplet odczytów parametrów pracy oraz stanu urządzeń, które wcześniej były mierzone ręcznie. Dzięki temu możliwe staje się wdrożenie modelu predykcyjnego w konserwacji. Upowszechniania się on również w kopalniach, które w coraz większym stopniu są mechanizowane i automatyzowane, dlatego każde nieplanowane wstrzymanie produkcji powoduje straty. Dzięki predykcji w utrzymaniu ruchu można na bieżąco monitorować i analizować stan sprzętu ciężkiego oraz floty transportowej kopalni, reagując na wczesne symptomy awarii. Jest to alternatywą dla podejścia, w którym konserwacje sprzętu przeprowadza się "na zaś", bez wyraźnych do tego wskazań, jak i tego, w którym czeka się, aż urządzenie się zepsuje.

Dostępność rosnącej ilości danych pomiarowych pozwala na ich wykorzystanie, w połączeniu z nowymi technologiami z zakresu symulacji 3D, a ostatnio też sztucznej inteligencji, również w dziedzinie modelowania, do tworzenia wirtualnych kopii rzeczywistych zasobów – cyfrowych bliźniaków. Są to modele komputerowe procesów lub obiektów opracowane w oparciu o dane różnego typu, bieżące i archiwalne. Odwzorowując ich przebieg i stan, pozwalają na symulację działania w zależności od różnych scenariuszy zmian czynników mających wpływ na kluczowe wskaźniki, jak przepustowość czy efektywność energetyczna. W kopalniach wykorzystuje się je coraz częściej do analizowania możliwości ulepszeń na poszczególnych etapach wydobycia, m.in. w zakresie robót strzałowych. Symulacje tego kroku mogą m.in. pozwolić na dobranie optymalnych parametrów odwiertów (lokalizacji, odległości między otworami, ich szerokości i głębokości) oraz ładunków wybuchowych (gęstości, ilości, rodzaju) tak, żeby uzyskać zakładaną szybkość kopania i przepustowość kruszenia w oparciu o dane: geologiczne, archiwalne dotyczące efektów eksplozji (stopnia fragmentacji urobku), o wydajności wydobycia, osiągach koparki oraz kruszarki.

Przykłady konstrukcji obudów w wykonaniu przeciwwybuchowym

Obudowy ognioszczelne, osłaniające części mogące zapalić atmosferę wybuchową znajdującą się wewnątrz, muszą być w stanie wytrzymać ciśnienie eksplozji. Dzięki temu nie dopuszcza się do rozprzestrzenienia się eksplozji do otaczającej obudowę atmosfery wybuchowej. By ten wymóg spełnić, wykorzystuje się materiały o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. Oprócz tego wszelkie odstępy pomiędzy częściami obudowy powinny być na tyle wąskie i długie, żeby wypływający nimi gorący gaz ostygł i nie mógł już spowodować zapłonu mieszaniny wybuchowej, kiedy wydostanie się na zewnątrz. W obudowach w wersji ognioszczelnej wykonywane są urządzenia, w których podczas normalnej pracy powstają iskry, łuki elektryczne i/albo gorące powierzchnie, jak na przykład: rozdzielnice, bezpieczniki, oprawy oświetleniowe, hamulce cierne, silniki elektryczne.

W obudowach gazowych z nadciśnieniem wnikaniu otaczającej atmosfery wybuchowej do środka zapobiega się przez utrzymanie wewnątrz niej gazu ochronnego, którym może być czyste, suche powietrze, gaz obojętny albo inny odpowiedni w danym przypadku, pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego. Nadciśnienie jest utrzymywane z ciągłą wymianą gazu ochronnego lub bez. Obudowa musi zachować integralność przy kilkukrotności nadciśnienia występującego podczas normalnej pracy. W razie spadku ciśnienia gazu ochronnego urządzenie powinno zostać automatycznie wyłączone.

Komunikacja 5G pod ziemią

Bezpieczniejsze i wydajniejsze kopalnie wymagają sprawnej komunikacji. Duże nadzieje w tym zakresie pokładane są w technologii 5G. Ze względu na dużą przepustowość i małe opóźnienia sieci piątej generacji w górnictwie, podobnie jak w wielu innych dziedzinach, mają potencjał, by umożliwić wdrożenie rozwiązań wcześniej nieosiągalnych, wykraczających poza "zwykły" dostęp do Internetu. Chodzi głównie o możliwość dwukierunkowej transmisji danych w czasie rzeczywistym, dzięki czemu na różne sposoby będzie można poprawić wydajność wydobycia przez jeszcze większą automatyzację, jak również zwiększyć bezpieczeństwo personelu. Parametry transmisji zapewniają sieciom 5G pod tym względem przewagę nad sieciami starszych generacji, pozwalając na przykład na transmisję wideo dużej rozdzielczości z rejonów, w których przebywanie górników wiąże się z dużym zagrożeniem czy przesyłanie do zautomatyzowanych maszyn tam pracujących sygnałów sterujących.

