Научная статья на тему 'Разработка методики определения газодинамических характеристик вентиляции угольных шахт по аддитивным аэрогазодинамическим процессам'

Разработка методики определения газодинамических характеристик вентиляции угольных шахт по аддитивным аэрогазодинамическим процессам Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
68
18
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
iPolytech Journal
ВАК
Ключевые слова
ШАХТА / MINE / ПРОВЕТРИВАНИЕ / VENTILATION / СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ / SYSTEM ANALYSIS / МЕТОД ПЕРЕХОДНЫХ ФУНКЦИЙ / METHOD OF TRANSITION FUNCTIONS / ПЕРЕХОДНЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ / TRANSIENT GAS-DYNAMIC PROCESSES / АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / AMPLITUDE-PHASE CHARACTERISTICS (APC) / АППРОКСИМАЦИЯ / APPROXIMATION

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Босиков Игорь Иванович

ЦЕЛЬ. Разработка модифицированной методики корреляционного анализа, которая позволит получить достаточно точную оценку коэффициентов статической характеристики аэродинамических процессов угольных шахт. МЕТОДЫ. В работе использованы методы аналитического описания переходных газодинамических процессов, метод переходных функций, метод скользящего среднего, теория вероятностей и математическая статистика. РЕЗУЛЬТАТЫ. Ввиду сложности аэрогазодинамических процессов на добычном участке, невозможности учета всех влияющих на них факторов, их стохастической природы, для определения характеристик выше названных процессов применялись методы математического описания и методы, базирующиеся на теории статистической динамики. Для определения статических характеристик по экспериментальным данным зависимых наблюдений в режиме нормальной эксплуатации разработана модифицированная методика корреляционного анализа, которая позволила получить достаточно точные оценки коэффициентов статической характеристики. С помощью программного комплекса MATLAB получена зависимость концентрации метана от расхода воздуха. Установлено, что в режиме нормальной эксплуатации аэрогазодинамические процессы имеют аддитивный характер, т.е. в них под влиянием производственных процессов выемки полезных ископаемых появляются составляющие, статистические характеристики которых отличаются от характеристик чисто случайных процессов. Экспериментально установлено, что линеаризованные динамические характеристики добычных участков в режиме проветривания, когда переходный газодинамический процесс имеет форму «всплеска» концентрации метана, могут быть описаны обыкновенными дифференциальными уравнениями 3-го и 4-го порядка с постоянными коэффициентами, а в режиме проветривания, когда «всплеск» концентрации метана на участке отсутствует уравнениями 1-го и 2-го порядка. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Определена статическая характеристика объекта проветривания по каналу «концентрация метана расход воздуха», которая может быть линеаризована при изменении расхода воздуха в рабочем диапазоне, т.е. описана линейными уравнениями. Для определения вида статической характеристики объекта проветривания использовали метод сопоставления корреляционной и дисперсионной функций, который позволил получить по данным нормальной эксплуатации количественную оценку погрешности статической характеристики объекта.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Босиков Игорь Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF METHODOLOGY DETERMINING GAS DYNAMIC CHARACTERISTICS OF COAL MINE VENTILATION BASED ON ADDITIVE AIR-GAS DYNAMIC PROCESSES

The PURPOSE of the paper is development of a modified methodology of correlation analysis which will allow to obtain accurate enough estimation of the static characteristic coefficients of aerodynamic processes in coal mines. METHODS. The methods used in the study include analytical description of transient gas dynamic processes, the method of transition functions, the moving average method, the probability theory and mathematical statistics. RESULTS. Complexity of the air-gas dynamic processes in the production site, impossibility to account for all the factors affecting them and their stochastic nature determined the need to use the methods of mathematical description and the methods based on the theory of statistical dynamics to specify the characteristics of the above processes. A modified procedure of the correlation analysis has been developed in order to identify the static characteristics based on the experimental data of dependent observations in the normal operation mode... The PURPOSE of the paper is development of a modified methodology of correlation analysis which will allow to obtain accurate enough estimation of the static characteristic coefficients of aerodynamic processes in coal mines. METHODS. The methods used in the study include analytical description of transient gas dynamic processes, the method of transition functions, the moving average method, the probability theory and mathematical statistics. RESULTS. Complexity of the air-gas dynamic processes in the production site, impossibility to account for all the factors affecting them and their stochastic nature determined the need to use the methods of mathematical description and the methods based on the theory of statistical dynamics to specify the characteristics of the above processes. A modified procedure of the correlation analysis has been developed in order to identify the static characteristics based on the experimental data of dependent observations in the normal operation mode. It allowed to obtain sufficiently accurate estimates of the coefficients of static characteristic. Using the software package MATLAB the dependence of the methane concentration on the air flow rate has been obtained. It has been found that under normal operation the air-gas dynamic processes are of an additive character, i.e. production processes of excavating minerals cause the appearance of the components whose statistical characteristics differ from those of purely random processes. It has been experimentally determined that the linearized dynamic characteristics of mining sites in the ventilation mode when the transient gas-dynamic process takes the form of a methane concentration “burst” can be described by ordinary differential equations of the 34 order with constant coefficients while being in the ventilation mode when there is no “burst” of methane concentration on the site can be described by the equations of the 1-2 order. CONCLUSIONS. The static characteristic of the object of ventilation is determined by the channel “methane concentration air flow rate”. It can be linearized when the air flow changes in the operating range, i.e. described by linear equations. The type of the static characteristic of the object of ventilation is determined using the comparison of the correlation and dispersion functions. This method enables to obtain a quantitative estimate of the error of the object static characteristic based on the data of facility normal operation. function show_eabstract() { $('#eabstract1').hide(); $('#eabstract2').show(); $('#eabstract_expand').hide(); } ▼Показать полностью

