РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В ПОДЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ 

Агарков Александр Владиславович, аспирант,

Государственный научно-исследовательский институт горноспасательного дела,
пожарной безопасности и гражданской защиты «Респиратор»
Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и
ликвидации последствий стихийных бедствий

e-mail: aleksander_agarkov@mail.ru

Выполнен анализ результатов экспериментальных исследований по применению беспилотных летательных аппаратов в подземных условиях с целью исследования возможности проведения разведки аварийных участков в шахтах дистанционным способом. Подробно изложена актуальность данного направления и приведены перспективы дальнейших исследований по обоснованию параметров и разработке специализированных беспилотных летательных аппаратов, позволяющих проводить разведку аварийных участков дистанционным способом с целью повышения безопасности личного состава подразделений горноспасательной службы при выполнении аварийно-спасательных работ, с целью получения данных о местах возникновения и установления вида аварии, количестве застигнутых аварией людей, мест их нахождения, а также данных о состоянии шахтной среды (газовой обстановки) на аварийном участке. Полученные результаты следует использовать научным сотрудникам и инженерам при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по обоснованию параметров, разработке и внедрению специализированных беспилотных летательных аппаратов для дальнейшего их использования подразделениями горноспасательной службы в шахтах при авариях.

Ключевые слова: шахта; аварийный участок; пожары и взрывы в шахтах; горноспасательная служба; аварийно-спасательные работы; дистанционная разведка аварийного участка; беспилотный летательный аппарат; аэрофото- и видеосъемка в шахте; шахтная среда; газовая обстановка.

 

Правительство горнодобывающих стран уделяет огромное внимание повышению безопасности ведения горноспасательных работ в шахтах [3, 5, 12, 22]. При этом основными направлениями развития горноспасательной службы, а также приоритетными программами научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы научных и проектных организаций в сфере горноспасательного дела, на сегодняшний день и на ближайшие годы, является разработка и внедрение в производственную деятельность инновационных комплексов и технических средств с дистанционным управлением и контролем, которые позволяют сократить до минимума риск травматизма и смертности среди горноспасателей, выполняющих аварийно-спасательные работы на горных предприятиях [14, 23].

Горная промышленность является одной из ключевых отраслей народного хозяйства многих стран [13, 19, 20, 25], однако при постоянном повышении уровня и мер промышленной безопасности и противопожарной защиты в шахтах аварии и аварийные ситуации имеют частый характер. Одними из наиболее распространенных видов аварий в шахтах являются пожары и взрывы, при ликвидации которых возникают условия, опасные для жизни горноспасателей. При возникновении таких аварий в шахтах немедленная разведка горных выработок аварийного участка и определение состава шахтной среды (газовой обстановки) является одним из решающих факторов влияния на выбор мероприятий по дальнейшему проведению аварийно-спасательных работ.

Разведка горных выработок аварийного участка шахты осуществляется для обнаружения и спасения людей, застигнутых аварией, получения информации, необходимой для выбора основных направлений и технологии ликвидации аварии, а также ее последствий, оценки эффективности действий по ликвидации аварии и внесения необходимых корректировок в технологию ведения горноспасательных работ [24]. При проведении разведки горноспасателями определяются:

– места возникновения и установления вида аварии, а также возможные направления ее распространения;

– количество застигнутых аварией людей, вероятные места их нахождения для оказания помощи и их спасения;

– шахтная среда (газовая обстановка) на аварийном участке, состояние выработок и их проветривание.

При выполнении разведки горных выработок аварийного участка шахты, контроле состава шахтной среды (газовой обстановки), возведении изолирующих сооружений и проведении других видов горноспасательных работ известны случаи травмирования и гибели горноспасателей. Примером тому могут послужить аварии на шахтах России: «Центральная» (1993 год), «Распадская» (2010 год), «Северная» (2016 год), на шахтах Донецкой Народной Республики и Украины: «им. А.Ф. Засядько» (2007 и 2015 годы), «Краснолиманская» (2014 год) и прочие [1, 2, 21].

Одним из ярчайших примеров высокого травматизма и гибели, как горняков, так и горноспасателей, может служить серия взрывов на шахте «Северная» ОАО «Воркутауголь» [1, 21].

