CC BY
36
В сложных системах, имеющих несколько уровней иерархии (например, система «добычной участок», включающая несколько очистных забоев), построение модели происходит в несколько этапов.
Вначале строятся субмодели нижнего уровня иерархии («очист-ной забой») с использованием пространственных параметров входящих в них элементов. Эти параметры как бы комплексиру-ются в состав субмоделей.
Затем строятся модели следующего (вышестоящего) уровня иерархии, куда в качестве элементов входят построенные субмодели. Здесь уже учитываются «обобщенные» пространственные параметры этих субмоделей и пространственные характери-
стики элементов данного уровня иерархии, еще не включавшихся до этого в модель, а также взаимное пространственное размещение всех названных элементов.
Если есть еще вышестоящие уровни иерархии, то описанный шаг повторяется до достижения самого верхнего из них.
Согласованное использование описанных принципов позволяет превратить создаваемые иерархические модели в открытые системы. Получаемые модели имеют модульное строение, могут легко наращиваться или усекаться. Для их унификации необходимо лишь разработать соответствующее количество стан-
дартных интерфейсов для использования в конкретных условиях.
Процесс синтеза композитной модели из однотипных элементов-моделей и использованием стандартных интерфейсов должен проходить в унифицированной среде моделирования с применением специального аппарата (механизма) их объединения («конструктора»).
Применение разработанной концепции взаимосогласованного моделирования позволит наиболее полно использовать системный подход при изучении и управлении различными системами горного производства, его взаимодействия со смежными отраслями.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шек Валерий Михайлович — доцент, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
© В.М. Шек, Р.Ф. Кислицин, 2002
УДК 622.4
В.М. Шек, Р.Ф. Кислицин
МОНИТОРИНГ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Х
арактерной особенностью горных предприятий является наличие разнородных источников вредностей, которые перемещаются в пространстве по мере отработки запасов месторождения и имеют характерную ритмику изменения их интенсивности во времени. Поясним это на примере формирования пылевых выбросов.
Источники выбросов пыли в атмосферу подразделяют на стационарные и передвижные. К стационарным источникам выбросов пыли относят промышленные котельные, открытые склады угля, сушильные установки и обогатительной фабрики, породные отвалы, вентилятор главного проветривания. К передвижным источникам относят автотранспорт, экскаваторы, бульдозеры.
Источники инициирования пылевых потоков функционируют ритмично и согласованно друг с другом. Ритмика
функционирования разных видов источников загрязняющих потоков может различаться по характерному периоду.
Например, вентиляционный ствол является источником пылевого потока только в добычные смены, ритмичность же котельной мы можем рассматривать как годовую. Ритмичность также наблюдается и во взаимодействии технологического комплекса шахты с окружающей средой. Например, зимой в силу особенностей климата влияние пылевых потоков на окружающую среду особенно пагубно.
Рассматривая иерархическую систему формирования пылевых потоков и исходя из специфики их реализации на шахте, следует в первую очередь предусмотреть мероприятия по снижению пылевых выбросов в атмосферу на самых верхних уровнях иерархии.
Формирование газовых потоков, наоборот, определяется главным образом факторами, проявляющимися на нижних уровнях (скорость подвигания очистных забоев, способ управления кровлей, наличие дегазации и др.). Поэтому мероприятия по защите атмосферы по газовому фактору следует планировать, начиная с выемочных участков.
Процесс иерархического структурирования технологических объектов включает этапы анализа реальных схем, их преобразования и последующего формирования из них иерархических структур материальных потоков.
Пыль и газ перемещаются и выносятся (взметы-ваются) в атмосферу воздушными и газовыми потоками. При этом перемещение этих потоков в подземных условиях и над поверхностью Земли подчиняется несколько отличным законам и закономерностям. Поэтому для их описания используются различные информационно-аналитические модели (ИАМ).
Более сложным является формирование ИАМ для воздушных потоков в сети горных выработок. Структурирование горных выработок и, соответственно, протекающих по ним воздушных (пылегазо-вых) потоков начинается на этапе занесения информации в БД ГИСЭМ.
На графической схеме выработки нумеруются как ветви неориентированного графа, а их концы - как инцидентные этим ветвям узлы. Если выработка не является нейтральной в вентиляционном отношении, то в запись атрибутивной базы, соответствующую этой выработке, заносятся (в дополнение к технологическим) ее вентиляционные параметры (сечение, длина, коэффициент аэродинамического сопротивления, местные сопротивления, вентсооружения, вентиляторы, регуляторы, датчики и др.). Для каждого включаемого в ветвь сооружения, вентилятора, регулятора, датчика и т.п. в базу заносятся записи с их характеристиками.
Параллельно в БД с привязкой к сети горных выработок заносятся данные по шахтным источникам газа и пыли. Эти данные включают геометрические и физические (статические, динамические, вероятностные) параметры источников, зависимости этих параметров от состояния окружающей среды, элементов системы и управляющих воздействий.
Заносимые данные могут пополняться, уточняться, корректироваться в процессе эксплуатации шахты и ГИСЭМ.
Зависимости параметров элементов системы от ее состояния, значений управляющих и возмущающих факторов записываются в аналитическом или табличном (для статистических и вероятностных характеристик) виде.
При описании каждой ветви (узла) определяется и заносится в БД ее (его) уровень иерархии. Часть узлов будет находиться на границе двух смежных уровней иерархии. Для них делается отметка о принадлежности двум уровням иерархии и записываются номера обоих уровней.
Для повышения быстродействия при формировании топологической основы ИАМ используются два вспомогательных (инвертированных) списка:
- ветвей системы с инцидентными им узлами (м>и );
- узлов системы с инцидентными им ветвями (uw ).
Построение ИАМ производится в соответствии с алгоритмом, описанным в предыдущем разделе. Начинается оно с узлов, принадлежащих самому верхнему уровню иерархии. Для них среди отобранных для включения в модель
ветвей с помощью списка uw выбираются примыкающие к ним ветви «свежей струи». Далее для выбранных ветвей с помощью списка wu определяются узлы, примыкающие к ним «с другой стороны» и т.д.
Одновременно формируются списки узлов и ветвей каждого уровня иерархии с группированием их в блоки.
Построение заканчивается после включения в модель всех выработок и замыкания ветвей «исходящей струи» на начальные узлы верхнего уровня иерархии. Проводится
проверка правильности топологической схемы графа (отсутствие «висячих» узлов и ветвей).
Полученный граф разбивается на подграфы. Каждый подграф соответствует одному г'-му уровню иерархии и содержит (т+п) блоков, где т - число «элементарных» (простых) блоков, принадлежащих этому уровню иерархии, п - число составных блоков, содержащих элементы (г-1)-го уровня иерархии.
Таким образом,
^0)с... ^(1-1:,^(1)^(1+1)... са
(1)
G(г) = и Е(,г) >
п (г-1)^(г) 1
0 G 1с G.
(2)
L =1 I
где G(l) - подграф г-го уровня иерархии; Е(г) - /-й элементарный блок г-го уровня иерархии; G(i 1) - 1-й составной блок
из элементов (блоков) (г-1)-го уровня иерархии; G - полный граф системы.
Формула (2) верна для всех уровней иерархии, кроме нижнего. Для него имеет место «усеченная» формула
(0) =1] Е(0)|с G(1) (3)
Теперь, найдя потоки вредностей в элементах графа G, можно определить коэффициенты передачи потоков с нижележащих уровней на вышележащие и осуществлять собственно экологический мониторинг.
ИАМ строятся по следующему алгоритму:
Шаг 1.
Для определения потоков вредностей в элементах графа G в момент времени Ъ устанавливаются параметры ветвей шахтной вентиляционной сети. Решается задача определения расхода воздуха в сети с учетом естественных и искусственных источников тяги, заданных положений регуляторов. Решение начинается с построения максимального дерева графа G и определения системы независимых контуров (базис графа). Движение воздуха по выработкам описывается зависимостью
И, = RгQh (4)
где И - депрессия г-й выработки, Па; - аэродинамическое сопротивление г-й выработки, Нс2/м8; Qj - расход воздуха г-й выработки, м3/с.
Движение воздуха через выработанные пространства
Иг = R¡Qг + RQ'f, (5)
где R’i - г-е линейное аэродинамическое сопротивление;
R^ - г-е квадратичное аэродинамическое сопротивление.
Утечки через неплотности вентсооружений:
(перемычки) - Q_i = kiPi — и
\ Ьг
(вентдвери) - Q_г = kгSгл|h~,
(6)
где ^ - коэффициент воздухопроницаемости; Р1 - периметр перемычки, м; Sj - площадь двери, м2; И - депрессия сооружения, Па; Ь - толщина перемычки, м.
1
Действие вентиляторов в г-й ветви чаще описывается по формуле
Н / = аг + Ьг^/о ■ , (7)
гг
где Н/ - депрессия г-го вентилятора; Q/. - производительность вентилятора, м3/с; аг и Ь - коэффициенты описания характеристики г-го вентилятора.
Для расчета естественного (оптимального) воздухорас-пределения используются первый и второй законы сетей. Минимальное число необходимых исходных данных равно количеству ветвей в сети. В это число входят: заданные сопротивления ветвей Rг(3), заданные расходы воздуха в ветвях Q(3 и заданные депрессии воздуха в ветвях . Количество элементов в каждой группе зависит от конкретного случая, для которого производится расчет воздухораспре-деления.
Шаг 2.
Для ветвей, содержащих источники газа и(или) пыли, моделируется процесс газо- и(или) пылеобразования. При этом в зависимости от режима моделирования учитываются фиксированные или сгенерированные случайные значения параметров внешних воздействий Z и и.
Большая часть значений параметров управляющих воздействий V и W была установлена (также одним из двух способов в зависимости от режима моделирования) на первом шаге построения модели.
Для остальных воздействий этой группы, как правило, локального действия (например, включение-выключение вакуумных дегазационных насосов, орошения в пунктах перегрузки горной массы) значения выбираются по описанной выше схеме при моделировании процессов газопылеобразо-вания в соответствующей выработке (блоке).
Шаг 3.
Далее моделируется процесс массопереноса газов и пыли при определенных на предыдущем шаге параметрах системы вентиляции. Изменение дебита газа (метана) определяется с помощью закона его распределения и коэффициента неравномерности газовыделения.
Движение пылевого аэрозоля в горных выработках определяется характеристиками пылевых частиц и воздушного потока. Для выработок без «активных» источников пыли проверяется баланс процессов взметывания и оседания пыли.
Шаг 4.
Составляются поуровневые уравнения иерархической модели образования и переноса вредностей (пыли и газов), определяются коэффициенты их передачи с одного уровня на другой.
В результате построения ИАМ мы фактически уже имеем одну реализацию процесса моделирования пылегазовых выбросов из шахты в атмосферу. Далее процесс моделирования заключается в повторении шагов 1-4 при фиксированных значениях параметров векторов V и W. Повторные вычисления проводятся заданное количество раз. Выходные характеристики модели фиксируются и затем подвергаются статистической обработке.
По итогам моделирования определяются вероятностные характеристики пылегазовых потоков из угольной шахты на поверхность при конкретных рассматриваемых условиях ее функционирования. Они позволяют оценить складывающуюся экологическую обстановку в шахте.
При неблагоприятной оценке проводится вторая стадия моделирования, отличающаяся от первой соответствующим варьированием параметров векторов V и W. Результаты моделирования позволяют определить оптимальное изменение векторов V и W, приводящее к улучшению экологической обстановки, и оценить степень этого улучшения.
Вторая (чаще всего следующая за первой) ИАМ описывает пылегазовые потоки в атмосфере над поверхностью земли. В нее входят описание потоков вредностей из вентиляционных выработок (стволов, шурфов, штолен) и поверхностных сооружений вентиляторов главного проветривания (при всасывающем способе проветривания) в атмосферу. Сюда также включаются описания пылегазовых потоков из сооружений и установок шахтного поверхностного комплекса (региона), в первую очередь, котельных и ОФ. Третьей составляющей являются выбросы газа и пыли в атмосферу с (из) отвалов, штабелей угля и промпродуктов.
Для каждого потока газа и пыли моделируются процессы перемещения в атмосфере с помощью уравнений движения частиц в открытых пространствах. При этом используются утвержденные Г оскомметом методики и составленные на их основании программы.
Объединение результатов моделирования пылегазовых выбросов для всех указанных источников позволяет получить совокупную картину перемещения частиц пыли и газа в атмосфере и выпадения их на земную поверхность, что дает возможность оценить загазованность и запыленность воздуха над районом расположения шахты и загрязнение участков поверхности этого района (региона).
Эта модель также позволяет проводить моделирование в двух режимах.
В первом случае моделируются процессы распространения пылегазовых выбросов при V = const и W = const.
Во втором случае дается модельная оценка эффективности управляющих воздействий по снижению интенсивности (обширности) пылегазовых выбросов в атмосферу.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шек Валерий Михайлович — доцент, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Кислицин Роман Федорович — магистр, Московский государственный горный университет.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2001» СЕМИНАР № 12
