Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и задачи исследования 11
1.1. Существующие технологии контроля проветривания горных выработок 11
1.2. Анализ методов расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях 13
1.3. Анализ способов обеспечения аэрогазодинамической безопасности в штатных и аварийных режимах проветривания 19
1.3.1. Штатный режим проветривания 19
1.3.2. Аварийный режим проветривания 20
1.4. Цель и задачи исследования 27
2. Разработка математических методов прогнозирования воздухораспределения в вентиляционных сетях 29
2.1. Решение обратной задачи воздухораспределения в вентиляционной сети 29
2.1.1. Корректные исходные данные задачи 30
2.1.2. Некорректные исходные данные задачи 32
2.2. Программная реализация алгоритма распределения расходов 34
2.3. Верификация алгоритма прогнозирования распределения воздуха на основе данных инструментальных измерений в рудниках 40
2.4. Выводы 46
3. Разработка системы мониторинга расходов воздуха в сети горных выработок шахт и рудников 48
3.1. Концепция системы аэрогазодинамической безопасности на основе алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения 48
3.2. Разработка системы мониторинга вентиляции на физической модели рудника (испытательном аэродинамическом стенде) 51
3.3. Экспериментальное исследование работы алгоритма прогнозирования воздухораспределения в различных вентиляционных режимах 63
3.4. Выводы 75
4. Создание аналитических инструментов плана мероприятийпо локализации и ликвидации аварий 76
4.1. Разработка методов расчета распределения продуктов горения в сети горных выработок 77
4.1.1. Обоснование модели идеального вытеснения для решения задач газопереноса 77
4.1.2. Разработка алгоритма определения зон задымления при авариях 79
4.1.3. Расчет и визуализация динамического распространения продуктов горения 82
4.2. Подготовка оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий 87
4.2.1. Алгоритм определения опасных позиций при задействовании аварии 87
4.2.2. Определение путей выхода людей с учетом топологии вентиляционной сети и распределения продуктов горения 90
4.3. Выводы 93
5. Технологическое и методическое обеспечение построения систем аэрогазодинамической безопасности на шахтах и рудниках 95
5.1. Разработка автоматической замерной станции 96
5.2. Методика определения количества и мест установки автоматических замерных станций 99
5.3. Разработка системы аэрогазодинамической безопасности рудника «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель» 100
5.4. Оценка эффективности инвестиций в систему аэрогазодинамической безопасности 104
5.5. Выводы 107
Заключение 109
Список использованных источников 111
- Анализ методов расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях
- Программная реализация алгоритма распределения расходов
- Разработка системы мониторинга вентиляции на физической модели рудника (испытательном аэродинамическом стенде)
- Подготовка оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Современные горнодобывающие предприятия в условиях возрастания мощности добычи полезных ископаемых увеличивают глубину отработки и площади шахтных полей. Это приводит к существенному усложнению и разветвлению вентиляционных сетей шахт и рудников. Удаление очистных работ от шахтных стволов усложняет доставку свежего воздуха и повышает сложность обеспечения безопасных условий труда.
Для обеспечения безопасной добычи полезных ископаемых необходимо осуществлять контроль параметров рудничной атмосферы: количества воздуха, требуемого для проветривания, его температуры и компонентного состава.
На сегодняшний день можно выделить два способа контроля параметров воздухораспределения: периодический и оперативный. Периодический — это контроль, проводимый участком вентиляции шахты один раз в месяц при помощи приборов. Оперативное наблюдение осуществляется с помощью датчиков, позволяющих производить непрерывный контроль параметров воздуха.
Исследованием и разработкой мероприятий контроля проветривания горных выработок занимались Скочинский А.А, Комаров В.Б., Абрамов Ф.А., Ушаков К.З., Милетич А.Ф., Бурчаков А.С., Ксенофонтова А.И., Цой СВ., Тян Р.Б., Потемкин В.Я., Пучков Л.А., Медведев И.И., Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З., Мохирев Н.Н., Алыменко Н.И. и другие отечественные ученые. За рубежом данный вопрос рассматривали Бирд Д., Каллен А., Смит С, Кинджери Д., Макферсон М., Шмидт В., Скотт Д.Ю., Блум С, Маркс В., Стюарт К. и другие.
