CC BY
53
© Д.Ю. Палеев, О.Ю. Лукашов, 2013
УДК 622. 814
Д.Ю. Палеев, О.Ю. Лукашов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ ПЛАНОВ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ "ВЕНТИЛЯЦИЯ ", "УДАРНАЯ ВОЛНА" И "ВОДОСНАБЖЕНИЕ"
Рассмотрены вопросы повышения эффективности составления планов ликвидации аварии (ПЛА) с использованием специализированных компьютерных программ, ориентированных на моделирование возможных аварийных ситуаций в угольных шахтах.
Ключевые слова: вентиляция, водоснабжение, ударные волны, математическое моделирование, безопасность, план ликвидации аварии, программный комплекс.
Безопасность функционирования горного предприятия во многом определяется эффективностью противо-аварийной системы зашиты подземных работ. Система слагается из многих факторов. Одним из них является надёжное проветривание, возможность регулирования и управления вентиляционными потоками в условиях аварий. Немаловажную роль играет противопожарное водоснабжение шахты и способность ее трубопроводной сети обеспечить требуемые расходы воды на аварийном участке. Огромную роль играет и знание размеров зон поражения при потенциальном взрыве метана и возможность участия в нем отложившейся на стенках аварийного участка угольной пыли.
Основным документом системы, в котором присутствуют практически все элементы обеспечения безопасности, является ПЛА [1, 2].
При ликвидации подземных аварий часто приходится принимать управляюшие решения при остром дефиците времени на перебор и анализ их вариантов и производить в сжатые сроки многочисленные, разной степени сложности, инженерные расчёты. Сейчас в мире разрабатываются и совершенствуются различные компьютерные программы и методы расчёта
нормального и аварийного функционирования угольного предприятия. Каждая из этих программ применима для расчёта одного класса задач и обладает определёнными достоинствами и недостатками, в разной степени используя графические возможности современных компьютеров. Однако эти программы обладают одним общим недостатком - они раздельно решают вопросы вентиляции, противопожарного водоснабжения, взрыва и распространения ударных волн по сети горных выработок, применяя устаревшие методы их решения.
Неэффективность раздельного подхода обусловлена тем, что процессы проветривания, формирования пожаров, воспламенения метана и угольной пыли часто взаимосвязаны и следуют один из другого. Пожар всегда приводит к появлению тепловой депрессии, которая, играя роль источника дополнительной тяги, может изменить направление вентиляционной струи и создать условия для опасного повышения концентрации метана в горных выработках с потенциальной угрозой взрыва. Взрыв, в свою очередь, приводит к разрушению вентиляционных и изолирующих сооружений и резко изменяет режим проветривания аварийного участка и всей шахты в целом. Такой сценарий развития аварийной ситуации требует, чтобы при расчётах вентиляции, противопожарного водоснабжения и распространения ударных волн по горным выработкам каждая программа получала информацию об изменившемся состоянии горных выработок из компьютерного расчёта другой программы.
Вентиляционные расчёты. Многие известные программы рассчитывают аварийные процессы в упрощенной постановке. Так, очаг пожара моделируется постоянным источником тепловой депрессии, которая действует только в пределах одной горной выработки. Перемещение пожара и появление дополнительных источников тепловой депрессии в других выработках, обусловленных прогретыми пожарными газами, распространяющимися по ходу движения вентиляционной струи, не учитываются. Не рассматриваются многие специфические вопросы ведения горноспасательных работ: посылка отделений по кратчайшим маршрутам для разведки, спасения людей и тушения пожара; изменение распространения дыма в шахте при реверсировании вентиляционной струи и т.д.
На всех шахтах России в настоящее время используется программный комплекс Вентиляция для расчета нормального и аварийного воздухораспределения в шахте (Рис. 1). Все расчеты основываются на пространственной топологии горных выработок с возможностью учета температурных перепадов и газовыделения.
В качестве источников тяги используются вентиляторы главного и местного проветривания. Поддерживаются прямой и реверсивный режимы работы с возможностью различия характеристик вентиляторов в этих режимах. Информация о шахте может включать в себя данные о сопряжениях, выработках, вентиляционных и изоляционных сооружениях и расстановке людей.
