CC BY
39
© Н.Б. Калинин, М.Н. Калинина, 2003
YAK 622.46.001.57
Н.Б. Калинин, М.Н. Калинина
К ВОПРОСY О ФОРМИРОВАНИИ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ПРОГРАММНОМY АВАРИЙНО-ВЕНТИЛЯЦИОННОМY КОМПЛЕКСY (АЛЯ МОНИТОРИНГА, ТЕКШЕГО И ПЕРСПЕКТИВНОГО МОАЕЛИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ШАХТ)
Необходимость и действенность мониторинга и моделирования (как текущего, так и предварительного) сложных разветвленных технологических сетей шахт (вентиляционных, дегазационных, пожарнооросительных, водоотливных) на сегодняшний день не только не вызывает сомнений, но и неоднократно подтверждены практикой.
Однако, существующие программные продукты, призванные облегчить труд руководителей горноспасательных работ, шахтных специалистов и проектировщиков разобщены, во многом повторяют друг друга, требуют значительных время затрат на подготовку исходной информации и не полностью соответствуют требованиям сегодняшнего пользователя.
Вышеописанная ситуация объективно сложилась в результате отсутствия (особенно в начале 90-х годов) консолидирующей и направляющей силы, способной обеспечить не только грамотную поста -новку и реализацию задач, но и организационную часть проекта. Наиболее заинтересованной стороной в создании унифицированного программного аварийно-
вентиляци-онного комплекса
(ПАВК) является горноспасатели. Отрадно отметить, что в последние несколько лет именно Центральный Штаб ВГСЧ России (усилиями, в первую очередь, Руденко Ю.Ф.), на базе РосНИИГД, ИГД им. Скочин-ского, ВГСЧ Кузнецкого и Печорского бассейнов инициировали разработку и координацию усилий в этом направлении.
В настоящий момент возникла необходимость в формировании рациональных требований к ПАВК. На основании сравнительного анализа многочисленных ныне действующих программных продуктов авторы статьи, специалисты дис-
петчерской службы (ДС) ОВГСО Печорского бассейна и Воркутин-ского горного института в сотрудничестве с научными работниками РосНИИГД (д.т.н. Палеев Д.Ю., г. Кемерово), ИГД им. Скочинского (д.т.н. Романченко С.Б. г. Москва), ТОО «Депрессионная служба» (Удодов Д.Б. г. Караганда), специалистами ОАО «Воркутауголь» и шахт, проектировщиками Печор-НИИПроект в первом приближении сформулировали краткий перечень требований к ПАВК, представленных в данной статье.
При создании и дальнейшем совершенствовании ПАВК требуется комплексное решение по следующим направлениям:
1. Соответствие ПАВК действующим нормативным требованиям. В результате развития ПАВК неизбежно изменятся требования к составу и виду отчетной документации. Поэтому в процессе работы над ПАВК параллельно должна осуществляться подготовка обоснований для изменений требований нормативных документов.
2. Комплекс должен разрабатываться на основе единой сетевой модели шахты с возможностью графического и табличного представления данных. Сетевое представление, хранение и поддержание соответствия данных модели реальному положению в шахте должно обеспечиваться уполномоченными специалистами (пространственное расположение и характеристики горных выработок -маркшейдерский отдел, вентиляторы главного проветривания, вентиляционные сооружения, пожарно-ороси-тельный трубопровод, водоотливной трубопровод, дегазационные сети, план ликвидации аварии - участок ВТБ, электрические сети - отдел главного энергетика, сети сжатого воздуха - отдел главного механика и т.п.).
3. Комплекс должен одновременно удовлетворять требованиям организации (на основе сетевой модели шахты и инженерных сетей) нескольких разноплановых АРМ (автоматизированных рабочих мест):
• АРМ руководителя горноспасательных работ (АРМ РГСР).
• АРМ специалиста службы депрессионных съемок (АРМ СДС).
• АРМ начальника участка ВТБ шахты (АРМ нач.ВТБ).
• АРМ заместителя начальника участка ВТБ шахты по дегазации (АРМ зам. Нач.ВТБ по дегазации).
• АРМ помощника начальника участка ВТБ шахты по противопожарной защите (АРМ пом.нач.ВТБ по ППЗ).
• АРМ специалиста -
разработчика плана ликвидации аварии (АРМ ПЛА).
• АРМ горного диспетчера -начальника смены по оперативному вводу в действие плана ликвидации аварии.
• АРМ горного диспетчера -начальника смены по наблюдению (мониторингу) за динамикой изменения ситуации в шахте для принятия верных оперативных решений.
• АРМ работника проектной организации.
Границы между этими автоматизированными рабочими местами весьма условны. Если задачи дегазации и противопожарной защиты, например, почти не пересекаются, то АРМ руководителя горноспасательных работ (АРМ РГСР) - требует, помимо специфически аварийных задач, наиболее полного использования данных всех нижеперечисленных моделей горных выработок и инженерных сетей шахты, а также решения большинства задач, входящих в структуру перечисленных автоматизированных рабочих мест.
Комплекс должен обеспечивать:
- графическое представление данных по каждой моделируемой схеме с возможностью визуализации необходимых параметров и вывода на печать;
- корректировку параметров и производство расчетов непосредственно со схемы;
- возможность создания
проектных документов на базе комплекса и вывода на печать схем с необходимой информационной загрузкой;
- корректировки во взаимосвязи с графикой;
- вывод на печать (любого
фрагмента схемы в любом приемлемом масштабе с необходимой
информационной загрузкой);
- раскраска по пластам по хранимому и корректируемому при необходимости списку угольных пластов;
- прорисовку объектов согласно принятым условным обозначениям ПБ и Устава ВГСЧ:
- гезенк, скважина, вертикальный ствол, перемычка и т.д. с возможностью корректировки и пополнения базы данных - коллекции объектов;
- плоское представление основной (трехмерной) модели;
- легкий доступ к характеристикам динамических параметров ветвей и результатам расчета моделируемой сети при работе в графическом режиме;
- табличное представление массивов необходимых данных с возможностью вывода на печать;
- возможность хранения и пополнения массивов информации об отличительных особенностях выработок сети;
- вывод результатов расчетов в формах, соответствующих требованиям нормативных документов;
- эффективный и достаточный контроль достоверности исходных данных и результатов инженерных расчетов;
- быстрый и эффективный поиск ошибок, неизбежно допускаемых пользователями при вводе и корректировке исходных данных;
- переход к безбумажной технологии (хранение отчетной документации в твердой копии - на СЭ и централизованных серверах информационно-аналитической поддержки);
- возможность компактной передачи информации по сетям электронной связи;
- возможность импорта данных из форматов хранения информации ныне действующих комплексов в разрабатываемый единый ПАВК;
- возможность гибкого подключения вновь разрабатываемых задач с использованием накопленных комплексом данных;
- возможность легкого видоизменения выходных форм с результатами расчетов;
- возможность привлечения и обработки данных, накопленных
системами мониторинга (типа МИ-КОН и т.п.).
Ядром комплекса должна быть трехмерная математическая модель топологических связей горных выработок шахты с необходимой для решения задач моделирования состояния технологических сетей информационной загрузкой.
Требование трехмерности графического представления призвано:
- облегчить восприятие модели сети горных выработок как с позиции масштабности представления, так и с позиции их взаимного пространственного расположения;
- автоматизировать вычисление геометрических (пространственных) характеристик горных выработок;
- минимизировать ошибочность ввода и корректировки топологической составляющей информации.
При этом должна быть учтена возможность плоского представления трехмерной сети для создания проектных и отчетных схем, которая будет существовать вплоть до перехода на полностью безбумажный, а потому позволяющий ограничиться трехмерным представлением тип хранения проектной, отчетной и аварийной документации.
Ниже представлены подробные перечни задач, которые должны входить в состав вышеуказанных АРМ (автоматизированных рабочих мест).
АРМ руководителя горноспасательных работ (АРМ РГСР).
Комплекс расчетных задач (аварийных):
- Расчет вентиляционных режимов шахты при нормальных и аварийных режимах проветривания.