Основным недостатком периодического способа контроля параметров вентиляции являются большие временные затраты на проведение и обработку замеров. Второй способ контроля вентиляции лишен данного недостатка и позволяет своевременно получать информацию о состоянии вентиляционной сети. Однако наряду с этим автоматические системы мониторинга вентиляции осуществляют контроль параметров воздуха только в тех местах, где установлены датчики. Для получения полной картины воздухораспределения необходимо большое количество дорогостоящих датчиков. При этом, если один из датчиков системы мониторинга выходит из строя, то полностью теряется оперативная информация о параметрах воздуха не только в той выработке, где он установлен, но и на всем участке сети, который обслуживается этим датчиком.
Для устранения описанных недостатков целесообразно разработать новый способ контроля параметров вентиляции, позволяющий увязывать данные с датчиков в модели вентиляционной сети и рассчитывать на их основе аэродинамические параметры воздуха в остальных горных выработках.
Кроме того, информацию о распределении воздуха по всем горным выработкам, целесообразно использовать для решения остро стоящих перед горным производством задач, связанных с обеспечением безопасного ведения работ в штатном режиме проветривания и разработкой мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий. При этом появляется возможность для проектирования и реализации новых программных средств прогнозирования газораспределения и аналитических инструментов разработки оперативных мероприятий в аварийных режимах, которые используют для расчетов массив данных о воздухораспределении.
Вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения систем аэрогазодинамической безопасности, позволяющих повысить безопасность ведения горных работ в штатных режимах проветривания и увеличить эффективность разрабатываемых мероприятий по локализации и ликвидации аварий в аварийных режимах проветривания.
Цель работы
Разработка систем прогнозирования аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях для повышения безопасности ведения горных работ в штатных режимах и подготовки оперативных мероприятий в аварийных режимах проветривания рудников.
Основная идея работы
Использование решения обратной задачи воздухораспределения в вентиляционных сетях для разработки методов прогнозирования параметров рудничной атмосферы во всех горных выработках, технологического и методического обеспечения систем прогнозирования аэрогазодинамических процессов шахт и рудников.
Основные задачи работы:
1. Исследовать, разработать и верифицировать математические методы решения обратной задачи воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии.
-
Разработать систему мониторинга аэродинамических параметров рудничной вентиляции, которая позволяет определять расходы воздуха во всех выработках рудника на основе показаний ограниченного количества датчиков.
-
Исследовать и разработать алгоритмы расчета газораспределения при пожарах, которые позволят определять задымленные выработки, время загазирования аварийных участков и визуализировать результаты на графической части плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.
-
Создать вспомогательные аналитические инструменты для подготовки оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.
-
Разработать технологическое и методическое обеспечение построения систем аэрогазодинамической безопасности на рудниках.
Методы исследований предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования воздухораспределения в шахтных и лабораторных условиях, статистическую обработку результатов экспериментов, математическое моделирование воздухораспределения, анализ результатов численных экспериментов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Метод прогнозирования аэродинамических параметров в вентиляционной сети, заключающийся в численном решении обратной задачи воздухораспределения и позволяющий разрабатывать системы аэрогазодинамической безопасности.
Система аэрогазодинамической безопасности шахт и рудников, основанная на интеграции математической модели вентиляционной сети и показаний измерительных датчиков, обеспечивающая оперативное определение расходов воздуха во всех горных выработках и прогнозирование распространения продуктов горения.
Программно-аналитические инструменты расчета распространения продуктов горения по выработкам вентиляционной сети, необходимые для разработки и задействования плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.
Научная новизна:
1. Решена обратная задача воздухораспределения в вентиляционной сети, позволяющая на основе аэродинамических сопротивлений ветвей и расходов в
отдельных выработках определить массив расходов воздуха во всех ветвях вентиляционной сети.