Расчетная часть комплекса включает в себя следующие задачи:
- нормальное воздухораспределение;
- аварийное воздухораспределение;
- устойчивость проветривания при пожаре
- устойчивость проветривания при разрушении шлюзов;
- задачи плана ликвидации аварий (движение горнорабочих и горноспасателей в различных условиях);
- нулевой режим проветривания;
- учет перепада температур и газовыделения в горных выработках;
- реверсивное воздухораспределение.
Сервисная часть отличается возможностью вывода пространственной (топологической) и плоской (технологической) схем горных выработок. В последней можно создавать произвольное количество модификаций, формируя, например, схему плана ликвидации аварий, вентиляционную схему и др.
"Вентиляция" наделена широчайшими в своем классе возможностями работы с данными о топологии шахты. Она включает в себя инструменты, существенно упрощающие редактирование пространственной сети выработок. Среди них: разбивка и объединение ветвей, произвольная трансформация части или всей шахты целиком, объединение нескольких шахт, получение проекции сети на произвольную плоскость, инструменты перенумерации элементов и т.д. Результаты большинства расчетов могут быть показаны в графическом виде.
Рис.
1.
Рабочие окна программы «Вентиляция»
Расчёт пожарно-оросительного трубопровода. Технология подземной добычи угля предполагает бесперебойную подачу в шахту больших количеств воды, которая расходуется на устройство водяных завес, на пылеподавление, связывание и удаление осевшей в выработках угольной пыли, орошение угля при его отбойке и погрузке, предварительное орошение угля в массиве и т.п. [3] При возникновении пожара в горных выработках расход воды на его тушение должен резко увеличиваться. Подаётся вода в очаг пожара с помошью автоматических и ручных средств пожаротушения в виде компактных и распыленных струй, воздушно-механической пены или заиловочной пульпы. В обязательном порядке осушествляется снижение температуры пожарных газов, распространяюшихся по горным выработкам, включением водяных завес. Для реализации этих задач и транспортирования воды в шахту предназначен пожар-но-оросительный трубопровод.
Сеть пожарно-оросительного трубопровода современной угольной шахты в большинстве случаев запитывается от нескольких источников водоснабжения, характеризуется значительной протяжённостью и, как правило, является закольцованной. Зачастую в ней имеются критические точки, приток воды в которые гарантирован только при условии работы по-высительных насосов, расположенных как на поверхности, так и в горных выработках шахты. В качестве источников подземного водоснабжения используются городской водопровод, естественные и искусственные водоёмы, вода из системы водоотлива шахты. При проектировании такой системы противопожарного водоснабжения шахты и составлении Плана ликвидации аварий приходится рассматривать несколько десятков вариантов водораспределения, расчёт каждого из которых требует исключительно трудоёмких вычислений. Причём, действую-шие нормативные документы требуют определения свободных напоров во всех узлах магистрального и участкового трубопроводов при подаче к ним нормируемого расхода воды в различных режимах работы. В результате, сделать полный гидравлический расчёт противопожарного водоснабжения современной угольной шахты традиционными методами без применения ЭВМ стало, практически, невозможно. Разработанные другими авторами программы работают, как правило, в алфавитно-цифровом режиме и некорректно рассчитывают распределе-
ние воды в пожарно-оросительном трубопроводе, имеющем замкнутые контуры, повысительные насосы и понижающие давление воды редукторы. Подключение к системе водоотлива ими не рассматривается.
Программный комплекс Водоснабжение используется для расчета подземного пожарно-оросительного трубопровода шахты (рис. 2). Он позволяет рассчитывать сложные закольцованные сети с учетом повысительных насосов, понизительных редукционных узлов, разгрузочных резервуаров, задвижек и потребителей различного типа. Программа обладает блоком комплексного анализа, позволяющим выявлять такие нестандартные ситуации, как перелив резервуаров, нехватка давления и многое другое.
В основе исходных данных в "Водоснабжении" лежит пространственная сеть горных выработок с проложенным по ним пожарно-оросительным трубопроводом. Это позволяет максимально приблизить трубопроводную сеть к топологии шахты.
Расчетная часть "Водоснабжения" включает в себя:
- индивидуальные расчеты;
- пакетный режим.
Последний режим посредством специальных сценариев позволяет составлять таблицу результатов, соответствующую официальному руководству по проектированию противопожарной защиты угольных шахт.
Блок визуализации данных, по аналогии с программным комплексом "Вентиляция", состоит из топологической и технологической схем. Каждая из них может работать в различных режимах вывода (выработки, выработ-ки+трубопровод, только трубопровод) с применением разных цветовых раскрасок, включая окраску по давлению воды в трубах, что позволяет провести экспресс анализ и сделать предварительные выводы о наличии или отсутствии воды в трубопроводной сети.
Расчёт зон поражения. Исключительная сложность физических процессов, предшествующих взрыву, протекающих в ходе его инициирования и распространения по горным выработкам, в сочетании с недостатком, а иногда и полным отсутствием информации о месте, причинах и условиях его формирования, требуют у горного инженера глубоких профессиональных
Водоснабжение
Н_Ие
Рис. 2. Рабочие окна программы «Водоснабжение»
знаний, когда он сталкивается с этим грозным явлением. За рубежом для расчёта параметров ударных волн до сих пор используется методика, основанная на ручном счёте и большом количестве эмпирических коэффициентов. С её помощью можно рассчитать затухание только переднего фронта ударной волны, распространяющейся по одному маршруту. В ней не рассматривается отражение ударных волн от твердых поверхностей в местах поворота, их взаимодействие и формирование волн разрежения. Не учитывает она и вторичные очаги взрыва пылегазовых смесей по ходу движения ударной волны. В итоге горноспасатели получают недостаточную точность при расчёте главного параметра взрывного процесса - избыточного давления во фронте ударной волны.
Следует отметить, что все ранее используемые на шахтах программы не в полной мере используют графические возможности современных компьютеров. Они не отображают на дисплее компьютера пространственное изображение сети горных выработок, а дают упрощенное её двухмерное отображение в виде схемы на плоскости.
Ударная волна - программный комплекс, который используется для расчета зон поражения при взрывах газа и пыли в горных выработках угольной шахты (Рис. 3). Математическая часть основана на решении системы нестационарных уравнений газовой динамики, согласованных с известными экспериментальными данными [4].
Программа позволяет рассчитывать зоны поражения, исходя из предположения, что в пространственной сети горных выработок известны местоположение и размеры загазованной области. Давление и температура в ней вычисляются автоматически.
Поскольку расчет распространения ударных волн ведется во времени (нестационарная постановка задачи), то пользователю доступны все промежуточные результаты вычислений, что позволяет проводить подробный анализ развития ситуации при взрыве. Сами области поражения отображаются на трехмерной топологической схеме, которою пользователь может произвольно вращать и масштабировать.
¡С
_I_
Рис. 4
Разработка ПЛА требует специальных знаний и навыков решения сложных практических задач по рудничной аэрологии, связанных с распределением воздуха по шахтной вентиляцион-
ной сети, управлением газовыделением, поражающих факторов аварии, локализации подземных аварий и ликвидации их последствий. Повышение эффективности мероприятий по спасению людей, предусматриваемых в позициях ПЛА, возможно за счёт повышения инженерного уровня разработки ПЛА. Поэтому в современных производственных условиях в аварийных ситуациях возрастает роль оперативного управления проветриванием с учётом воздействия поражающих факторов (задымлённость выработок, нарушение проветривания вследствие влияния тепловой депрессии и разрушения вентиляционных сооружений) и выполнение гидравлических расчётов пожарного водоснабжения с использованием компьютерных технологий.
Таким образом, решение вопросов безопасности угольной шахты невозможно без разработки новых программных комплексов, обеспечивающих решение более широкого круга задач ПЛА, большую точность и наглядность представления результатов. Причём, всё усложняющиеся и взаимоувязанные задачи вентиляции, противопожарного водоснабжения и распространения ударных волн требуют единого подхода к формированию исходной информации, в основе которого должна лежать пространственная топология сети горных выработок.
На рис. 4 приведена структурная схема использования 3-х программных комплексов для разработки ПЛА на предприятиях ОАО «СУЭК».
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПБ 05-618-03 Правила безопасности в угольных шахтах, - 2004.
2. Инструкция по составлению планов ликвидации аварий на угольных шахтах. Утверждена Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, приказ от 1.12.2011 г. №681, - г. Москва.
3. РД 05-366-00 Инструкция по проектированию пожарно-оросительного водоснабжения шахт. Утверждена постановлением Госгор-технадзора России от 22.06.00 № 37, - г. Москва.
4. Методика газодинамического расчета параметров ударных волн при взрывах газа и пыли. Утверждена Госгоргехнадзором России 02.04.2003. н'.ц=1
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Палеев Дмитрий Юрьевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией, [email protected],
Лукашов Олег Юрьевич - кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, [email protected]
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.