- Расчет взрывобезопасных расстояний.
- Программа формирования базы данных газовых замеров и построения треугольника взрывае-мости.
- Построение и просмотр диаграммы изменения концентрации газов.
- Оценка правильности анализа проб воздуха (критерий -кислородный баланс).
- Расчет параметров развития пожара в наклонной тупиковой выработке.
- Расчет параметров развития подземного пожара (экзогенного) и выбора средств его тушения.
- Номограмма определения флегматизирующих концентраций хладона 114В2 для метано-водородно-воздушных сред.
- Определение температуры очага самовозгорания угля и стадии развития эндогенного пожара.
- Расчет минимального расхода воздуха для проветривания аварийного участка.
- Расчет времени загазиро-вания аварийного участка с очагом пожара после его изоляции.
- Расчет длительности зага-зирования метаном тупиковой выработки.
- Расчет трубопровода для выпуска инертного газа.
- Расчет параметров выпуска газообразного азота в аварийные участки.
- Расчет заполнения пожарного участка пеной.
- Расчет устойчивости вентиляционных струй в вертикальных и наклонных выработках.
- Расчет площади проемов в изоляционных перемычках.
- Расчет пропускной способности проемов в изоляционных перемычках.
- Расчет воздухопроницаемости изоляционных перемычек.
- Расчет величины утечек воздуха через изоляционные перемычки пожарного участка.
- Расчет водоупорных перемычек.
- Расчет достаточности гидрозатворов при изоляции пожарных участков по факторам:
- Взрывоустойчивости;
- безопасного расстояния от гидрозатвора при возможном взрыве в изолируемом объеме;
- вытеснения воды ударной волной в сопредельные горные выработки и прогноз зоны поражения вытесненной водой.
Комплекс программ информационно справочной поддержки должен опираться на тексты нормативных документов, а также - на таблицы, представленные в них, такие как:
- Скорость передвижения
отделений ВГСЧ в пригодной и непригодной для дыхания атмосфере при полной видимости и в дыму.
- Время передвижения в атмосфере непригодной для дыхания: а) при температуре до +26С; б) при температуре выше +27С.
- Расход кислорода в непригодной для дыхания атмосфере на 100 м пути.
- Удельные потери давления в прямолинейных пожарных трубопроводах.
- Параметры гипсовых взрывоустойчивых перемычек и др.
АРМ специалиста службы де-прессионных съемок (АРМ СДС) должен обеспечивать решение следующих задач:
- обработка материалов де-прессионных съемок и моделирование схем проветривания;
- обсчет результатов анемо-метрической съемки и занесение в базу результатов замеров воздуха с указанием даты, времени и идентификацией замерщика;
- обсчет результатов барометрической съемки (в случае съемки микробарометрами) и занесение в базу результатов замеров узловых давлений с указанием даты, времени и идентификацией замерщика;
- последующее занесение результатов замеров воздуха и депрессии на схему с возможностью анализа на предмет выявления ошибок, нестыковок и т.п.;
- запись в файл сети для вычисления сопротивлений;
- проверка полноты занесения данных.
(В режиме обработки данных ДС (депрессионных съемок) Блок вычисления сопротивлений должен обеспечивать:
- прямое задание значения аэродинамического сопротивления моделируемой ветви;
- по расходу и депрессии;
- по параметрам выработки (с исп. графика и без него);
- возможность использования фиксированных расходов воздуха в моделируемой ветви и последующего перерасчета эквивалентных сопротивлений со списком (протоколом ветвей) ветви: особенно важно - при расчете перспективных вариантов проветривания;
- здание источников тяги с помощью:
- хранимой и пополняемой базы характеристик вентиляторов;
- с постоянным расходом;
- с постоянной депрессией;
- по коэффициентам характеристики.