На основании вышеизложенного актуальным направлением на сегодняшний день является проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью разработки способа и технических средств разведки аварийных участков в условиях шахт дистанционным способом.

Одним из интересных и перспективных вариантов решения данной проблемы может рассматриваться разработка специализированных беспилотных летательных аппаратов (далее – БПЛА), пригодных к эксплуатации в подземных условиях, в т.ч. в аварийных ситуациях.

Исследованиям возможности разработки БПЛА для подземных условий посвящены научные труды П.П. Ананьева, М.Л. Кима, А.С. Концевого, В.Н. Костеренко, Р.В. Мещерякова, Л.Д. Певзнера, А.К. Платонова, Д.С. Полуэктова, А.С. Родичева и других [4, 11, 15 – 17]. Мною в соавторстве с другими исследователями (канд. техн. наук Е.В. Курбацким и горным инженером Р.С. Муляром) была ранее опубликована обзорная статья о перспективах разработки специализированных БПЛА с целью использования их подразделениями горноспасательной службы и работниками шахт [18].

Рассмотрев диссертационную работу М.Л. Кима [9, 10], было принято решение провести исследовательские испытания по применению БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа Оперативного Государственного военизированного горноспасательного отряда Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Донецкой Народной Республики (далее – ОГВГСО МЧС ДНР).

Целью настоящей статьи является обзор и анализ результатов экспериментальных исследований по применению БПЛА в подземных условиях с целью исследования возможности проведения разведки аварийных участков в шахтах дистанционным способом.

Испытание БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР проводилось в июне 2019 года. В качестве БПЛА использовался стандартный DJI Phantom 1, основная техническая характеристика которого указана ниже в таблице [6 – 8].

Основная техническая характеристика БПЛА DJI Phantom 1 [6 – 8]

БПЛА DJI Phantom 1
Габариты (габаритные размеры)	350 мм × 350 мм × 190 мм
Рабочая температура (функционирует при температуре)	-10 ~ 50 °C
Потребляемая мощность	3,12 В
Взлетает с максимальным весом (максимальный вес, при котором возможен взлет)	до 1 кг
Время полета	~ 15 мин
Точность полета в режиме GPS (точность зависания в режиме GPS)	0,8 × 2,5 м (по вертикали: 0,8 м; по горизонтали: 2,5 м)
Максимальная угловая скорость рыскания (максимальная скорость разворота (вращения) вокруг своей оси)	200 °/сек
Максимальный угол наклона	45°
Максимальная скорость при посадке/взлете	6 м/с
Максимальная скорость полета	10 м/с

Пульт дистанционного управления
Рабочая частота (частота ISM)	2,4 ГГц
Количество каналов (каналов управления)	7 шт.
Диапазон работы (радиус действия) (дальность связи передатчика)	1 км (1000 м)
Потребляемая мощность (мощность передатчика)	менее 20 дБм
Рабочее напряжение (энергопотребление передатчика)	52 мА
Элементы питания (батареи)	тип АА (4 шт.)
Аккумуляторная батарея и зарядное устройство
Напряжение (входное напряжение переменного тока)	100 – 240 В
Зарядный ток	1А / 2А / 3А
Потребление тока для компенсации	200 мA
Мощность	20 В
Тип аккумулятора	литий-полимерный
Емкость	2200 мА·ч

 

БПЛА DJI Phantom 1 оснащен светодиодными индикаторами высокой чувствительности. Благодаря этим элементам он легко ориентируется в пространстве. Индикаторы расположены под каждым отдельно взятым ответвлением, на котором сверху есть пропеллеры. Крепление для камеры находится снизу БПЛА. Для управления БПЛА DJI Phantom 1 используется дистанционный пульт с радиусом действия до 1000 м. Разработчики предусмотрели несколько режимов управления, в том числе и возможность удерживания устройством заданной позиции в воздухе. Наличие автопилота в БПЛА является существенным преимуществом: в случае, если устройство потеряет связь с пультом управления, то БПЛА может вернуться на исходную позицию самостоятельно.

