РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКОВ СО СЛОЖНЫМИ СИСТЕМАМИ ВЕНТИЛЯЦИИ

  • С.В. МАЛЬЦЕВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Удаление фронта ведения горных работ и увеличение требуемого количества воздуха для проветривания рудников обычно приводит к необходимости замены глав- ной вентиляторной установки (ГВУ). В случаях, когда напора одной ГВУ становится 277 ----------------------- Page 278----------------------- недостаточно для проветривания удаленных участков рудника, появляется необходи- мость введения в работу дополнительных главных вентиляторных установок. При про- ектировании вентиляции рудников можно выделить класс рудников со сложными сис- темами вентиляции, которые характеризуются наличием двух и более главных венти- ляторных установок, расположенных на разных стволах и имеющих обособленные зо- ны влияния. В условиях рудников такого типа необходимо учитывать взаимное влия- ние ГВУ и настраивать режимы их работы таким образом, чтобы каждая из них работа- ла максимально эффективно на участки вентиляционной сети и не создавала помех для работы других главных вентиляторных установок. Вопросом регулирования воздухораспределения в вентиляционных сетях зани- мались Скочинский А.А., Медведев И.И., Абрамов Ф.А., Красноштейн А.Е., Мохирев Н.Н., Пучков Л.А., Цой С.В., M.J. McPherson, H. Cross и другие. Анализ литературных источников [1,2,3,4] и программных продуктов [5,6] показывает, что задача определе- ния эффективных параметров работы ГВУ при проектировании вентиляции рудников решена преимущественно для условий проветривания одной ГВУ. Вопросы же оптими- зации рабочих параметров нескольких главных вентиляторных установок, определения влияния каждой ГВУ на эффективность проветривания не рассматриваются. Повышения эффективности проветривания рудников со сложными системами вентиляции можно достигнуть за счет: - разработки детализированных моделей вентиляционных сетей (учет «старе- ния» горных выработок при эксплуатации); - определения зон влияния главных вентиляторных установок. В основу разработки детализированных моделей вентиляционных сетей поло- жено определение фактических аэродинамических сопротивлений всех горных вырабо- ток рудника. При проведении экспериментальных исследований можно выделить уча- стки вентиляционной сети определение аэродинамических сопротивлений которых вы- зывает наибольшие затруднения. К таким участкам относятся: - шахтные стволы на глубоких рудниках; - зоны выработанных пространств; - подсечные горизонты. Основная часть потери давления (до 70 %) приходится на шахтные стволы, по- этому от точности определения их аэродинамических сопротивлений зависит коррект- ность модели вентиляционной сети и в дальнейшем точность определения рабочей точ- ки главной вентиляторной установки. В шахтных стволах потеря давления происходит в результате преодоления воздушным потоком препятствий в виде расстрелов, лест- ничного и трубного отделений, а также под действием трения о крепь ствола. Много- образие вариантов комбинаций армирования и крепления стволов не позволяет с необ- ходимой точностью классифицировать стволы по величинам аэродинамических сопро- тивлений, поэтому они должны определяться индивидуально на основании натурных исследований [7]. При определении аэродинамического сопротивления шахтных стволов необхо- димо выделить участок ствола, на котором проводить экспериментальные измерения, определить количество замеров в пределах ствола, а также факторы влияющие на изме- ряемые величины. В работах [8,9] подробно приведено решение этих задач. Следующими участками, определение аэродинамических сопротивлений кото- рых вызывает затруднения, являются зоны выработанных пространств и подсечные го- ризонты. В условиях перечисленных участков проведение экспериментальных замеров представляется трудноосуществимым. Это связано в первую очередь с наличием выра- боток, находящихся в аварийном состоянии. Кроме того, существенное влияние на проведение замеров оказывает активное движение техники и наличие выработок со 278 ----------------------- Page 279----------------------- слабо выраженным движением воздушных потоков. В совокупности не учет этих фак- торов приводит к разработке искаженной модели. В дальнейшем это отразится на раз- работке технических решений при проектировании новых участков. Для решения задачи разработки детализированной модели вентиляционной сети разработан алгоритм автоматизированной обработки данных воздушно-депрессионной съемки. Принципиальная схема работы алгоритма приведена на рисунке 1. Рис. 1. Принципиальная схема работы алгоритма автоматизированной обработки данных воздушно-депрессионной съемки На первом этапе вносятся исходные данные в топологию вентиляционной сети: проектные (длины, сечения, коэффициенты аэродинамического сопротивления) и заме- ренные значения (расходы воздуха, давления). Второй этап характеризуется разделени- ем вентиляционной сети на подсети. Далее производится расчет стационарного возду- хораспределения в каждой подсети. После этого распределяется невязка расходов меж- ду подсетями и производится корректировка балансов расходов воздуха. На следую- щем этапе узлы с замеренными значениями давлений объединяются в одно множество замеренных узлов, а узлы, в которых отсутствуют значения в другое множество кор- ректируемых узлов. Далее в множестве корректируемых узлов пересчитываются давле- ния. В завершении на основании увязанных давлений и расходов воздуха производится расчет фактических аэродинамических сопротивлений всех горных выработок в венти- ляционной сети. Разработанный алгоритм реализован в АК «АэроСеть» [10] верифицирован на моделях вентиляционных сетей рудников ПАО ЗФ «ГМК «Норильский Никель», обла- дающих всеми элементами сложной системы вентиляции. В целях дальнейшего повышения эффективности проветривания рудников со сложными вентиляционными системами необходимо определить зоны влияния глав- ных вентиляторных установок. В дальнейшем наличие информации о зонах влияния ГВУ позволит подобрать энергоэффективный режим проветривания каждой из главных вентиляторных установок. 279 ----------------------- Page 280----------------------- Для определения степени влияния главных вентиляторных установок на провет- ривание участков вентиляционной сети рудников вводится матрица влияния I: ΔQjm Ijm = , (1) ΔQm где ΔQj m - изменение (отклик) количества воздуха в j-той выработке при малой ва- риации производительности m-ой ГВУ; ΔQm - вариация производительности m-ой ГВУ. Другими словами, матрица влияния характеризует, как производительность m- ой ГВУ влияет на величину расхода воздуха в каждой j-той выработке. ΔQ =Q -Q∗ , (2) j m jo jm где Qj o - расход воздуха в j-той выработке до изменения производительности m-ой главной вентиляторной установки; Q∗ - расход воздуха в j-той выработке после из- j m менения производительности m-ой главной вентиляторной установки. Расход воздуха в j-ой выработке является функцией производительностей всех источников тяги. Q =Q (QГВУ ,...,QГВУ ) , (3) j j 1 M где M - число всех ГВУ. Исходя из этого, формулу (1) можно интерпретировать как частную производную этой функции по расходам воздуха через ГВУ. ∂Q Q ⋅QГВУ -Q ⋅(QГВУ +ΔQ ) j j m j m m . ∼ (4) ∂Qm ΔQm В дальнейшем матрица влияния I используется для определения степени влия- ния каждой главной вентиляторной установки на сеть горных выработок. Для оптимизации режимов работы нескольких главных вентиляторных ус- тановок в вентиляционных сетях рудников выведена система уравнений позво- ляющая одновременно регулировать параметры работы ГВУ и вентиляционных сооружений. Подбор параметров главных вентиляторных установок и вентиляци- онных сооружений производится по критерию минимизации суммарной потреб- ляемой мощности. Δn =С⋅(k ⋅I ⋅ΔQ ) -F ⋅min ΔS ⎧⎪ m эфф.m jm j j j ⎨ , (5) ΔS =D ⋅k ⋅I ⋅ΔQ ⎪⎩ n эфф.n jn j где C, D, F - эмпирические параметры регулирования; n - частота вращения рабоче- m го колеса m-й главной вентиляторной установки; kэфф.m(n) - коэффициент, характери- зующий эффективность регулирования воздухораспределения частотой вращения ра- бочего колеса одной из ГВУ с наименьшей потребляемой мощностью (с помощью вен- тиляционных сооружений); I - матрица влияния, характеризующая влияние про- jm (jn) изводительности m-той ГВУ (n-ого вентиляционного сооружения) на величину расхода воздуха в каждой j- той выработке; ΔQ - ошибка управления расходами (отклонение j фактических расходов от требуемых). Разработанные и представленные в статье способы повышения эффективности проветривания рудников со сложными системами вентиляции (разработка детализиро- ванных моделей вентиляционных сетей, оптимизация режимов работы главных венти- ляторных установок) позволяют учитывать взаимное влияние ГВУ и настраивать ре- жимы их работы таким образом, чтобы каждая из них работала максимально эффек- тивно на участки вентиляционной сети и не создавала помех для работы других глав- ных вентиляторных установок.