-
Разработан способ расчета воздухораспределения во всех действующих горных выработках шахты или рудника на основе интеграции показаний датчиков скорости движения воздуха с моделью вентиляционной сети.
-
Обосновано применение модели идеального вытеснения для решения задач газопереноса в горных выработках.
-
Созданы алгоритмы, позволяющие определять опасные позиции при аварии и автоматически прокладывать запасные выходы с учетом топологии вентиляционной сети и распространения газов по выработкам.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается соответствием фундаментальным физическим законам, сопоставимостью результатов аналитических, численных решений и натурных измерений, большим объемом экспериментальных исследований в шахтных и лабораторных условиях, положительными результатами верификации разработанных алгоритмов.
Практическое значение и реализация результатов работы
Результаты работы позволяют создавать системы аэрогазодинамической безопасности, прогнозирующие распределение воздуха и продуктов горения во всех горных выработках вентиляционной сети шахт и рудников любой топологии на основе ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха.
На испытательном аэродинамическом стенде реализована система аэрогазодинамической безопасности, позволяющая проводить испытание алгоритма прогнозирования расходов воздуха в различных вентиляционных режимах.
В программном модуле «План мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий» аналитического комплекса «АэроСеть» реализованы вспомогательные аналитические инструменты, которые позволяют упростить подготовку мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий. Аналитический комплекс «АэроСеть» в настоящее время активно применяется на горнодобывающих предприятиях ОАО «ГМК «Норильский никель», ПАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «ЕвроХим», ОАО «Лукойл-Коми». Кроме того, программа используется в учебном процессе кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Создано технологическое и методическое обеспечение построения систем мониторинга вентиляционных процессов. На основании этого разработана система аэрогазодинамической безопасности рудника «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель», которая на основе 34 датчиков скорости движения воздуха определяет расходы во всех горных выработках рудника, количество которых составляет более 2000.
Связь работы с крупными научными программами и темами
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН, проводившихся в период с 2008 по 2012 гг., по теме «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с предприятиями ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».
С 2012 по 2015 г. исследования по теме диссертации были поддержаны по программе ОНЗ РАН «Фундаментальные проблемы и перспективы использования потенциала комплексного освоения недр на основе развития ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий» (проект «Комплексный мониторинг экстремальных горнотехнических ситуаций»), российским фондом фундаментальных исследований (проект № 13-05-96013 «Разработка комплексной технологии повышения энергоэффективности, обеспечения ресурсосбережения и промышленной безопасности в горнодобывающей промышленности») и Советом по грантам Президента Российской Федерации (проект № МД-7047.2015.5 «Разработка инновационной ресурсосберегающей системы мониторинга и управления вентиляцией горных предприятий, обеспечивающей безопасную и высокопроизводительную добычу полезных ископаемых в сложных горнотехнических условиях»).
Апробация работы
Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, ПНИПУ, 2010 и 2011 гг.), на краевой дистанционной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья — 2010» (Пермь, ПНИПУ, 2010 год), на всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2011 г.), на ежегодных научных сессиях ГИ УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов» (Пермь, ГИ УрО РАН, 2012 — 2015 гг.), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка»
(Москва, МЕТУ, 2012, 2013 и 2015 гг.), на международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2012 г.), на II международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2014 г.), на международной научно-практической конференции «Горная электромеханика — 2014: проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горно-шахтного оборудования» (Пермь, ПНИПУ, 2014 г.), на всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования (Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2015 г.) и на научно-технических советах рудников ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» в 2013, 2014 и 2015 годах.
Личный вклад автора
При непосредственном участии автора проведена постановка задач, разработка математических моделей, экспериментальные исследования в шахтных и лабораторных условиях, анализ и обработка полученных данных, теоретические исследования и создание программных продуктов, выполнение расчетов и проведение численных экспериментов, разработка научных решений и их практическая реализация, сформулированы основные научные положения и выводы.