В качестве испытательного полигона был выбран учебно-тренировочный полигон подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР, поскольку в условиях действующей шахты стандартный БПЛА DJI Phantom 1, не отвечающий требованиям РВ-исполнения («рудничное взрывобезопасное»), использовать запрещено.

Однако задача данного этапа заключалась в проверке эксплуатационной способности БПЛА, дальности сигнала связи (сети передачи данных Wi-Fi) БПЛА с пультом дистанционного управления, то бишь проверка радиуса действия (дальности связи передатчика) в подземных условиях. При этом особым интересом пользовался вопрос: на каком расстоянии, и при каких обстоятельствах в подземных условиях связь БПЛА с пультом дистанционного управления будет потеряна.

На рис. 1, 2 представлены маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР, а также внешний вид БПЛА DJI Phantom 1.

Маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР был следующим. После спуска наклонным стволом и перехода по сбойке к уклону, оператор с пультом дистанционного управления БПЛА остановился на позиции (1), указанной на рис. 1. Была произведена проверка, настройка и калибровка БПЛА. После включения БПЛА и запуска его в работу, второй участник испытаний проследовал по уклону вниз до позиции (2), держа постоянную связь с оператором и контролируя непрерывно диапазон работы БПЛА (радиус действия, дальность связи передатчика в подземных условиях). Дойдя до позиции (2), убедившись, что сигнал связи БПЛА с пультом управления не был потерян, БПЛА и камера функционируют, дальнейший маршрут предполагал переход по западному откаточному штреку в тупик до позиции (3). После достижения данной позиции, второй участник испытаний снова убедился, что сигнал связи передатчика не был потерян, БПЛА и камера функционируют. Вернувшись обратно до позиции (2) и связавшись с оператором, принято решение опробовать работоспособность БПЛА, добравшись до позиции (4), то бишь в противоположную сторону до тупика. Результат показал работоспособность (эксплуатационную способность) БПЛА по данному маршруту, сигнал связи БПЛА с пультом управления в подземных условиях был стабилен, независимо от разности наклона и протяженности выработок, а также других обстоятельств.

Рис. 1. Маршрут испытаний БПЛА в условиях учебно-тренировочного полигона 
подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР: 1, 2, 3, 4 – позиции маршрута 
[схема вентиляции учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР]


а)

б)
Рис. 2. БПЛА DJI Phantom 1 в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа ОГВГСО МЧС ДНР: а – внешний вид DJI Phantom 1; б – качество изображения в условиях освещения
Таким образом, первичная оценка эксплуатационной способности БПЛА в подземных условиях подтвердила его работоспособность. Однако специализированный БПЛА для использования подразделениями горноспасательной службы как вспомогательный инструмент при проведении поисковых и разведочных операций должен быть оснащен, помимо камеры, специальными датчиками, что позволит передавать видеосигнал и проводить анализ шахтной среды (газовой обстановки) на аварийном участке на наличие взрывоопасных концентраций. При этом БПЛА должен иметь особую конструкцию, исключающую возникновение искр от электрооборудования. Камера на БПЛА должна иметь функции разворота и наклона с целью обнаружения препятствий, завалов и пр.
Помимо вышеизложенного, для предотвращения столкновений и повреждений винтов специализированный БПЛА для шахт должен быть оснащен «защитой» («защитным корпусом»). В диссертации М.Л. Кима предложена сферическая ударопрочная защитная решетка (примеры представлены на рис. 3) [9 – 11]. Данная решетка должна обладать достаточным пределом прочности и высокими антикоррозийными свойствами.

Рис. 3. Примеры БПЛА в защитном корпусе (сферической ударопрочной защитной решетке) [9 – 11]
И наконец, в условиях задымленности горных выработок аварийного участка шахты БПЛА должен быть оснащен устройством, которое позволяет обнаруживать сквозь довольно сильную задымленность и отсутствие света, людей и другие источники тепла, идентифицировать инфраструктурные объекты и предметы, выполнять запись видеоизображения в инфракрасном спектре, воспроизводить и передавать эти видеозаписи. Для этих целей, согласно [10, 11], ООО НПФ «Гранч» в г. Новосибирск было разработано видеоустройство SBGPS MPhone-2VIR. Соответственно, БПЛА, оснащенный данным устройством, сможет эффективно производить мониторинг горных выработок аварийного участка шахты в условиях полной задымленности.

Таким образом, для решения задачи дистанционной разведки аварийных участков шахт весьма эффективным способом может стать использование специализированного дистанционно управляемого БПЛА в специальном защитном корпусе и взрывобезопасном исполнении, который должен быть оснащен камерой, специальными датчиками температуры, кислорода, метана, углекислого газа, тепловизорами, дальномерами и пр.

Перспективами дальнейших исследований являются проверка эксплуатационной способности БПЛА с исполнении РВ (рудничном взрывозащищенном) в условиях действующей шахты на глубине 800 – 1200 м, разработка технического задания на специализированный БПЛА для шахтных условий, который позволит производиться разведку аварийного участка в шахте дистанционным способом, обоснование параметров и разработка опытного образца специализированного БПЛА, его испытание и внедрение для опытной эксплуатации в подразделение горноспасательной службы.

Автор весьма признателен уважаемому Вадиму Старчуку за принятое участие в исследовательской работе и предоставленный БПЛА DJI Phantom 1 для проведения эксперимента в условиях учебно-тренировочного полигона подземного типа, а также благодарен руководству ОГВГСО МЧС ДНР и учебно-тренировочного полигона подземного типа.

 

Список использованных источников

 

1.        Аварии на шахтах России : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: http://miningwiki.ru/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA:%D0%90%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B8_... (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

2.        Аварии на шахтах Украины : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: http://miningwiki.ru/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA:%D0%90%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B8_... (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

3.        Аксенов, В. В. Перспективы развития горноспасательного дела в России (доклад на VIII международной горноспасательной конференции IMRB-2017) / В. В. Аксенов // Уголь. – 2017. – № 11. – С. 20–23.

4.        Ананьев, П. П. Управление РТК для мониторинга и обследования подземных выработок / П.П. Ананьев, Р.В. Мещеряков, В.Н. Костеренко, М.Л. Ким, А.С. Концевой // Прогресс транспортных средств и системы-2018: Материалы международной научно-практической конференции. – Волгоград. – 2018. – С. 164–165.

5.        ВГСЧ: вчера, сегодня, завтра. Горноспасательное дело в России / под общ. ред. А.Ф. Сина; МЧС России. – М.: ФГБУ ВНИИГОЧС (ФЦ), 2013. – 180 с.

6.        Квадрокоптер (дрон) DJI Phantom 1 : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://www.e-katalog.ru/DJI-PHANTOM-1.htm (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

7.        Квадрокоптер DJI Phantom 1 : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://turbopult.ru/rcmodels/multikoptery/kvadrokopter-dji-phantom-1 (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

8.        Квадрокоптер DJI Phantom 1 : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: http://shop.sky-fly.com.ua/ru/dji-phantom-1/13-kvadrokopter-dji-phantom-1.html (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

9.        Ким, М. Л. Автоматизированная информационная система горноспасательных частей на основе беспилотных летательных аппаратов [Текст] : автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.06 / Ким Максим Ленсович. – Москва, 2018. – 19 с.

10.    Ким, М. Л. Автоматизированная информационная система горноспасательных частей на основе беспилотных летательных аппаратов [Текст] : дис. … канд. техн. наук : 05.13.06 / Ким Максим Ленсович. – Москва, 2018. – 115 с.

11.    Ким, М. Л. О возможности использования мобильных робототехнических летательных аппаратов при выполнении оперативного плана ликвидации аварии на шахтах / М. Л. Ким, А. С. Родичев, Л. Д. Певзнер, А. К. Платонов // Уголь. – 2018. – № 1. – С. 34–38.

12.    Кузнецов, М. В. Структура, функционирование и перспективы деятельности управления военизированных горноспасательных частей (ВГСЧ) МЧС России / М. В. Кузнецов, Ю. О. Воронина // Технологии гражданской безопасности. – 2015. – № 1(43). – С. 48–51.