Zanim jednak sieci 5G upowszechnią się w kopalniach, trzeba jeszcze rozwiązać kilka problemów. Takim jest często odległa i trudnodostepna lokalizacja kopalni, która utrudnia poprowadzenie kablowego połączenia światłowodowego od infrastruktury sieci prywatnej do stacji bazowej 5G. Alternatywą w takich przypadkach może być skorzystanie z satelitów komunikacyjnych, o ile opóźnienia z tym związane będą w danym przypadku akceptowalne. Dodatkową tego zaletą jest mniejszy koszt, dzięki uniknięciu wydatków na infrastrukturę sieciową. Kolejnym wyzwaniem jest uzyskanie sygnału dobrej jakości pod ziemią. W tym zakresie prowadzone są już badania, w ramach których opracowuje oraz testuje się projekty sieci i sprzęt dostosowany do warunków podziemnych.

Case study – Pożary mobilnych jednostek produkcji materiałów wybuchowych

Mobilne jednostki mieszania, odmierzania oraz dozowania materiałów wybuchowych na miejscu (Mobile Manufacturing Unit, MMU) poza tym, że znacząco usprawniają roboty strzałowe, mogą stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa ich obsługi, pracowników kopalni i osób postronnych. Niebezpieczne są zwłaszcza pożary ciężarówek MMU. Do dwóch takich sytuacji doszło w pewnej kopalni w Australii. W obu przypadkach pożar był spowodowany przez kontakt chemikaliów z powierzchniami, które rozgrzały się do wysokiej temperatury.

Pierwsza groźna sytuacja wydarzyła się, kiedy pojazd MMU wrócił pusty z wyrobiska do miejsca załadunku materiałów wybuchowych. Kierowca, po opuszczeniu kabiny, wyczuł spaleniznę. Natychmiast sprawdził stan samochodu i zauważył ogień wydobywający się z okolicy katalizatora – płomienie miały już wówczas wysokość ponad 10 centymetrów. Kierowca wsiadł do pojazdu i odjechał na bezpieczną odległość od miejsca, w którym składowane są ładunki wybuchowe i tam ugasił pożar ręczną gaśnicą. Jak wykazało późniejsze dochodzenie, przyczyną było kapanie resztek chemikaliów wybuchowych z węża doprowadzającego na obudowę katalizatora. Przez dłuższy czas przez nikogo niezauważony wyciek skutkował nagromadzeniem się substancji łatwopalnej, która dodatkowo została zanieczyszczona innymi tego typu, jak olej. Gdy temperatura obudowy katalizatora przekroczyła temperaturę zapłonu tej mieszanki, wybuchł pożar.

Drugi pożar również został zauważony na placu załadunku materiałów wybuchowych – podczas mycia ciężarówki MMU kierowca wyczuł spaleniznę i po oględzinach pojazdu zauważył płomień za skrzynką akumulatorów. Okazało się, że jego przyczyną było dodatkowe złącze, domontowane w celu podłączenia akumulatora do rozrusznika, którego uszkodzone zaciski spowodowały zwarcie i iskrzenie. Od tego zapaliła się izolacja kabla.

Okoliczności obu pożarów dostarczyły cennych wskazówek, jak poprawić bezpieczeństwo ciężarówek MMU. Przede wszystkim większą uwagę należy zwrócić na poprawny projekt i wykonanie ich instalacji elektrycznej, eliminując zbędne połączenia zwiększające ryzyko zwarć i sprawdzać stan zacisków złączy. Ocena ryzyka pożaru powinna uwzględniać wszystkie potencjalnie silnie nagrzewające się powierzchnie, które mogą mieć kontakt z chemikaliami wybuchowymi, w tym na skutek ich wycieku. Te na to narażone powinno się wyposażyć w osłony. Sprawdzić trzeba także komponenty wyposażenia jak węże, z których materiały wybuchowe mogą wyciekać i te jak okładziny, w które mogą wsiąkać albo w inny sposób się nagromadzać. Należy ponadto zaostrzyć wymogi utrzymania czystości tego typu ciężarówek.