Основание параметров вентиляции шахт нового технического уровня Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Мельник, Л.И. Шулятьева, А.В. Шабловский, 2010

УДК 622.272

В.В. Мельник, Л.И. Шулятьева, А.В. Шабловский

ООСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЯЦИИ ШАХТ НОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Изложены результаты исследований, позволившие установить взаимосвязь параметров вентиляционных систем шахты с параметрами технологических схем вскрытия и подготовки новых горизонтов шахт. Предложена модель обоснования параметров технологических схем вскрытия и подготовки по фактору вентиляции как строящихся, так и действующих шахт.

Ключевые слова: схемы вентиляции, параметры технологической схемы, параметры вентиляции, вентиляционной системы, совместная оптимизация.

Семинар № 16

и и одсистема «вентиляция шах-.кЖ. ты» призвана обеспечивать безаварийную и безопасную работу других ее подсистем. Расчет параметров технологичес-кого процесса подсистемы «вентиляция», к которым относятся количество воздуха, подаваемого в шахту основан на инструкциях и правилах безопас-ности работы угледобывающих предприятий [74, 80, 83, 84, 100, 105, 106], а численность рабочих, занятых на процессе определяется в соответствии с расстановкой по рабочим местам на основании нормативов, используемых в угольной промышленности. Задачей исследования процесса состоит в изучении его развития во взаимосвязи с другими процессами и подсистемами шахты. В связи с этим возникает необходимость изучить состояние обеспечения шахт воздухом и его распределения по объектам проветривания.

Современное состояние вентиляционной системы шахт Карагандинского бассейна связано с различными этапами развития шахтного фонда и особенностями горно-геологических условий угленосных районов. Объединение нескольких шахт в единую вентиляцион-

ную систему, проведение дополнительных вентиляционных стволов существенно усложнили топологию вентиляционных систем, обусловили трудности управления вентиляцией. Шахты Саранского участка, построенные позднее шахт Промышленного участка, имеют стволы и шурфы, расположенные на выходах пластов. По мере углубления горных работ пути подвода воздуха к ним удлинялись, поэтому при вскрытии более глубоких горизонтов необходимо было проводить новые воздухоподающие и вентиляционные стволы, приближенные к горным выработкам.

Впоследствии, в результате реконструкции шахт, проблемы со сложностью вентиляции удалось решить. Характерной особенностью шахт Чурубай-Нуринского и Тентекского районов является большая протяженность шахтных полей по простиранию и большое количество вентиляционных шурфов. В среднем по бассейну в сутки подается около 7100 м3 на одну тонну добычи. Анализ показал, что из этого количества только около 54 % воздуха идет на проветривание очистных и подготовительных забоев.

Таблица 1

Основные технические характеристики вентиляционных стволов действующих шахт Карагандинского бассейна

Наименование шахт Количество стволов Максимальная пропускная способность ствола, м3/с

Воздухопо- дающие Вентиляци- онные Воздухопода- ющие Вентиляци- онные

1. им.Костенко 4 5 1004 1207

2. им.Кузембаева 1 3 454 573

3. Саранская 2 3 673 794

4. Абайская 2 3 534 793

5. Казахстанская 3 5 795 916

6. им.Ленина 6 7 930 1024

7. Шахтинская 2 3 531 534

8. Тентекская 3 4 806 608

9. им.Горбачева 3 4 773 1172

10. Кировская 4 6 604 646

11. им.Байжанова 2 3 422 496

Около 35 % используется для проветривания поддерживаемых выработок, что объясняется большой их протяженностью, сложной топологией сети, а также нерациональным распределением воздуха в шахте.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики действующих вентиляционных стволов шахт Карагандинского бассейна. Из таблицы видно, что все шахты бассейна обеспечены воздухом с превышением над расчетным количеством, то есть имеют резервы прироста мощности по добыче.

Иная картина складывается с использованием воздухоподающих стволов: более половины из них используются по пропускной способности только на 50...60 %. Такая разница с использованием воздухоподающих и вентиляционных стволов объясняется тем, что, как правило, на всех шахтах при вскрытии новых горизонтов проходились новые воздухоподающие стволы, рассчитанные в большинстве случаев на обеспечение воздухом на длительный период эксплуатации шахты. С увеличением глубины разработки этот резерв будет постоянно сокращаться.

До проведения реструктуризации шахтного фонда в Карагандинском бассейне насчитывалось 180 вертикальных и 25 наклонных стволов (в среднем по 7 стволов на одну шахту). Кроме того, планировалось проведение еще 40 стволов. Однако, согласно анализу результатов депрессионных съемок, использование максимальной пропускной способности стволов относительно фактического количества подаваемого воздуха, колебалось в пределах 50.80%. Кроме того, концентрация газа метана в общих исходящих струях была и остается до настоящего времени значительно ниже предельно допустимых норм и колеблется в пределах 0,25.0,40% (по ПБ допускается 0,75%). Однако из этого не следует, что шахты имеют значительные резервы в обеспечении воздухом, что обусловлено весьма сложной схемой проветривания. Анализ распределения воздуха в шахтах показал, что для проветривания очистных забоев в среднем расходуется около 54 % от общего его количества, на проветривание подготовительных забоев эта величина почти в

2 раза меньше. Однако на некоторых шахтах с высокой газообильностью расход воздуха, поступающего в подгото-

вительные забои превышает его величину для проветривания очистных работ.

Изменение средств механизации очистных работ, характеризующихся, главным образом, их производительностью, определяет необходимость пересмотра методов формирования параметров технологической схемы (ТС) шахты и отдельных её подсистем.

В современных условиях развития горного производства, как при обосновании рациональных схем вскрытия, подготовки и систем разработки пластов, так и при исследовании процессов подземных горных работ, как объективная необходимость применяется системный подход при выборе проектных и технологических решений. Шахта рассматривается как сложная система, состоящая из взаимосвязанных в пространстве и во времени подсистем. При этом подсистемы определяются в зависимости от цели, задач и предмета исследований. Для обоснования параметров технологических схем при проектировании шахт нового технического уровня шахта представлена как сложная система, формируемая путём синтеза рациональных технологических схем подсистем и их параметров. До настоящего времени такое обоснование осуществлялось с использованием среднебассейновых или среднеотраслевых нормативов, что приводило к созданию статических (то есть неспособных развиваться в пространстве и времени) моделей, решающих ограниченный круг задач. Такие математические модели ограничивали сам процесс обоснования, что и приводило к необходимости разработки механизма оптимизации для конкретной задачи исследования.

Использование высокопроизводительного оборудования на проведении горных выработок и добыче угля привело к необходимости рассматривать во

взаимосвязи параметры ТС вскрытия, подготовки и систем разработки и параметров технологических процессов в шахте. С этой целью предлагается использовать новый подход к формированию модели обоснования рациональных параметров ТС, сформированной путём создания интегрированной динамической системы вскрытия, подготовки и отработки запасов. При её разработке основополагающими условиями выделения подсистем приняты:

- их функциональная и технологическая однородность;

- четко выраженная иерархия внутреннего построения;

- внутренняя логическая взаимосвязь и многовариантность развития.

В соответствии с этим выделены подсистемы шахты первого порядка:

I - подсистема «Запасы», её элементы - запасы вскрытые, подготовленные, готовые к отработке

II - технологические схемы вскрытия, подготовки и системы разработки пластов - подсистема;

III - технологические схемы процессов, реализующих данные технологические схемы во времени и пространстве, в свою очередь рассматриваемые как сложные системы второго порядка.

Технологическая схема «вентиляция шахты» рассматривается как сложная система, параметры которой зависят от множества факторов, в том числе от схем вскрытия, подготовки и систем разработки количества одновременно действующих очистных и подготовительных забоев, от протяжённости поддерживаемых горных выработок. В значительной степени определяются объёмами и эффективностью проведения дегазационных мероприятий в период подготовки запасов к выемке. То есть параметры ТС вентиляции формируются под воздействием как качественных, так

и количественных параметров других подсистем технологической схемы шахты.

Объектами исследования приняты ТС по вскрытию (Х1), подготовке (Х2) и системам разработки (Х3) шахтного (выемочного) поля, а также технологическое оборудование по вентиляции шахты. Предметом исследования являются параметры объектов и их взаимосвязь. Цель исследования состоит в установлении закономерностей формирования параметров технологического процесса проветривания шахты в целом по влиянием параметров ТС и технологического оборудования.

Множество расчетных вариантов

проектных решений (Мрв) есть сочетание числа вариантов, представляющих собой возможные совместимые комбинации ТС Х1, Х2 Х3, формирующих параметры подсистемы второго порядка, то есть

Крв = {Х1,Х2,Х3},

тогда параметры вентиляционной сети могут быть определены как

Qв = {Х1,Х2,Х3,Хс}, м3/мин., Хс = {Тс1,Тс2,Тс3,Тс4}

где Тс1,Тс2,Тс3,Тс4- совокупность параметров процессов соответственно очистных и подготовительных работ, поддержания горных выработок и вентиляции шахты.