Практические эксперименты и внедрение результатов исследований были бы невозможны без содействия директора ООО «НПО «АэроСфера» Бутакова СВ. и ведущих специалистов ОАО «ГМК «Норильский никель»: Кравченко А.В., Тарасова О.Н., Тетерина М.Е. и других.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н. Левину Л.Ю. за помощь в формировании научного направления диссертационной работы, д.т.н. Казакову Б.П. за ценные указания, к.т.н. Зайцеву А.В. за помощь в выполнении работы и Малькову П.С. за помощь в разработке и программной реализации алгоритмов. Успешной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе, поддержка и понимание членов семьи.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 13 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации, получено свидетельство о государственной
регистрации программы для ЭВМ № 2015610589 и подана заявка № 2014147769 на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 43 рисунка и 14 таблиц. Список использованных источников состоит из 145 наименований, в том числе 27 зарубежных.
Анализ методов расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях
В настоящее время для решения задач воздухораспределения экстремальные методы используются редко.
Помимо двух групп методов, описанных выше, существуют методы вычислительной динамики жидкости и газа, движение и теплообмен текучей среды в которых моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса [96], описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Данная группа методов предназначена для решения задач трехмерного моделирования движения потоков и требует высокой производительности вычислительной техники. Поэтому для моделирования вентиляционных сетей с большим количеством ветвей и вершин данные методы не подходят. В настоящее время программы, основанные на методах вычислительной динамики жидкости и газа, применяются для решения локальных задач, связанных с местными сопротивлениями [14, 15, 62], с задачами обогрева стволов [62] и проветривания тупиковых забоев [43, 45, 62, 64].
С ростом вычислительных мощностей компьютерной техники данные методы становятся более перспективными для расчета вентиляционных сетей. В работах Кобылкина С.С. [44, 49] описано применение методов вычислительной динамики жидкости и газа для моделирования воздухораспределения в простейших вентиляционных сетях рудников (шахт). В работе Харгривза Д. и Лаундеса И. [128] также представлен пример использования программно-вычислительного комплекса ANSYS CFX для расчета распределения потоков воздуха в шахтах и их участках.
В рудничной вентиляции широкое распространение получили алгебраические методы решения прямых задач воздухораспределения. Решение прямой задачи реализовано во множестве программных комплексов, таких как «Вентиляция шахт» [17] (ЗАО «Гипроуголь»), «Вентиляция» [91] (ООО «ИнформТБУголь»), Ventsim [141, 142] (Chasm Consulting, Австралия), VnetPC [143, 136] (Mine Ventilation Services, Inc, Соединенные Штаты Америки), VUMA [121, 134, 144] (Bluhm Burton Engineering Pty Ltd, Южно-Африканская Республика) и ряде других, которые используются для разработки технических решений по вентиляции горнодобывающих предприятий [56, 83, 135].
Недостатком прямых методов расчета является необходимость задания абсолютного значения аэродинамических сопротивлений, оперативное определение которых для всей сети выработок является трудоемким. Кроме того, результатом решения классической задачи воздухораспределения являются расходы воздуха во всех ветвях без возможности учета или фиксирования ряда известных значений.
В общем случае обратная задача воздухораспределения является математически некорректной по причине бесконечного множества возможных решений [72]. Однако практический интерес представляет другой вид обратной задачи, когда известными являются сопротивления ветвей вентиляционной сети, расходы воздуха в отдельных горных выработках, а неизвестными напоры источников тяги и множество расходов воздуха.
Решение данной задачи позволяет определить воздухораспределение во всех ветвях вентиляционной сети на основе расходов воздуха, замеренных в некоторых выработках. С практической точки зрения программная реализация алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения позволяет автоматизировать обработку данных воздушно-депрессионной съемки, за счет усреднения замеренных расходов воздуха и распределения их по всем ветвям разрабатываемой вентиляционной сети рудника (шахты). Кроме того, на основе алгоритма решения возможна разработка нового типа систем мониторинга параметров вентиляции, которые прогнозируют распределение воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха. Данная система мониторинга производит прогнозирование распределения расходов воздуха во всех выработках вентиляционной сети, на основании актуальной модели вентиляционной сети, содержащей сведения о сопротивлениях горных выработок, и показаний измерений отдельных датчиков расходов воздуха.