Текст научной работы на тему «Разработка методики определения газодинамических характеристик вентиляции угольных шахт по аддитивным аэрогазодинамическим процессам»

Оригинальная статья / Original article УДК 622:577.4

DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-5-65-74

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЯЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПО АДДИТИВНЫМ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ

© И.И. Босиков1

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), 362021, Российская Федерация, Республика Северная Осетия - Алания, г. Владикавказ, ул. Космонавта Николаева, 44.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Разработка модифицированной методики корреляционного анализа, которая позволит получить достаточно точную оценку коэффициентов статической характеристики аэродинамических процессов угольных шахт. МЕТОДЫ. В работе использованы методы аналитического описания переходных газодинамических процессов, метод переходных функций, метод скользящего среднего, теория вероятностей и математическая статистика. РЕЗУЛЬТАТЫ. Ввиду сложности аэрогазодинамических процессов на добычном участке, невозможности учета всех влияющих на них факторов, их стохастической природы, для определения характеристик выше названных процессов применялись методы математического описания и методы, базирующиеся на теории статистической динамики. Для определения статических характеристик по экспериментальным данным зависимых наблюдений в режиме нормальной эксплуатации разработана модифицированная методика корреляционного анализа, которая позволила получить достаточно точные оценки коэффициентов статической характеристики. С помощью программного комплекса MATLAB получена зависимость концентрации метана от расхода воздуха. Установлено, что в режиме нормальной эксплуатации аэрогазодинамические процессы имеют аддитивный характер, т.е. в них под влиянием производственных процессов выемки полезных ископаемых появляются составляющие, статистические характеристики которых отличаются от характеристик чисто случайных процессов. Экспериментально установлено, что линеаризованные динамические характеристики добычных участков в режиме проветривания, когда переходный газодинамический процесс имеет форму «всплеска» концентрации метана, могут быть описаны обыкновенными дифференциальными уравнениями 3-го и 4-го порядка с постоянными коэффициентами, а в режиме проветривания, когда «всплеск» концентрации метана на участке отсутствует - уравнениями 1-го и 2-го порядка. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Определена статическая характеристика объекта проветривания по каналу «концентрация метана - расход воздуха», которая может быть линеаризована при изменении расхода воздуха в рабочем диапазоне, т.е. описана линейными уравнениями. Для определения вида статической характеристики объекта проветривания использовали метод сопоставления корреляционной и дисперсионной функций, который позволил получить по данным нормальной эксплуатации количественную оценку погрешности статической характеристики объекта.

Ключевые слова: шахта, проветривание, системный анализ, метод переходных функций, переходные газодинамические процессы, амплитудно-фазовые характеристики, аппроксимация.

Информация о статье. Дата поступления 04 апреля 2018 г.; дата принятия к печати 19 апреля 2018 г.; дата он-лайн-размещения 31 мая 2018 г.

Формат цитирования. Босиков И.И. Разработка методики определения газодинамических характеристик вентиляции угольных шахт по аддитивным аэрогазодинамическим процессам // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 5. С. 65-74. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-5-65-74

DEVELOPMENT OF METHODOLOGY DETERMINING GAS DYNAMIC CHARACTERISTICS OF COAL MINE VENTILATION BASED ON ADDITIVE AIR-GAS DYNAMIC PROCESSES

I.I. Bosikov

1

Босиков Игорь Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной геологии, e-mail: igor.boss.777@mail.ru

Igor I. Bosikov, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Applied Geology, e-mail: igor.boss.777@mail.ru

North-Caucasian Mining and Metallurgical Institute (State Technological University),

44, Kosmonavta Nikolaeva St., Vladikavkaz, North Ossetia-Alania, 362021, Russian Federation

ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is development of a modified methodology of correlation analysis which will allow to obtain accurate enough estimation of the static characteristic coefficients of aerodynamic processes in coal mines. METHODS. The methods used in the study include analytical description of transient gas dynamic processes, the method of transition functions, the moving average method, the probability theory and mathematical statistics. RESULTS. Complexity of the air-gas dynamic processes in the production site, impossibility to account for all the factors affecting them and their stochastic nature determined the need to use the methods of mathematical description and the methods based on the theory of statistical dynamics to specify the characteristics of the above processes. A modified procedure of the correlation analysis has been developed in order to identify the static characteristics based on the experimental data of dependent observations in the normal operation mode. It allowed to obtain sufficiently accurate estimates of the coefficients of static characteristic. Using the software package MATLAB the dependence of the methane concentration on the air flow rate has been obtained. It has been found that under normal operation the air-gas dynamic processes are of an additive character, i.e. production processes of excavating minerals cause the appearance of the components whose statistical characteristics differ from those of purely random processes. It has been experimentally determined that the linearized dynamic characteristics of mining sites in the ventilation mode when the transient gas-dynamic process takes the form of a methane concentration "burst" can be described by ordinary differential equations of the 3- 4 order with constant coefficients while being in the ventilation mode when there is no "burst" of methane conce n-tration on the site - can be described by the equations of the 1-2 order. CONCLUSIONS. The static characteristic of the object of ventilation is determined by the channel "methane concentration - air flow rate". It can be linearized when the air flow changes in the operating range, i.e. described by linear equations. The type of the static characteristic of the object of ventilation is determined using the comparison of the correlation and dispersion functions. This method enables to obtain a quantitative estimate of the error of the object static characteristic based on the data of facility normal operation. Keywords: mine, ventilation, system analysis, method of transition functions, transient gas-dynamic processes, amplitude-phase characteristics (APC), approximation

Information about the article. Received April 04, 2018; accepted for publication April 19, 2018; available online May 31, 2018.

For citation. Bosikov I.I. Development of methodology determining gas dynamic characteristics of coal mine ventilation based on additive air-gas dynamic processes. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 5, pp. 65-74. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-5-65-74. (In Russian).

Введение

Проветривание добычного участка ектов, в частности метод переходных

шахты как объекта управления представ- функций. Сущность его заключается в по-

ляет собой сложный процесс, описание ко- даче на вход объекта ступенчатого прира-

торого с позиции физики явлений, происхо- щения расхода воздуха и аппроксимации

дящих на добычном участке, встречает зарегистрированного переходного газоди-

значительные трудности. Для таких слож- намического процесса аналитическим вы-

ных объектов в настоящее время приме- ражением, которое затем используется для

няются методы экспериментального опре- получения передаточных функций объек-

деления динамических характеристик объ- тов проветривания.

Материал и методы исследования

В работе используются методы аналитического описания переходных газодинамических процессов, метод переходных функций, метод экспериментального определения динамических характеристик объектов, метод скользящего среднего, теория вероятностей и математическая

Методика определения динамических характеристик объектов проветривания была использована для исследования динамических свойств отдельных элементов (лавы, выработанного пространства) технической системы проветривания до-

статистика.

бычного участка и при моделировании системы управления.

Метод переходных функций основывается на предположениях р сосредоточенности параметров объектов, стационарности во времени его динамических свойств и линейности их при малых изменениях входных координат.

Явление распределения параметров объектов проветривания проявляется в медленном изменении начальных значений переходных газодинамических процессов Ьс и не оказывает заметного влияния на форму Ьс (У при больших значениях времени [1-6]. Поэтому допущение о сосредоточенности параметров проветривания вполне справедливо и позволяет описывать их динамические свойства дифференциальными уравнениями в обыкновенных производных.

Допущение о стационарности во времени динамических свойств справедли-

во по отношению к объектам проветривания, так как параметры добычных участков меняются сравнительно медленно по мере изменения горно-геологических и горнотехнических условий. Поэтому на интервалах длительности переходных газодинамических процессов динамические свойства объектов проветривания можно считать стационарными, что позволяет аппроксимировать переходные процессы решением обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Предположение о линейности в «малом» интервале динамических свойств объектов проветривания означает, что описание переходных газодинамических процессов линейным дифференциальным уравнением удовлетворяет в некотором интервале изменений расхода воздуха принципу суперпозиции, что подтверждено экспериментальными работами [6-8].

Результаты исследования и их обсуждение

Переходный газодинамический про- ских характеристик объектов проветрива-

цесс представлен в виде отклонений от ния по переходным газодинамическим про-

установившегося режима, что позволяет цессам. повысить точность определения динамиче-

0,4

0,2

-0,2

-0,4

Сс(т)

4 &

1 /3

20 ^ 4L 60 80 100

Г, мин

Рис. 1. Графики переходных газодинамических процессов: 1-- экспериментальная кривая; 2, 3 - составляющие переходного газодинамического процесса;

4 - аппроксимирующая кривая Fig. 1. Graphs of transient gas-dynamic processes: 1 - experimental curve; 2, 3 - components of the transient gas-dynamic process;

4 - approximating curve

Переходный процесс Лс с «всплеском» концентрации метана (рис. 1, кривая 1), полученным путем подачи на вход объекта проветривания скачка расхода воздуха, представлен в виде суммы кривых 2 и 3. Кривая 2 может быть аппроксимирована первым членом, кривая 3 - вторым членом выражения:

he (t ) = atmeat + b(l — er ),

rt\

(1)

где а[%СН4], Ь[%СН4] - коэффициенты концентрации метана; т, а, Y (мин-1) - постоянные коэффициенты; ^ - время, мин.

Для нижней (отрицательной) ветви кривой 1 (см. рис. 1) значения первого члена в формуле (1) малы, поэтому можно записать приближенное равенство:

h32(ti) « h2(ti) « b(l — ert) ,

(2)

где ) - экспериментальные значения

переходного процесса концентрации метана для нижней ветви кривой 1, %СН4.

Воспользовавшись методом средних [5], разрешим уравнение (2) относительно экспоненциального члена и прологарифмируем полученное выражение. После суммирования членов получим формулу для определения коэффициента ^

E ig

b — h> 2( i b

r = -

(3)

lg e E *i

В формуле (2) значение верхней величины интервала п ограничивается максимальным значением периода наблюдения, а значение нижней величины интервала 2 выбирается таким, чтобы значения кривой 2 были минимальны.

Коэффициент Ь в формуле (3) определяется как предел, к которому стремится кривая переходного процесса при неограниченном времени наблюдения. Нахождение величины Ь производится приблизительно по виду экспериментальной кривой.

Подставляя значения Ь и Y в формулу (1), находим значения Л2 (ЭД, определяем экспериментальные значения ЬЭ1(ц), по

которым в свою очередь находим коэффициенты первого члена уравнения (1):

) = h3('í) — h32Ci) ■

(4)

При этом значения НЭ1(ц), меньшие

по величине, чем погрешность измерения, не учитываются.

Для определения коэффициентов т и а разбиваем интервал значений Л31(^) на два равных интервала - \1, к\ и \к+1, /\, и запишем для них по методу средних систему уравнений:

k—1 k—1 k—1 E А lg h3l (ti ) = mE А lg tt + « lg eE Ati (б) i=l

k—1 k—1 \tt +«] i=l i=l

l—1 l—1 l—1

E Alg h3l('i) = m E Alg'i +alge E Ati i=k+l i=k+l i=k+1

(6)

где

A lg ^l (ti) = lg hэl (ti+l) — lg ^l (ti) ;

A lg 'i = lg 'i+l — lg ti ;

Ati = 'i+l — ti .

Решая систему уравнений (5) и (6), находим значение коэффициента т, которое следует округлить до ближайшего целого значения, чтобы исключить в дифференциальном уравнении объекта появление иррациональных членов.

Коэффициент а находится из уравнений (5) и (6) с учетом округленного значения коэффициента т.

Коэффициент а в формуле (1) определяется по методу средних из уравнения

l

E lg иэ l(i =

i=l (7)

l l l

= lg«E Ati + mE lg +«lgeE*i •

i=l i=l i=l

'=t

l=T

При аппроксимации переходных газодинамических процессов ) выражением (1) производим сглаживание исходных экспериментальных данных. Учитывая, что погрешность измерения концентрации метана составляет 5-10% и точность метода средних, использованного для определения значений коэффициентов уравнения (1), не превышает 10-15%, для сглаживания экспериментальных переходных процессов используем наиболее простой метод - метод скользящего среднего [3, 4]. Этим методом получена кривая 1 на рис. 1, ее аппроксимация представлена на этом же рисунке в виде кривой 4.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При аппроксимации кривой переходного процесса уравнением (2) обычно уже первое приближение дает удовлетворительную для инженерных расчетов точность (5-10%). В противном случае следует уточнить значение коэффициента у, используя в качестве исходных данных значения коэффициентов а, т, е, определенные из уравнений (4), (5) и (7).

Система проветривания добычного участка как объекта управления имеет транспортное запаздывание [2-5], с учетом которого передаточная функция объекта проветривания по каналу «расход воздуха - концентрация метана» будет иметь вид [10-12]:

Wc (Р) =Woc (р) ■е-ТзР ,

(8)

где т3 - время транспортного запаздывания, равное сдвигу во времени кривой переходного процесса he (t) относительно начала координат (см. рис. 1), мин.

Для определения передаточной функции без учета запаздывания Woe (р) по аналитическому выражению (1) воспользуемся преобразованием Лапласа - Карсона [5-7]:

Woc ( Р) = Р J hc (t ) ■е-ptdt

(9)

где Р - комплексная переменная.

Введя обозначения для постоянных времени Т и коэффициентов усиления объекта

Т = -, мин; кх = т+- а - т , %СН4; а

Т2 = -, мин; к2 = Ь, %СН4,

7

и подставив их в уравнения (1), (8), (9), получим выражение для передаточной функции объекта проветривания с учетом запаздывания:

Wc ( Р) =

ki ■ Ti T ■ р

T2 ■ Р

-тъР

(10)

Таким образом, динамические свойства объектов проветривания с переходными газодинамическими процессами со «всплесками» концентрации метана и без них из-за наличия запаздывания в системе описываются трансцендентными дифференциальными уравнениями типа (10).

Большая длительность переходных газодинамических процессов позволяет

осуществить замену функции г~ТъР первыми членами ряда Паде [3, 4]:

-тъР —

2 - ТзР

2 + Т3 р

(11)

С помощью выражения (10) уравнение (11) может быть преобразовано в обыкновенное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами.

По экспериментальным данным определено, что объекты проветривания являются неминимально-фазовыми.

В динамическом режиме объекты проветривания обладают нелинейными свойствами2 [4-9]. Это проявляется в том, что при переходе от малых приращений

Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник; 3-е изд., перераб. и доп. М.: Юнити-Дана, 2010, 552 с. / Kremer N.Sh. Theory of probability and mathematical statistics. Moscow: Unity-Dana Publ., 2010, 552 p.

e

0

расхода воздуха к большим и при изменении знака воздействия величина и форма переходных газодинамических процессов на участке существенно меняются. Линеаризация объекта проветривания в динамическом режиме может быть произведена с помощью обобщенной передаточной функции (10), которая позволяет описать динамические свойства объектов при малых приращениях расхода воздуха, т.е. в нормальном режиме эксплуатации. При этом в выражении (10) первый член равен нулю (К1 = 0), нединамические свойства объектов проветривания могут быть описаны обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами 2-го порядка при учете запаздывания и 1-го порядка, если запаздывание невелико и им можно пренебречь.

В области больших приращений расхода воздуха, когда процесс Лс имеет форму «всплеска» концентрации метана, динамические свойства объектов проветривания могут быть описаны передаточной функцией (10) со всеми членами, т.е. дифференциальными уравнениями 4-го порядка при учете запаздывания объекта, урав-ненияи 3-го порядка, если запаздывание мало и его можно не учитывать.

При линеаризации нелинейности, связанной с искажением формы переходного процесса Лс@) с изменением знака входного воздействия, следует учесть следующее. С точки зрения обеспечения безопасных условий на добычном участке большую опасность при управлении газовой обстановкой представляет переходный газодинамический процесс со «всплеском» СН4, вызванный резким увеличением расхода воздуха. Поэтому передаточную функцию объекта необходимо определять по переходному процессу Лс@), полученному при резком увеличении расхода воздуха на участке. Ввиду нелинейности динамических свойств экспериментальные исследования следует проводить по наиболее

опасному режиму.

Характерной чертой объектов проветривания по каналу «расход воздуха -концентрация метана» является уменьшение выходной величины при увеличении входной, и наоборот. Объекты с нелинейными свойствами называются инвертиро-ванными2,3. Амплитудно-фазовые характеристики (АФХ) этих объектов начинаются не на положительной вещественной оси, а на отрицательной [10-15].

Анализ экспериментальных АФХ, построенных путем подстановки р = / • ® в передаточную функцию (10), подтверждает инвертирующие свойства объектов проветривания. Это отчетливо видно по графикам на рис. 2, где изображены типичные АФХ без учета (кривая 1) и с учетом запаздывания (кривая 2).

Для определения зависимости между значениями в отклонениях переходного процесса дебита ЛЯ(() и концентрации метана Лс@) воспользуемся следующим выражением:

ЛЯ(Г) = - Я01, (12)

о

где - дебит метана, м3/мин.; я01 - дебит метана в первоначально установившемся режиме (до скачка расхода воздуха), м3/мин.

Используя формулу (11) и учитывая, что после резкого регулирования расхода воздуха его величина изменилась и стала равной Оог , можно записать:

Я (Ц= 0,01- т 0о2, (13)

где С(1) - концентрация метана, %СН4.

Величину я01 можно выразить через концентрацию метана и расход воздуха:

Я01= 0.0Ь С01 001, (14)

где С01 , 001 - концентрация метана и расход воздуха в первоначально установившемся режиме (до скачка расхода воздуха) соответственно, %СН4, м3/мин.

3Рыков А.С. Модели и методы системного анализа: принятие решений и оптимизация: учеб. пособие для вузов. М.: ИД МИСиС, 2005. 352 с. / Rykov A.S. Models and methods of system analysis: decision making and optimization. Moscow: ID MISiS, 2005, 352 p.

Рис. 2. Графики амплитудно-фазовых характеристик (АФХ): 1 - АФХ по каналу «расход воздуха - концентрация метана» без учета запаздывания; 2 - то же, с учетом запаздывания; 3 - АФХ по каналу «расход воздуха - дебит метана» Fig. 2. Graphs of amplitude-phase characteristics (APC): 1 - APC on the channel "air flow rate - methane concentration" without regard to delay; 2 - the same, with regard to delay; 3 - APC on the channel

"air flow rate - methane yield rate"

Концентрацию метана после скачка расхода воздуха можно представить в виде суммы

C(t) = Coi + hoi(t)AQi, где hC1(t) - процесс концентрации метана, вызванный единичным скачком расхода воздуха (1 м3/мин), %.

Тогда выражение (13) будет иметь

вид

AQi = Q02- Qoi.

Подставляя значения q(t) и q0i в выражение (12), получим:

hq(t)=0,01[Coi + hci(t) AQ] Q02- Coi Qoi; hq(t)=0,01[Qo2 • hCi(t) + Coi] AQ. (15)

Формула (15) выражает зависимость между переходными процессами расхода воздуха и концентрации метана, записанными в виде отклонений от установившихся режимов. Зависимость (15) дает достаточную для инженерных расчетов точность при аппроксимации экспериментальных пе-

реходных процессов С@). Это видно, например, по рис. 1, где экспериментальная кривая 1 аппроксимирована кривой 2, построенной по уравнению (15) путем подстановки в него выражения (1).

Для выражения передаточной функции по каналу «расход воздуха - дебит метана» можно воспользоваться зависимостью

Wq (р) = 0,01 [Оог ■ Wc(p) + С01]. (16)

Формула (16) позволяет по известной передаточной функции объекта проветривания без промежуточных вычислений получить выражение для передаточной функции по каналу «расход воздуха - дебит метана».

Использование формулы (16) позволяет избежать трудоемких расчетов при определении динамических характеристик объектов проветривания по каналу «расход воздуха - дебит метана».

После подстановки значений Wc(p) из формулы (8) в (16) и замены р = / о бы-

ли построены АФХ Wc(/ а). Их анализ показал, что АФХ начинаются на положительной части вещественной оси (рис. 2, кривая 3). Это свидетельствует о том, что объекты

проветривания по каналу «расход воздуха - дебит метана» не являются объектами с инвертированием воздействий.

Заключение

1. Для определения статических характеристик по экспериментальным данным зависимых наблюдений в режиме нормальной эксплуатации разработана модифицированная методика корреляционного анализа, которая позволяет получить достаточно точные оценки коэффициентов статической характеристики. Используя этот метод для обработки экспериментальных данных, получена зависимость концентрации метана от расхода воздуха. Характер этой зависимости оказался одинаковым для различных экспериментов, проведенных многими авторами в различных горногеологических условиях.

2. Установлено, что статическая характеристика объекта проветривания по каналу «концентрация метана - расход воздуха» может быть линеаризована при изменении расхода воздуха в рабочем диапазоне, т.е. описана линейными уравнениями. Для определения вида статической характеристики объекта проветривания предложено использовать метод сопоставления корреляционной и дисперсионной функций, который позволяет получить по данным нормальной эксплуатации количественную оценку погрешности статической характеристики объекта.

3. Установлено, что в режиме нормальной эксплуатации аэрогазодинамические процессы имеют аддитивный характер, т.е. в них под влиянием производственных процессов выемки полезных ископаемых появляются составляющие, статистические характеристики которых отличаются от характеристик чисто случайных процессов. Аддитивные свойства аэрогазодинамических процессов необходимо учитывать при определении динамических характеристик и при синтезе оптимального управления проветриванием. Предложена методика проверки аэрогазодинамических процессов на аддитивность.

4. Разработан метод аналитического описания всех встречающихся на практике типов переходных газодинамических процессов добычных участков, который позволил получить обобщенное выражение для передаточных функций объектов проветривания с учетом запаздывания и описать динамические свойства добычных участков при различных режимах проветривания. Экспериментально установлено, что линеаризованные динамические характеристики добычных участков в режиме проветривания, когда переходный газодинамический процесс имеет форму «всплеска» концентрации метана, могут быть описаны обыкновенными дифференциальными уравнениями 3-го и 4-го порядка с постоянными коэффициентами, а в режиме проветривания, когда «всплеск» концентрации метана на участке отсутствует, - уравнениями 1 -го и 2-го порядка.

Ввиду недостаточной точности определения динамических характеристик объектов проветривания путем решения интегрального уравнения Винера - Хопфа разработана методика определения динамических характеристик по аддитивным аэрогазодинамическим процессам, использующая корреляционные функции входных и выходных процессов. Методика позволяет получать по данным нормальной эксплуатации математическое описание добычного участка как объекта управления. Обработка экспериментальных данных по рассмотренной методике показала, что объект проветривания является звеном с инвертированным воздействием, а его динамические свойства в режиме нормальной эксплуатации могут быть описаны дифференциальными уравнениями 2-го порядка при учете запаздывания и уравнениями 1-го порядка, если запаздыванием пренебречь.

Библиографический список

1. Арсеньев Б.П., Яковлев С.А. Интеграция распределенных баз данных. СПб: Лань, 2001. 464 с.

2. Абрамов Ф.А., Тян Р.Б., Потемкин В.Я. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. М.: Недра, 1978. 232 с.

3. Босиков И.И., Берко И.А., Берко А.А. Определение передаточной функции объекта проветривания по переходному газодинамическому процессу // Наука и бизнес: пути развития. 2016. № 12 (66). С. 12-14.

4. Босиков И.И., Харебов Г.З., Хугаев Р.Р. Разработка методов и средств контроля параметров рудничной атмосферы природно-промышленной системы горнодобывающего комплекса // Наука и бизнес: пути развития. 2016. № 9 (63). С. 5-7.

5. Босиков И.И., Хугаев Р.Р. Анализ технической системы по критерию точности // Наука и бизнес: пути развития. 2016. № 12 (66). С. 15-18.

6. Васенин И.М., Шрагер Э.Р., Крайнов А.Ю., Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю., Костеренко В.Н. Математическое моделирование нестационарных процессов вентиляции сети выработок угольной шахты // Компьютерные исследования и моделирование. 2011. Т. 3. № 2. С. 155-163.

7. Голик В.И., Разоренов Ю.И. Охрана труда горнорабочих совершенствованием технологии добычи металлов // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 8. С. 49-54. DOI: https://doi.org/10.24000/0409-2961-2017-8-49-54

8. Голик В.И., Заалишвили В.Б. Оптимизация схем

подготовки месторождений наклонными съездами // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. № 1. С. 52-67.

9. Дырдин В.В., Фофанов А.А., Ким Т.Л., Смирнов В.Г., Тациенко В.П., Козлов А.А., Плотников Е.А. Влияние механодеструкции угля на формирование газодинамических процессов при подземной разработке угольных пластов // Безопасность труда в промышленности. 2017. № 8. С 10-15.

10. Рубан А.Д. Артемьев В.Б., Забурдяев В.С., За-бурдяев Г.С., Руденко Ю.Ф. Проблемы обеспечения высокой производительности очистных забоев в метанообильных шахтах. М.: Недра, 2009. 396 с.

11. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. М.: Изд-во МГГУ, 1993. 266 с.

12. Бурчаков А.С., Медведев А.С., Ушаков К.3. Рудничная аэрология. 2-е изд. М.: Недра, 1978. 440 с.

13. Youn R.B., Klyuev R.V., Bosikov I.I., Dzeranov B.V. The petroleum potential estimation of the North Caucasus and kazakhstan territories with the help of the struc-tural-geodynamic prerequisites // Устойчивое развитие горных территорий. 2017. Т. 9. № 2 (32). С. 172-178.

14. Benardos A., Athanasiadis I., Katsoulakos N. Modern earth sheltered constructions: a paradigm of green engineering // Tunnelling and Underground Space Technology. 2014. Vol. 41. P. 46-52.