(Требуется система входных контролей ИД (длина, сечение и коэффициент аэродинамического сопротивления не должны быть равны нулю, длина выработки не должна быть меньше разности высотных отметок), диагностика вво-
димых ИД с корректными сообщениями о сути допущенных ошибок и их адресами - кодами сети);
- контроль топологии, учитывающий анализ изолированных ветвей и структур, диагностика с корректными сообщениями о сути допущенных ошибок и их адресами (кодами сети);
- расчет естественного распределения воздуха - ЕРВ - должен обладать быстродействием до 2-3 секунд;
- анализ распределения воздуха по объектам проветривания (главный срез вентиляционной сети) и их обеспеченности расчетными расходами воздуха с выводом данных в виде сводной таблицы;
- объединение признаков анализа распределения воздуха с фиксированным на нем расходом воздуха) и признаком обособленно или необособленно проветриваемого объекта;
- расчетный (требуемый) расход воздуха 01г по объектам - с помощью диалогового окна, с возможностью обращения к ранее созданным расчетам, данным по метаноносности, результатам газовых съемок и т.п.;
- накапливание данных с целью последующего создания базы данных - классификатора метано-носности угольных пластов, абсолютной и относительной метано-обильности лав и очистных участков, подготовительных забоев и шахты в целом;
- программа поиска ошибок в описании главного среза;
- программа поиска свободных путей (без регуляторов и дополнительных сопротивлений для движения воздуха):
- проходящих через объекты проветривания;
- не проходящих через объекты проветривания;
- вывод на печать таблицы
узловых давлений и графических депрессиограмм по оговоренным маршрутам и возможность заданий маршрутов для депрессиограмм со схемы (в перспективе - построение маршрута для интересующего объекта автоматически - по выбранному критерию загруженности
ветвей сети);
- сравнительный анализ различных вариантов моделирования сетей по выбранным параметрам с протоколом вида:
- список исключенных ветвей;
- список ветвей с измененными параметрами;
- список вновь введенных ветвей;
- список новых узлов и узлов с измененными характеристиками (координаты по схеме, высотные отметки и т.п.);
- расчет значения дополнительной депрессии в зависимости от разности удельного веса воздуха (в результате разности температур, влажности, состава атмосферы, давления, при этом значение сопротивления R - должно корректироваться в зависимости от конвективных токов), - наиболее корректно эта задача решается после реализации расчетного алгоритма, основанного на учете не объемного, а массо-переноса рудничного воздуха при моделировании;
- распределение газов по горным выработкам, оценка газо-выделения и формирующихся концентраций;
- представление результатов расчетов в виде табличного вывода необходимого набора параметров как для ветвей, так и для узлов, настройка и хранение образа (шаблона) сформированных пользователем выходных форм.
АРМ начальника участка ВТБ шахты (АРМ нач. ВТБ):
- разработка, корректировка и хранение (в т.ч. длительное и узаконенное измененными требованиями нормативных документов) отчетной документации участка ВТБ (с возможностью решения расчетно-оформительс-ких задач);
- устойчивость при закорачивании вентиляционных струй через основные вентиляционные шлюзы, расчет вести согласно подготовленному и хранимому списку шлюзов для закорачивания;
- вентиляционный журнал (3 формы);
- журнал замеров метана и учета загазирований (4 формы);
- категорийность (накопление и обработка необходимых исходных данных, возможность привлечения и обработки данных, накопленных системами мониторинга (типа МИКОН и т.п.) и создание выходных форм);
- распределение газов по
выработкам;
- разработка проектов для
вновь вводимых объектов проветривания с использованием создаваемого классификатора угольных пластов;
- расчет перспективных ва-
риантов проветривания с одновре-
менным пополнением графической части схемы. Разработка проектов реконструкции шахт по условиям вентиляции;
- паспортизация состояния вентиляционных сооружений, изолирующих перемычек (сохранение характеристик шлюзовых и изолирующих перемычек).
АРМ заместителя начальника участка ВТБ шахты по дегазации (АРМ зам. по дегазации):
- обработка материалов съемок дегазационных трубопроводов и моделирование схем дегазации;
- разработка программного обеспечения для расчета естественного распределения метановоздушной смеси в сети дегазационных газопроводов;
- формирование базы данных (в дальнейшем - БД) для моде-
лирования дегазационной сети с привязкой к единой графической схеме;
- расчет диаметров дегазационных трубопроводов при проектировании схем дегазации;
- моделирование работы вакуум-насосов и создание хранимой и пополняемой БД с их характеристиками;
- расчет параметров дегазационных скважин и создание соответствующей хранимой и пополняемой БД.
АРМ помощника начальника участка ВТБ шахты по противопожарной защите (АРМ ППЗ):
- обработка материалов съемок пожарно-оросительного трубопровода и моделирование схем пожарно-оросительного водоснабжения (и, при необходимости, водоотлива);
- формирование БД для моделирования сети пожарнооросительного трубопровода с привязкой к единой графической схеме;
- моделирование работы насосов, гидроредукторов, баков разрыва и создание хранимой и пополняемой БД с их характеристиками;
- расчет параметров внутри-шахтных источников воды с подключением их к сети пожарнооросительного трубопровода и создание соответствующей хранимой и пополняемой БД с их характеристиками;
- задача обеспечения необходимыми расходами воды аварийно-спасательных работ (при расчетном давлении);
- задача обеспечения необходимыми расходами воды при расчетном давлении объектов шахты при нормальной работе шахты;
- задача обеспечения необходимыми расходами воды при расчетном давлении объектов шахты при параллельной работе шахты и ведении аварийно-спасательных работ;
- расчет диаметров трубопроводов при проектировании;
- расчет времени затопления выработки или группы выработок до указанной отметки.
АРМ специалиста-разработчи-ка плана ликвидации аварии (АРМ ПЛА):
- разработка и хранение материалов для ПЛА;
- расчет устойчивости вентиляционных струй в вертикальных и наклонных выработках с нисходящим проветриванием при пожаре с выводом данных в принятой нормативной форме (наличие и поддержание файла с подготовленными исходными данными ценно тем, что позволяет сохранять список выработок, которые необходимо исследовать на предмет устойчивости и значения критической депрессии с учетом выполнения мероприятий по обеспечению устойчивости);
- расчет устойчивости вентиляционных струй в вертикальных и наклонных выработках с восходящим проветриванием при пожаре (при этом требуется моделирование пожара во всех ветвях с восходящим проветриванием, анализируя опрокиды по шахте);
- текст ПЛА попозиционно с привязкой к ветвям модели шахтной вентиляционной сети (ШВС);
- подпрограмма автоматизированного выбора оптимальных путей движения людей при аварии:
- расчеты проходимости путей движения горнорабочими по программно выбранному или заданному технологом маршруту;
- расчеты проходимости путей движения по программно выбранному или заданному технологом маршруту - горноспасателями (+ оценочный расход кислорода):
- при разведке - до начального узла аварийной выработки и далее - к месту аварии,
- при транспортировке пострадавшего - в зависимости от места обнаружения (в аварийной выработке - добавлять время движения по ней) - и назад, до ближайшей свежей.
АРМ работника проектной организации опирается на вышеобо-значенные возможности комплекса в зависимости от направленности в разработке проекта. Рациональные требования могут быть уточнены только проектировщиками и только при наработке определенного опыта в использовании комплекса.
АРМ горного диспетчера - начальника смены по оперативному вводу в действие плана ликвидации аварии и АРМ горного диспетчера -начальника смены по наблюдению (мониторингу) за динамикой изменения ситуации в шахте для принятия верных оперативных решений неизбежно опираются на системы мониторинга состояния обозначенных технологических объектов и сетей. Разумеется, разработка первичных документов (плана ликвидации аварии и моделей: шахтной вентиляционной сети, пожарно-оросительного, водоотливного, пневматического и дегазационного трубопроводов на базе трехмерной топологической модели горных выработок шахты) облегчают работу горного диспетчера
- начальника смены как в обычной, так и в аварийной ситуации. Но попутно требуется разработка автоматизированных систем управления рельсовым и конвейерным транспортом, системой энергообеспечения (для энергодиспетчеров). В состав АРМа должны входить также автоматизированные системы формирования типовых отчетов любой периодичности, работающие во взаимосвязи с АРМами других отделов и подразделений шахты. Учитывая значительное количество компьютеров, работающих с ПАВК в пределах одного предприятия (помимо непосредственно занимающихся с программным комплексом подразделений следует учесть руководителя, технического руководителя, заместителей по производству и технике безопасности, всего по шахте - до 25-30 компьютеров, а также вышестоящие, контролирующие и аварийные структуры), защита программного комплекса от несанкционированного распространения должна быть организована с учетом этого требования.
Практика показывает, что ввод в действие ПЛА - задача далеко не однозначная в части точного определения места аварии при отсутствии точной информации. Поэтому отдавать управляющие функции программному комплексу в ава-
рийной ситуации не представляется целесообразным. Решение о вводе в действие конкретной позиции ПЛА должен принимать ответственный руководитель работ по ликвидации аварии. Помощником в принятии решений может и должен стать программный аварийно-вентиляционный комплекс, состоящий, как минимум, из взаимоувязанных вышеперечисленных задач мониторинга, моделирования и статистико-информационного обеспечения.
Авторы статьи, как и все заинтересованные стороны, выражают надежду, что работа по созданию ПАВК будет продолжена с учетом вышеперечисленных требований, реализация которых является насущной производственной необходимостью и логичным продолжением ранее созданных программных продуктов. При этом следует учитывать, что по мере освоения возможностей ПАВК, а также по мере появления изменений в норматив-
ных документах, требования технологов неизбежно будут расширяться. В силу этого необходимо относиться к комплексу как к живому, развивающемуся объекту с обратной связью и обеспечить поддержание комплекса в соответствии с изменяющимися требованиями ситуации силами создающего и совершенствующего ПАВК коллектива.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------
Калинин Н.Б. - Отдельный Военизированный Горноспасательный Отряд (ОВГСО) Печорского бассейна, помощник ком. взвода службы депрессионных съемок.
Калинина М.Н. - филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», старший преподаватель кафедры прикладной механики и математики.
© А.В.Яковлев, Н.И.Ермаков, 2003
УАК 622.46.001.57
А.В.Яковлев, Н.И.Ермаков
АЕСТРУКТИВНЫЕ КРИПОВЫЕ АЕФОРМАЦИИ НА ОПОЛЗНЕВОМ УЧАСТКЕ БОРТА КОРШУНОВСКОГО КАРЬЕРА
По типу проявлений деформации прибортового массива условно подразделяются на оползни, оплывины, обрушения и осыпания. В основу такой классификации положено два фактора: геометрия разрушенного участка прибортового массива и скорость деформационного процесса. В классификации совсем не принимается во внимание, каким образом из сплошного прибортового массива образуется разнофракционная, по существу, отвальная горная масса. Мы считаем, что для типизации явлений разрушения при-бортовых массивов следует привлечь еще один фактор, который бы характеризовал динамику раз-
рушения массива до начала активной стадии деформации, что позволило бы не только расширить рамки нашего понимания оползневых явлений, но и прогнозировать поведение массива вблизи поверхности обнажения и предотвращать деформации отдельных участков массива.
Для борьбы с обозначенными деформационными процессами в прибортовом массиве прежде всего необходимо еще раз более подробно остановиться на причинах возникновения разрушений и механизме протекания процесса разрушения до момента, когда массив подготовлен к транспортировке оползневой массы в выработанное
пространство. Начальные деформационные процессы в приборто-вом массиве связаны с изменением его напряженного состояния, пока какой-то из его участков не окажется полностью дезинтегрированным от остальной части при-бортового массива и не начнет вести себя по законам гравитации. Чтобы понять, какие структурные изменения происходят в прибор-товом массиве, сначала остановимся на общих закономерностях распределения поля напряжений, связанных с образованием открытого выработанного пространства.
Если исходное поле напряжений в массиве пород месторождения имеет тектоническое происхождение, то общие закономерности трансформированного поля напряжений в прибортовом массиве известны. Они заключаются в том, что главная максимальная компонента напряжений ориентирована согласно наклону поверхности борта, минимальная компонента напряжений действует перпендикулярно линии наклона борта, промежуточная главная компонента поля напряжений ориентирована по простиранию борта. Транс-