13.    Мировые тенденции развития угольной отрасли : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://mining-media.ru/ru/article/ekonomic/14525-mirovye-tendentsii-razvitiya-ugolnoj-otrasli (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

14.    О горноспасательных командах МЧС, роботах-разведчиках и перспективах развития горноспасательной службы в интервью газете «Московский Комсомолец» : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: http://www.mchs.gov.ru/dop/info/smi/interview/item/33429939/ (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

15.    Певзнер, Л. Д. Моделирование движения беспилотного летательного аппарата в условиях подземных шахтных выработок / Л. Д. Певзнер, М. Л. Ким, Д. С. Полуэктов // Труды Международной конференции «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации-2018». – Алушта. – 2018. – С. 255–257.

16.    Певзнер, Л. Д. Робототехника в горном деле / Л. Д. Певзнер, М. Л. Ким // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2014. – № S1 –
С. 240–251.

17.    Певзнер, Л. Д. Робототехнические средства и системы для решения задач ликвидации аварии в шахтах / Л. Д. Певзнер, М. Л. Ким // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2016. – № S1 – С. 215–223.

18.    Перспективы применения беспилотных дронов в горноспасательном деле : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://russiandrone.ru/publications/perspektivy-primeneniya-bespilotnykh-dronov-v-gornospasatelnom-dele/ (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

19.    Перспективы развития угольной отрасли в мире : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://www.metalbulletin.ru/publications/2992/ (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

20.    Погоржельская, Н. В. Тенденции развития угольной промышленности / Б. Г. Шелегеда, Н. В. Погоржельская // Вести Автомобильно-дорожного института. – 2017. – № 1 (20). – С. 77–84.

21.    При новом взрыве на шахте «Северная» погибли горноспасатели : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://lenta.ru/news/2016/02/28/coal/ (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

22.    Программа по обеспечению дальнейшего улучшения условий труда,
повышения безопасности ведения горных работ, снижения аварийности и травматизма в угольной промышленности, поддержания боеготовности военизированных горноспасательных, аварийно-спасательных частей на 2014–2016 годы : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293767/4293767689.htm (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

23.    Проект целевой программы ведомства «Развитие военизированных горноспасательных частей МЧС России» : [сайт]. – Москва. – Обновляется в течение суток. – URL: http://www.mchs.gov.ru/upload/site1/document_file/50y95t7kw2.pdf (дата обращения: 17.07.2019). – Текст. Изображение : электронные.

24.    Устав по организации и ведению горноспасательных работ Государственной военизированной горноспасательной службой Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Донецкой Народной Республики : [утвержден МЧС ДНР 09.12.2015 № 965]. – Донецк : НИИГД «Респиратор», 2015. – 331 с.

25.    Яновский, А. Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России / А. Б. Яновский // Уголь. – 2017. – № 8. – С. 10–14.

ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCHES
USING UNMANNED AERIAL VEHICLE IN UNDERGROUND CONDITIONS 

Aleksandr Agarkov, Post-graduate student,

The «Respirator» State Scientific Research Institute of Mine-Rescue Work, Fire Safety
and Civil Protection of the Ministry of the Donetsk People’s Republic for Civil Defense Affairs, Emergencies, and Liquidation of Consequences of Natural Disasters

e-mail: aleksander_agarkov@mail.ru

The analysis of the results of experimental studies on the use of unmanned aerial vehicles in underground conditions was carried out in order to investigate the possibility of conducting reconnaissance of emergency sites in mines by remote means. The relevance of this direction is set out in detail and prospects are given for further research on the substantiation of parameters and the development of specialized unmanned aerial vehicles, which allow for reconnaissance of emergency sites by remote means in order to increase the safety of personnel of the mine-rescue service units during work, obtain data on the places of occurrence and establish the type of accident, the number of people caught in the accident, their locations, as well as data on the state of the mine environment (gas-situation) on the emergency site. The obtained results should be used by researchers and engineers when performing research and development work on the justification of parameters, development and implementation of specialized unmanned aerial vehicles for further use by units of the mine-rescue service on mines.  

Keywords: mine; emergency area; fires and explosions in the mines; mine-rescue service; rescue work; remote reconnaissance of the emergency site; unmanned aerial vehicle (UAV); aerial photography and video in the mine; mine environment; gas situation.