15. Wang G., Li R., Carranza E. J. M., Yang F. 3D geological modeling for prediction of subsurface Mo targets in the Luanchuan district, China // Ore Geology Reviews. 2015. Vol. 71. P. 592-610.

References

1. Arsen'ev B.P., Yakovlev S.A. Integratsiya raspre-delennykh baz dannykh [Integration of distributed databases]. St. Petersburg: Lan' Publ., 2001, 464 p. (In Russian).

2. Abramov F.A., Tyan R.B., Potemkin V.Ya. Raschet ventilyatsionnykh setei shakht i rudnikov [Calculation of mine and pit ventilation networks]. Moscow: Nedra Publ., 1978, 232 p. (In Russian).

3. Bosikov I.I., Berko I.A., Berko A.A. Determination of transfer function of ventilation object by gas-dynamic transition process. Nauka i biznes: puti razvitiya [Science and Business: Ways of Development]. 2016, no. 12 (66), pp. 12-14. (In Russian).

4. Bosikov I.I., Kharebov G.Z., Khugaev R.R. Development of methods and control tools for mine atmosphere parameters of natural and industrial mining system. Nauka i biznes: puti razvitiya [Science and Business: Ways of Development]. 2016, no. 9 (63), pp. 5-7. (In Russian).

5. Bosikov I.I., Khugaev R.R. The analysis of technical systems by the criterion of accuracy. Nauka i biznes: puti razvitiya [Science and Business: Ways of Development]. 2016, vol. 66, no. 12, pp. 15-18 (In Russian).

6. Vasenin I.M., Shrager E.R., Krainov A.Yu., Paleev D.Yu., Lukashov O.Yu., Kosterenko V.N. Math-

ematical simulation of non-stationary ventilation processes of coal mining. Komp'yuternye issledovaniya i modelirovanie [Computer Research and Modeling]. 2011, vol. 3, no. 2, pp. 155-163. (In Russian).

7. Golik V.I., Razorenov Yu.I. Labor protection of miners by improving the technology of metals mining. Be-zopasnost' truda v promyshlennosti [Occupational Safety in Industry]. 2017, no. 8, pp. 49-54. DOI: https://doi.org/10.24000/0409-2961-2017-8-49-54.

(In Russian).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

8. Golik V.I., Zaalishvili V.B. Optimizing development deposits schemes by slant descents. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zem-le [Proceedings of the TSU. Earth sciences]. 2017, no. 1, pp. 52-67 (In Russian).

9. Dyrdin V.V., Fofanov A.A., Kim T.L., Smirnov V.G., Tacienko V.P., Kozlov A.A., Plotnikov E.A. Effect of coal mechanical destruction on formation of gas dynamic processes at coal layer underground mining. Bezopas-nost' truda v promyshlennosti [Occupational Safety in Industry]. 2017, no. 8, pp. 10-15 (In Russian).

10. Ruban A.D. Artem'ev V.B., Zaburdyaev V.S., Zaburdyaev G.S., Rudenko Yu.F. Problemy obespe-cheniya vysokoi proizvoditel'nosti ochistnykh zaboev v metanoobil'nykh shakhtakh [Problems of ensuring high

productivity of stopes in methane-rich mines]. Moscow: Nedra Publ., 2009, 396 p. (In Russian).

11. Puchkov L.A. Aerodinamika podzemnykh vyrabo-tannykh prostranstv [Aerodynamics of underground gobs]. Moscow: Moscow State Mining University Publ., 1993, 266 p. (In Russian).

12. Burchakov A.S., Medvedev A.S., Ushakov K.3. Rudnichnaya aerologiya [Mine aerology]. Moscow: Nedra Publ., 1978, 440 p. (In Russian).

13. Youn R.B., Klyuev R.V., Bosikov I.I., Dzeranov B.V. The petroleum potential estimation of the North Caucasus and Kazakhstan territories with the help of the

Критерии авторства

Босиков И.И. провел исследование, подготовил статью к публикации и несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

structural-geodynamic prerequisites. Ustoichivoe razvi-tie gornykh territorii [Sustainable Development of Mountain Territories]. 2017, vol. 9, no. 2 (32), pp. 172-178. (In Russian).

14. Benardos A., Athanasiadis I., Katsoulakos N. Modern earth sheltered constructions: a paradigm of green engineering. Tunnelling and Underground Space Technology. 2014, vol. 41, pp. 46-52.

15. Wang G., Li R., Carranza E. J. M., Yang F. 3D geological modeling for prediction of subsurface Mo targets in the Luanchuan district, China. Ore Geology Reviews. 2015, vol. 71, pp. 592-610.

Authorship criteria

Bosikov I.I. has conducted the study, prepared the article for publication and bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.