Литература

  1. Пучков Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт / Л.А. Пучков, Л.А. Бахвалов. - М.: Недра, 1992. - 399 с.: ил.
  2. Осинцева А.В. Оптимизация размещения регуляторов воздухораспределения в вентиляционной сети подземного рудника на основе анализа взаимосвязи параметров сети и применения генетического алгоритма: дис. … канд. техн. наук: 25.00.20 / Осинцева Анастасия Викторовна. - Апатиты, 2011. - 129 с.
  3. Казаков Б.П. Повышение эффективности ресурсосберегающих систем вентиляции для подземных рудников / Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин, А.В. Шалимов // Горн. журн. - 2014. - № 5. - С. 26-28.
  4. Круглов Ю.В. Математическое моделирование работы оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников / Круглов Ю.В., Семин М.А., Зайцев А.В. // Изв. ТулГУ. Науки и Земле. - 2011. - № 2. - С. 116-126.
  5. Гипроуголь - Вентиляция шахт [Офиц. сайт]. URL: http://www.giprougol.ru/technologies/software/ventsh (дата обращения: 6.05.2016).
  6. VumaSoftware [Офиц. сайт]. URL: http://www.vuma.co.za (дата обращения: 29.02.2016).
  7. Мальцев С.В. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по определению аэродинамических сопротивлений стволов глубоких рудников / С.В. Мальцев, Б.П. Казаков // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования: материалы конф. - 2015. - Т. 1. - С. 271-278.
  8. Казаков Б.П. Обоснование участков измерения аэродинамических параметров воздушного потока при определении аэродинамического сопротивления стволов / Казаков Б.П., Мальцев С.В., Семин М.А. // Горн. информ.-аналит. бюл: «Промышленная безопасность минерально-сырьевого комплекса в XXI веке». - 2015. - отд. вып. 7. - С. 69-75.
  9. Мальцев С.В. Исследование факторов, влияющих на измерение аэродинамического сопротивления стволов глубоких рудников // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. Вып. 12 / ГИ УрО РАН. - Пермь, 2014. - С. 269-271.
  10. Аналитический комплекс «АэроСеть»: программа для ЭВМ: свидетельство о гос. регистрации № 2015610589 / Зайцев А.В., Казаков Б.П., Кашников А.В., Кормщиков Д.С., Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Мальков П.С., Шалимов А.В.; заявитель и правообладатель ГИ УрО РАН - № 2014613790; заявл. 24.04.2014; зарегистрировано 14.01.2015; опубл. 20.02.2015. - 1 с.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи