К решению сетевой задачи оптимального воздухораспределения в подземных горных выработках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 624.191.94

К РЕШЕНИЮ СЕТЕВОЙ ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Станислав Александрович Павлов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, тел. (383)217-03-51, e-mail: pavlov_s_a@inbox.ru

Для вентиляционной сети разработан алгоритм определения диапазона аэродинамических параметров стационарных регулирующих устройств и требования к вентиляционному оборудованию при частичном или полном завале действующих вентиляционных выработок.

Ключевые слова: вентиляция, воздухораспределение, вентиляционная сеть, подземные выработки, рудник, шахта.

SOLUTION OF NETWORK PROBLEM ON OPTIMAL AIR DISTRIBUTION IN UNDERGROUND EXCAVATIONS

Stanislav A. Pavlov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, tel. (383)217-03-51, e-mail: pavlov_s_a@inbox.ru

The author has developed an algorithm to define the range of aerodynamic parameters of stationary governor devices within ventilation network and worked out standards for ventilation equipment in case of partial or complete fall of roof in air courses.

Key words: ventilation, airdistribution, ventilation network, underground excavations, mine, coal mine.

Увеличение протяженности подземных выработок, объемов добычи полезного ископаемого и вызванное им увеличение потребности рабочих зон в свежем воздухе делают управление воздушными потоками в вентиляционных сетях крупных горнодобывающих предприятий исключительно сложной задачей. Эффективному решению задач вентиляции в современных подземных горнодобывающих предприятиях способствует развитие и применение средств промышленной автоматизации, вычислительной техники и методов математического моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в сети подземных выработок [1].

Обеспечение безопасности ведения горных работ является наиглавнейшим требованием и включает в себя быструю реакцию системы управления на изменение параметров проветривания (при повышении концентрации токсичных и горючих газов, снижении количества свежего воздуха на участках вентиляционной сети и др.) и автоматический перевод ее в режим, позволяющий привести параметры системы вентиляции к допустимымнормам.

Для оптимального управления проветриванием и решения обратной задачи необходимо разработать матмодель нестационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях, учитывающую модели средств отрицательного регулирования. Вентиляционные сети подземных горных предприятий являются индивидуальными, и разработка оптимальной системы автоматического управления проветриванием требует решения целого комплекса задач, связанных с оптимальным выбором мест установки и типов регуляторов расходов воздуха, заданием способа регулирования производительности главных и вспомогательных вентагрегатов, определением динамических параметров вентиляционной сети, моделированием поведения системы в аварийных ситуациях и др. Нестационарная математическая модель воздухораспределения необходима и при решении обратной задачи, когда по известному (или заданному) расходу воздуха в одной выработке определяются аэродинамические параметры завала (или регулирующего устройства) в другой.

В настоящей статье будет рассмотрена матмодель нестационарного воздухораспределения, при помощи которой определяются аэродинамические пара-метрыперекрытия проходного сечения выработки завалом или средств отрицательного регулирования в упрощенной вентиляционной сети.

В работах [2-4] предложены способы моделирования переходных процессов в вентиляционных выработках, учитывая их акустические параметры (1). На основании указанной системы уравнений в среде МаШ1аЬ был разработан решающий блок (рис. 1) из которых собирается вся исследуемая вентиляционная сеть.

(1)

ра2'

где Я - аэродинамическое сопротивление выработки; ^вх и Qвых - расход воздуха на входе и на выходе решающего блока; Рвх и Рвых - давление на входе и выходе решающего блока; Ь и С описывают инерционные параметры воздушного потока и являются его акустической массой и акустической гибкостью, соответственно; р - плотность воздуха;/ - длина исследуемого участка; 5 - площадь поперечного сечения; а - скорость звука в воздушной среде.

Рассмотрим вариант алгоритма регулирования расхода воздуха в выработке 2 (рис. 2). В выработке 3 установлено устройство отрицательного регулирования (автоматическая вентиляционная дверь). На входе в сеть установлен «идеальный» вентилятор, создающий постоянное давление 500 Па. Аэродинамические сопротивления взяты для протяженных вентиляционных штреков, длиной 1000 метров каждый. Критерий регулирования настроен таким образом,

"3

чтобы пропускать через выработку 2 расход воздуха равный или больше 6 м/с.

-► р р 1 вх 1 вых —► рр рвх рвых —► рр рвх рвых —►

1 2 3

ч— бвых бвх <— бвых бвх <— бвЫХ бвх <-

вх^ Rx\Qв,,х!*Qв,

1/ь

X

X

бв

я

\Qbux!

I I

X

1/С

ч>

бв

Q

Рис. 1. Схема решающего блока в среде Matlab

Рис. 2. Схема исследуемой вентиляционной сети

и график расхода воздуха в ней:

1 - в воздухоподающей выработке; 2 - в исследуемой параллельной выработке; 3 - в выработке, с установленным регулятором

Для решения в систему уравнений (1) добавляется еще одно, следующего вида:

я,

Д, =

Полученная система уравнений позволяет рассчитать в вентиляционной сети диапазон аэродинамических параметров регулятора Я3 в зависимости от заданного расхода воздуха Q2. Чтобы проверить работу системы регулирования совместно с «идеальным» вентилятором установлен генератор случайных чи-

сел, через каждые 100 с вносящий хаотичные возмущения в воздухоподающей выработке 1.

Параметры автоматических вентиляционных дверей и угол раскрытия створок определяются в зависимости от площади проходного сечения 5,:

0.0-612-^1

(2)

где & - коэффициент местного гидравлического сопротивления определяется по справочнику [5].

Для решения обратной задачи, при частичном завале выработки 3, зная расход воздуха через нее Q3, можно определить проходное сечение 5, и оценить масштабы аварии.

Алгоритм позволяет системе либо поддерживать равномерный баланс между параллельными выработками, либо поддерживать требуемый расход воздуха не ниже 6 м/с в исследуемой выработке 2. Колебания расхода воздуха в выработке с регулятором 3 связаны с тем, что один из датчиков регулятора (фиксирующий значения расхода воздух^^ получает данные из воздухопо-дающей выработки 1, где возникают хаотичные возмущения.

Рассмотрим вариант, когда в вентиляционной сети регулирование осуществляется по двум взаимосвязанным контурам. На входе в исследуемую сеть установлен «идеальный» вентилятор, создающий постоянное давление 300 Па. Аэродинамические сопротивления взяты для вентиляционных штреков, длина 1 и 2 выработки (рис. 3) составляет 1000 метров, выработки 3, 4 и 5 - по 500 метров каждый.В выработках 2 и 3 установлены устройства отрицательного регулирования. Критерий регулирования настроен таким образом, чтобы пропускать через выработку 4 расход воздуха равный или больше 6 м/с.

300 Па

©О

Л

2

-> I

3

4 0 5(10 600 700 800 900 1000

Время, с

1

4

5

Рис. 3. Схема исследуемой вентиляционной сети

и график расхода воздуха в ней:

1 - в воздухоподающей выработке; 2, 3 - в выработке, с установленным регулятором; 4 - в исследуемой параллельной выработке; 5 -в воздухоподающей выработке второго контура

Для решения в систему уравнений (1) добавляется еще два, следующего

вида

Полученная система уравнений позволяет рассчитать в вентиляционной сети диапазоны аэродинамических параметров регуляторов^2иК3в зависимости от заданного расхода воздуха Q4.

Алгоритм так же, как и описанные выше, обеспечивает баланс между параллельными выработками и не позволяет в исследуемой выработке 4 снизится требуемому расходу воздуха ниже 6 м/с. Исключение составляет случай выключения вентилятора или включения его в реверсивный режим. Подобное иллюстрируется на графике (рис. 3), когда на 400-ой секунде генератор случайных числе провоцирует кратковременный реверс «идеального» вентилятора.

Дополнительный контур регулирования накладывает определенные условия на работу алгоритма. В него добавляется требование, что в выработке 5 должно проходить на 10% больше количества требуемого воздуха в исследуемой выработке 4. Эти 10% воздуха направляются в выработку с регулятором 3, для предотвращения застойных зон.

Решение обратной задачи происходит таким же способом, описанным в предыдущем примере. Зная расход воздуха в выработке 4, можно оценить степень перекрытия сечений в случае завала выработок 2 и 3.

Заключение

Разработана матмодель нестационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях, учитывающая модели средств отрицательного регулирования. На ее основе предложен алгоритм определения аэродинамических параметров автоматических вентиляционных дверей.При аварийной ситуации предложенный алгоритм позволяет оценить уровень завалов рассматриваемых выработок и связанное с ними изменение расходов воздуха по всем выработкам горного предприятия в зависимости от времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Круглов Ю.В. Разработка системы автоматического управления проветриванием рудника на основе алгоритма оптимизации воздухораспределения / Круглов Ю.В., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: тр. конф. / ИГД СО РАН. - Новосибирск, 2007. - Т. II. - С. 247 - 252.

2. Петров Н.Н. Электронная модель системы автоматического управления проветривания шахт / Н.Н. Петров, П.Н. Ермолаев, П.Т. Пономарев // Автоматическое управление в горном деле. - Новосибирск: Б.И.,1971, с.89 - 93

3. Петров Н.Н. Методы синтеза систем автоматического регулирования вентиляторов главного проветривания шахт / Н.Н. Петров, П.Н. Ермолаев // Автоматическое управление в горном деле. - Новосибирск: Б.И.,1971, с.23 - 49

4. Лапко В.В. Математическая модель переходных аэродинамических процессов в вентиляционных сетях с сосредоточенными и распределенными параметрами / В.В. Лапко, О.Ю. Чередникова // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Серiя "Проблеми моделювання та автоматизацп проектування" (МАП-2008). Ви-пуск 7(150): - Донецьк: ДонНТУ. - 2008. - 290 с.

5. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.: ил.

© С. А. Павлов, 2016