Формирование параметров вентиляционных сетей шахты осуществляется на основе распределения количества воздуха по объектам проветривания очистных и подготовительных забоев, а также системы горных выработок. Исходной информацией при расчете параметров ТС вентиляции шахты являются параметры технологических процессов других ее подсистем, горно-

геологические условия залегания пластов, горнотехнические характеристики элементов вентиляционных сетей шахт.

Проведенные исследования, на основе анализа большого числа наблюдений по распределению воздуха в шахтах согласно данным вентиляционных журналов, позволили получить зависимости потребности воздуха, подаваемого для проветривания шахты:

-на очистных работах (м3/мин.):

^^оч = к^2000(0,443тоз - 0,185) х (1)

x(0,846q0•79 -1,014),

на подготовительных работах (м3/мин.) рпр = 1200кпр [0,05ехр(0,15тпз) + 0,81] х

в п

х(0,971 + 0,286Lуд)(0,869q0,617 -3,119),

(2)

-на поддержании выработок (м 3 /мин.):

0пв = кпв 1200(0,964 + 0,00001Ьюд) х

в п

х0,24я0>023 (3)

где Lуд - удельный объем проведения горных выработок, м/1000 т добычи; Lпод - протяженность поддерживаемых выработок на шахте, м; тоз и Шиз -количество соответственно очистных и подготовительных забоев, одновременно работающих в шахте; q - абсолютная метанообильность шахты, м3/мин.

к°ч, кпр, кпв - коэффициент потерь

п п п

воздуха соответственно в очистных, проводимых и поддерживаемых выработках.

Г рафики полученных зависимостей приведены на рис. 1.

Рис. 1. Графики зависимости количества воздуха, подаваемого для проветривания поддерживаемых выработок, одновременно действующих очистных и подготовительных забоев: Qв -

количество воздуха; Lпод - длина поддерживаемых выработок; тоз, тпз - количество очистных и подготовительных забоев

Анализ распределения воздуха, подаваемого в шахту, по объектам проветривания дает возможность представить величину его общего объема как

Qв = 1,10 х 1,05 х 1440(Оот + Qпр + Qпв),

в в в

м3/сут., (4)

где 1,10 - коэффициент неравномерного распределения воздуха в шахте; 1,05, -коэффициент, учитывающий расход воздуха на проветривание прочих объектов.

Количество воздуха, подаваемое в шахту в момент времени t (Овд должно обеспечивать безопасную работу всех подсистем шахты. При строительстве новых шахт обоснование параметров вентиляционной сети основывается на обеспечении максимальной нагрузки на шахту. Это определяет выбор схем вскрытия, оптимальное местоположение стволов, их диаметр и глубину залегания. Основой формирования вентиляционной сети в данном случае является возможная по горно-геологическим условиям залегания и техническим характеристикам очистного оборудования нагрузка на очистной забой, а также коли-

чество одновременно действующих очистных забоев. Последовательность формирования параметров в этом случае может быть следующей: товарная добыча угля с учётом рыночной потребности, метанообильность шахты, суточная нагрузка на очистной забой, количество очистных забоев, схема подготовки и система разработки, протяжённость горизонтальных и наклонных выработок, схема вскрытия, потребное количество воздуха для нормального проветривания, схема вентиляции шахты, параметры вентиляционной системы. Строительство новых горизонтов действующей шахты предполагает необходимость увязки параметров технологических схем вскрытия и подготовки с параметрами существующей вентиляционной системы и с её техническими возможностями. Это обусловлено тем, что стволы, задействованные в вентиляционной системе шахты невозможно реконструировать для увеличения количества подаваемого воздуха. Следовательно, при обосновании параметров технологических схем (ТС) вскрытия и подготовки новых горизонтов необходима их увязка с параметрами вентиляционной системы

шахты. Обоснование параметров ТС шахты должно основываться, помимо проверки по прочим критериям, и на проверке по критерию обеспечения необходимым количеством воздуха всех подсистем подземной угледобычи. Обоснование параметров ТС и эффективность работы системы вентиляции может быть произведено с использованием модели