Аналогичные, так называемые неклассические и обратные задачи потокораспределения известны в теории гидравлических цепей. В частности, в фундаментальном труде Меренкова А.П. и Хасилева В.Я. [72] представлено решение задачи о «математическом расходомере» [73, 74, 76] с целью определения расходов Qt и коэффициентов сопротивления ветвей Si в гидравлической системе с известной топологией, данными манометрической съемки и показателем расходомеров, в некоторых ветвях. По данным манометрической съемки определяются давления PJ в вершинах _/ , на основании которых определеются перепады давления Щ на участках трубопроводной системы і. В данной задаче требуется по серии из М частичных решений Н[, Щ задачи потокораспределения, определить вектор расходов Q, относящийся к одному из режимов, взятому за базисный, а следовательно и вектор коэффициентов сопротивлений s. Модель потокораспределения в трубопроводной системе, основанная на законах Кирхгофа (1.1) — (1-2), представлена в матричном виде:
С каждой новой замеренной величиной перепадов давления на участке Щ связан неизвестный расход QI. Таким образом система (1.4) — (1.5) остается недоопределенной для любого из режимов. При этом замыкающие соотношения позволяют по известным перепадам давления на участках системы Hj, Щ получить коэффициенты к\, связывающих величины любых двух неизвестных расходов Qi и QI. Кроме системы (1.4) — (1.5) существуют другие режимы:
Программная реализация алгоритма распределения расходов
Реализованный в аналитическом комплексе «АэроСеть» алгоритм решения обратной задачи воздухораспределения позволяет решить ряд задач: - упрощение обработки данных воздушно-депрессионной съемки, за счет автоматического усреднения замеренных расходов воздуха и распределения их по всем ветвям разрабатываемой вентиляционной сети. - разработка нового типа систем мониторинга параметров вентиляции, которые прогнозируют распределения воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха.
Верификация алгоритма прогнозирования распределения воздуха на основе данных инструментальных измерений в рудниках
Выполнена верификация алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения. Для этого произведено сравнение результатов распределения расходов воздуха на основе инструментальных измерений по всем ветвям вентиляционной сети шахты «Маяк» рудника «Комсомольский» ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель», произведенные алгоритмом и в ходе ручной обработки данных воздушной съемки.
Для проведения данного эксперимента разработана математическая модель вентиляционной сети шахты «Маяк», соответствующая актуальному состоянию развития горных работ, которая представлена на рисунке 10. Приведенная на рисунке модель вентиляционной сети полностью соответствует топологии шахты «Маяк», которая проветривается по следующей схеме. Свежий воздух подается в рабочие зоны по клетевому стволу (КС) и скиповому стволу (СС), расположенным в центральной части шахтного поля, за счет общешахтной депрессии. Далее он поступает на горизонты - 110 м, - 140 м, - 175 м, - 245 м, перераспределяется по отдельным участкам шахтного поля и выдается на поверхность по закладочному стволу (ЗС) и вентиляционному стволу № 8 (ВС-8), расположенным на флангах, за счет действия главных вентиляторных установок типа ВЦД-31,5. Для обеспечения северо-восточного участка необходимым количеством воздуха используется транспортный уклон (ТУ), перераспределяющий воздух с горизонта - 175 м на горизонт - 245 м.
Ветви разработанной вентиляционной сети соответствуют выработкам шахты и содержат информацию о проектной длине, периметре, площади поперечного сечения, установленных в них вентиляционных сооружениях и типе крепления. Каждому типу крепления выработки соответствует определенный коэффициент шероховатости. На основе этих данных по следующей формуле определяется аэродинамические сопротивления ветвей
На основе аэродинамических сопротивлений ветвей и замеренных в некоторых выработках значений расходов воздуха при помощи алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения произведен расчет распределения расходов воздуха во всех выработках вентиляционной сети. Также произведена ручная обработка данных воздушной съемки и произведено распределение расходов во всех выработках разработанной вентиляционной сети шахты «Маяк» на основе данных инструментальных замеров расходов воздуха.
На рисунке 11 представлена принципиальная схема движения воздуха по горизонтам и участкам шахты «Маяк», на которой произведено сравнение результатов, полученных при помощи алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения и в ходе ручной обработки данных воздушной съемки
В связи с тем, что скорость движения воздуха в каналах главных вентиляторных установок постоянна по значению, а площадь поперечного сечения канала имеет прямоугольную форму, расходы воздуха в каналах (1, 2) измерены с высокой достоверностью. Поэтому при расчете распределения расхода воздуха разработанным алгоритмом замеры, произведенные в вентиляционных каналах, не изменялись при увязке балансов замеренных расходов воздуха по первому закону Кирхгофа. Также в ходе проведения воздушно-депрессионной съемки поверхностные утечки через надшахтные здания вентиляционных стволов (3, 4) определены с высокой точностью. Кроме того, при усреднении расходов воздуха на замерных станциях их направления сохранялись.
Результаты распределения расходов воздуха на основе инструментальных измерений по всем ветвям вентиляционной сети шахты «Маяк», произведенные алгоритмом решения обратной задачи воздухораспределения и в ходе ручной обработки данных воздушной съемки сведены в таблицу использование математических методов прогноза распределения воздуха в сети горных выработок при обработке данных воздушной съемки позволяет на основе инструментальных замеров расходов воздуха в некоторых выработках определить воздухораспределение во всех ветвях вентиляционной сети вне зависимости от сложности ее топологии и общего количества ветвей; - верифицирован алгоритм решения обратной задачи воздухораспределения, который позволяет разработать новый тип систем мониторинга параметров вентиляции, которые прогнозируют распределения воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха
По данной причине необходимо на основе алгоритма решения обратной задачи, описанного в разделе 2, разработать систему мониторинга параметров вентиляции рудника (шахты), устраняющую указанные недостатки. Данная система мониторинга является основой системы аэрогазодинамической безопасности, которая позволит повысить качество подготовки оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий при помощи вспомогательных аналитических инструментов, описанных в разделе 4.
Разработка системы мониторинга вентиляции на физической модели рудника (испытательном аэродинамическом стенде)
Ошибка определения расходов воздуха є в данном испытании системы мониторинга составляет 1,33 %. Эксперимент показывает, что если имеется достаточное количество датчиков скорости движения воздуха, то система мониторинга параметров вентиляции корректно определяет расходы воздуха как в диагональных соединениях, так и во всех выработках вентиляционной сети при изменении их аэродинамических сопротивлений.
Последние испытание системы мониторинга проведено при минимальном количестве работающих датчиков. Показания для системы мониторинга передает только один датчик (Д2), которым оснащена главная вентиляторная установка физической модели. При проведении испытания рециркуляционные вентиляторные установки (ВУ1 и ВУ2) отключены, все вентиляционные клапаны открыты, кроме регулятора (Р8), отвечающего за внешние утечки. Показания датчиков и результаты расчета воздухораспределения системой мониторинга приведены в таблице 11. 4!
Из сравнения показаний датчиков и модельных расходов воздуха во всех выработках, определенных системой мониторинга, можно сделать вывод о том, что даже при минимальном количестве датчиков скорости движения воздуха система мониторинга рассчитывает воздухораспределение с достаточной точностью. Ошибка определения расходов воздуха є в ходе испытания составляет 3,7 %. Следует учитывать, что при отличии фактического аэродинамического сопротивления выработок от сопротивлений, занесенных в модель вентиляционной сети, система мониторинга будет давать некорректные результаты.
Таким образом, разработанная система мониторинга позволяет при минимальном количестве датчиков определять воздухораспределение во всей вентиляционной сети рудника (шахты). На основе второго и пятого эксперимента можно сделать вывод о том, что при уменьшении количества датчиков скорости движения воздуха необходимо соблюдать подобие аэродинамических сопротивлений ветвей, разрабатываемой модели вентиляционной сети. Для построения подобной системы мониторинга на руднике (шахте), требуется проводить воздушно-депрессионную съемку для определения аэродинамических сопротивлений выработок и разрабатывать корректную модель вентиляционной сети.
Ошибку определения сопротивлений можно скомпенсировать за счет правильной расстановки датчиков расхода воздуха. Для этого необходимо проводить анализ с целью определения минимального количества датчиков. Количество датчиков должно определяться исходя из возможности поддерживать сведения об аэродинамическом сопротивлении горных выработок в актуальном состоянии, количества вентиляторных установок и выработок, с меняющимся сопротивлением (оборудованных перемычками с воротами). При этом датчики следует устанавливать в местах расположения замерных станций на руднике (шахте), двигаясь в направлении от главных вентиляторных установок к рабочим зонам, согласно принципам суммирования расчета требуемого количества воздуха.
В результате проведенных исследований, направленных на разработку системы мониторинга вентиляционных режимов шахт и рудников, можно сделать следующие выводы: - с помощью модели вентиляционной сети рудника и алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения можно создать систему аэрогазодинамической безопасности, отличительной особенностью которой является определение расходов воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха; - спроектирован и изготовлен испытательный аэродинамический стенд, представляющий собой физическую модель рудника (шахты) с двумя горизонтами, который позволяет проводить натурное моделирование режимов вентиляции; - использование решения обратной задачи воздухораспределения на модели вентиляционной сети в основе системы мониторинга вентиляционных параметров, позволяет с достаточной на практике точностью дополнять показания датчиков скорости движения воздуха и прогнозировать распределение воздуха во всех ветвях вентиляционной сети, в том числе и при снижении количества датчиков; - на основании лабораторных испытаний установлено, что система аэрогазодинамической безопасности, реализованная на испытательном аэродинамическом стенде, является работоспособной при работе в различных вентиляционных режимах и уменьшении числа работающих датчиков. Анализ многочисленных и разнообразных по характеру аварий на рудниках позволяет сделать вывод о том, что пожары являются одним из самых опасных и распространенных видов аварий [51]. Изучение планов ликвидации аварий на горных предприятиях ОАО «ГМК «Норильский никель», ПАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми» и других организаций показало, что около 90 % позиций плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий связаны именно с пожарами. Кроме того, этот вид аварий имеет очень сложное взаимодействие с вентиляционной сетью рудника (шахты). Поэтому разработка средств прогнозирования газораспределения в горных выработках и аналитических инструментов для подготовки оперативных мероприятий в аварийных режимах имеет высокую актуальность.
Подробное изучение проблем, возникающих при задействовании планов ликвидации аварий показало, что для увеличения эффективности анализа вентиляционных режимов и возможных действий при авариях требуется разработать вспомогательные аналитические инструменты и решить следующие задачи: - разработать способ определения и визуализации на схеме рудника (шахты) зон задымления при авариях; - создать алгоритм поиска опасных позиций для выбранной выработки; - разработать метод расчета и визуализации распределения газов по сети горных выработок с течением времени; - создать алгоритм автоматического прокладывания пути выхода с места аварии с учетом топологии сети и распространения продуктов горения. Разработанные методы расчета распространения воздуха, газа и теплоты в сети горных выработок, представленные в разделе 4.1, позволяют проектировать и реализовывать новые программные средства прогнозирования газораспределения и разработки оперативных мероприятий в аварийных режимах, которые являются частью системы аэрогазодинамической безопасности.
Подготовка оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий
Для решения указанных проблем при построении систем аэрогазодинамической безопасности на рудниках разработана автоматическая замерная станция — стационарный аппарат, позволяющий осуществлять замеры расходов воздуха, а также концентраций горючих и токсичных газов в непрерывном автоматическом режиме, передавая эту информацию для дальнейшей обработки системой аэрогазодинамической безопасности в информационную сеть рудника (шахты) и дублируя ее в локальном запоминающем устройстве. На рисунке 37 приведен общий вид автоматической замерной станции.
Автоматическая замерная станция предназначена для автоматизации работы сотрудников вентиляционных служб шахт и рудников в части проведения обязательных периодических воздушных съемок, которые согласно требованиям пункта 193 «Правил безопасности...» [109], должны производиться ежемесячно, а также при каждом значительном изменении режимов проветривания. Правила безопасности при этом требуют проведения съемок в специально оборудованных стационарных пунктах — замерных станциях.
Разработанная автоматическая замерная станция выполняет следующие функции: - отображение информации на дисплее (расход воздуха в горной выработке, текущая концентрации метана, текущие концентрации токсичных газов, площадь сечения горной выработки и расчетное количество воздуха); - прием и передача информации в информационную сеть рудника; - обеспечение бесперебойной работы, в том числе и передачи информации на поверхность в случае отключения напряжения на подстанции.
Для реализации данного функционала конструкция автоматической замерной станции включает следующее оборудование: промышленный контроллер, аппаратура связи (модемы, коммутаторы), измерители скорости воздушного потока и подключаемые при необходимости измерители концентрации газов (метан, сероводород, угарный газ, сернистый газ и другие), графический дисплей, защитная аппаратура (автоматические выключатели, блоки контроля изоляции, предохранители и другие), источник бесперебойного питания.
Конструкция автоматической замерной станции В разработанной автоматической замерной станции предусмотрено отображение направления потока воздуха и оперативное информирование об отказе датчиков. Период обновления показаний расходов воздуха составляет не более 120 секунд.
Корпуса автоматических замерных станций, устанавливаемые на исходящей струе, имеют исполнение РВ (Exd I). В остальных случаях — РН. Оболочки крепятся через раму-каркас к горной выработке. Для подключения датчиков используются искробезопасные цепи.
Напряжение питания автоматической замерной станции составляет 380 В. Чтобы обеспечивать сбор и передачу данных при отключении электропитания на время не менее 120 мин предусмотрен ручной байпас встроенного источника бесперебойного питания. Кроме того, предусмотрена световая индикация наличия напряжения и аварии.
В составе автоматической замерной станции применены промышленные контроллеры Siemens серии S7-1200, датчики расхода воздуха СДСВ-01. При установке автоматической замерной станции на исходящей вентиляционной струе, к ней подключаются датчики контроля концентрации метана, а также светозвуковая сигнализация о ее превышении.
Автоматическая замерная станция соответствует требованиям ГОСТ Р 51330.1-99 (МЭК 60079-1-98) [26], ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) [25], предъявляемым взрывозащищенному электрооборудованию. Средства измерения, входящие в состав автоматической замерной станции, внесены в Госреестр СИ РФ.
Таким образом, разработанная автоматическая замерная станция является техническим обеспечением построения систем аэрогазодинамической безопасности горных предприятий. Данное оборудование имеет следующие преимущества перед промышленными аналогами: - повышение безопасности ведения горных работ за счет непрерывного круглосуточного контроля состояния параметров рудничной атмосферы в местах установки замерных станций; - высвобождение трудовых ресурсов сотрудников пылевентиляционных служб рудника (шахты) за счет полной автоматизации процесса проведения воздушной и газовой съемки; - осуществление полноценного мониторинга количественно-качественных параметров рудничной атмосферы при возникновении и ликвидации аварийных ситуаций, что позволяет оптимальным образом осуществлять мероприятия по выводу людей и ликвидации последствий аварии; - возможность использования в качестве инструмента раннего предупреждения при возникновении аварийных ситуаций или их предвестников. Для построения систем аэрогазодинамической безопасности горных предприятий необходимо определить количество автоматических замерных станций таким образом, чтобы обеспечить устойчивые показания расходов воздуха в руднике с точностью, определенной проектом. С этой целью требуется разработать методику определения количества и мест установки автоматических замерных станций.
При выборе необходимого количества датчиков и мест их размещения требуется руководствоваться следующим принципом — количество датчиков должно быть минимальным при обеспечении прогнозирования воздухораспределения во всех выработках рудника с заданной степенью точности. Указанный принцип позволяет обеспечить функциональность и надежность определения расходов воздуха при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах на построение и работу системы в целом.