QB “Z Qeti -

g

ZQBeHTau “ QBti > О,

u

при условии, что

n

^аэХРствХНствХЕ Qb

с 3 ош

осв

где i - индекс вентиляционной сети, ^1,2,...,п; и - индекс вентилятора,

и=1,2,...,и; Овti - количество воздуха для проветривания i-й сети в момент времени t, м3/мин.,

QBti=Z Qb

tig

Btig - количество воздуха для провет-

Qв

ривания g-го объекта в момент времени

^ м3/мин.; Итах- максимально допус-ош

тимая величина общешахтной депрессии, мм вод.ст.; Сбаэ - коэффициент аэродинамического сопротивления,

кгс х с2/м4; Рств,Нств - соответственно периметр ствола и его глубина, м; Qвентtiu - производительность и-й вентиляционной установки, м3/мин.

Анализ соотношения расчётного количества воздуха, необходимого для подачи в шахту, к максимально возможной пропускной способности воздухоподающих стволов, при современном со-

стоянии развития горных ра-бот показывает, что обеспеченность шахт воздухом составляет 110.160 %, то есть очистные и подготовительные работы на 100% обеспечены воздухом, однако имеют место значительные потери воздуха. Приведенные данные о состоянии пропускной способности стволов действующих шахт Карагандинского бассейна подтверждают наличие резервов в обеспеченности шахт воздухом.

Обоснование параметров вентиляции шахты осуществляется на разработанной модели формирования прямых затрат

Зависимости количества воздуха, подаваемого для проветривания от влияющих факторов (1), (2), (3), а также общий объем воздуха, подаваемого в шахту (4) являются основой для моделирования затрат по процессу.

Моделирование затрат на вентиляцию шахты (руб./сут.) производятся по элементам: материалы (Свм), амортизация (Сва), электроэнергия (Свэ), заработ ная плата (Свзп). Затраты по вентиляцию на 1 т добычи в целом по шахте в момент времени X составят:

„ Свм* + Сва* + Свэ* + Свзп*

Св =--------1------1------1-------^,

m(t)

L(t)

Z Dcy^ + Z Dc

:УTtl

jet let

ден.ед./т,

Затраты на электроэнергию:

Свэ = Wb Х Цэл Х kmaxN ,ден.ед./сут., где We - общий расход электроэнергии по всем вентиляторам, кВт • ч/сут.;

K

Wb = Z Wвентk ,

к=1

k - индекс вентилятора, k-1,2,...,K ;

Wвент - расход электроэнергии на k-м

к

g

вентиляторе, квт • ч/сут., для ^го вентилятора [122]

9,81•24•Qвh

W вент =----------------, квт • ч/сут.,

102^в^дв

Г/в - КПД вентилятора; Т]дв - КПД двигателя вентилятора; к - депрессия общешахтная; Qв - производительность вентилятора, м3/с.

Затраты на амортизацию

в

Сва = кпв Е ЦвобьНавь > ден.ед./суг.,

Ь=1

где Ыв - коэффициент, учитывающий стоимость прочего оборудования, для укрупненных расчетов Ыв =1,25; Нав ь-суточная норма амортизации оборудования по вентиляции, Нав ь= 0,0085;

Цвоб ь- балансовая стоимость оборудования по вентиляции на шахте, ден.ед.. Затраты на материалы:

кпвкзчв в

Свм =

Тг

b=1

где кзчв - коэффициент, учитывающий затраты на материалы и запчасти, для укрупненных расчетов кзчв=0,06. Затраты на заработную плату:

в

Свзп = kдвNсM Е

Нобс Т , ден.ед./сут.,

Ь 4

Ь=1 4

где kдв - коэффициент доплат рабочим к

тарифным ставкам, kдв=1,74; Нобс -

Ь

норма обслуживания Ь-го вентилятора, чел/см.

3

Затраты по шахте на 1 м подаваемого в шахту:

Свм+Сва+Свэ+Свзп Св =--------------------

Q

воздуха,

ден.ед./

м

При разработке модели совместной оптимизации параметров технологических процессов и технологических схем подсистем шахты вводятся ограничения по пропускной способности воздухоподающих и вентиляционных стволов, а также проверка соответствия технических характеристик вентиляторных уста-н овок величине общешахтной депрессии с привязкой к пакету прикладных программ, применяемых на шахтах для расчёта вентиляции, птш

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Мельник В.В. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Подземной разработки пластовых месторождений, smsu-prpm@yandex.ru

Шулятьева Л.И. - кандидат технических наук, докторант кафедры Подземной разработки пластовых месторождений,

Шабловский А.В. - аспирант,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru