|
|
О единых методологических принципах решения проблем проветривания рудников
Б.П. Казаков
Источник:http://www.mi-perm.ru/sess2007/sess2007-111.htm
Вентиляционные сети подземных рудников с каждым годом становятся все более сложными и разветвленными. Фронт очистных работ постепенно удаляется от шахтных стволов, что усложняет доставку свежего воздуха в рабочие зоны. На удаленных участках шахтных полей всё чаще ощущается нехватка свежего воздуха, при этом горные работы продолжают развиваться, к шахтному полю прирезаются новые участки, и, соответственно, потребность рудников в воздухе возрастает.
На всех калийных рудниках применяется центральная схема с всасывающим способом проветривания. Для его осуществления на стадии проектирования предусматриваются самые мощные центробежные, высоконапорные вентиляторы типа ВРЦД-4,5 или ВЦД-47, производительность которых достигает 35000 м3/мин. Общее количество воздуха, поступающее через воздухоподающие стволы на всех действующих рудниках, обычно в 1,5-2 раза превышает расчётные значения.
Однако, как показывают воздушно-депрессионные съёмки, свежий, атмосферный воздух уходит к вентиляционным стволам и выбрасывается в атмосферу, не достигая рабочих зон. Увеличение производительности главных вентиляторных установок (ГВУ) не даёт необходимого эффекта, т.к. при этом возрастают внешние и внутрирудничные утечки воздуха, энергетические затраты на проветривание рудников резко возрастают, появляется перекос в воздухораспределении между участками: на одни участки воздуха поступает больше требуемых значений, на другие — меньше. Резерв увеличения производительности главных вентиляторных установок на многих рудниках отсутствует, т. к. работают они на предельных режимах.
В настоящее время на многих рудниках ведутся активные работы по внедрению систем рециркуляционного проветривания, способствующих доставке свежего воздуха в трудно-проветриваемые зоны шахтных полей.
Все эти годы совершенствовалась нормативная база, разрабатывались и активно применялись самые различные способы перераспределения рудничного воздуха между участками вентиляционных сетей:
1) используется положительный и отрицательный способы управления воздухораспределением;
2) разработан ряд типовых подземных дополнительных источников тяги (ППВУ, ПВВУ, ПВУ);
3) разработаны и используются программы для расчёта вентиляционных сетей;
4) разработано руководство по вентиляции труднопроветриваемых зон;
5) разработан технологический регламент по организации проветривания рудников;
6) разработаны «Единые правила безопасности по разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом».
Эти разработки в той или иной степени применяются на калийных рудниках и зачастую эффективно решают задачи вентиляции труднопроветриваемых зон и местного проветривания отдельных удалённых участков вентиляционной сети. Организация рециркуляционного проветривания рудника в целом путём размещения источника тяги в сбойке между транспортным и вентиляционным штреками, применение которой разрешено ЕПБ с 2003 года, представляется наиболее привлекательной с точки зрении экономии воздуха и энергии. Однако в таких случаях возникают неуправляемые рециркуляционные потоки, которые полностью нарушают общую схему проветривания рудника. Таким образом, как показывают воздушно-депрессионные съёмки, в настоящее время на большинстве рудников осуществляется неуправляемое проветривание рабочих зон с использованием неконтролируемой рециркуляции.
По нашему мнению, сегодня в области повышения безопасности работ и решении проблем проветривания калийных рудников остро встала проблема формулирования и использования единых методологических принципов на всех этапах проектирования и создания вентиляционных систем. Это могут быть принципы системности; комплексности; достоверности, полноты и критичности информации, её анализа и оценки значений исследуемых параметров и т.д.
В частности, принцип системности предполагает наличие этапа исследования каждой части рассматриваемой системы. Например, в случае проектирования новых участков или рудников, при выборе источников тяги необходимо исследовать их взаимодействие с существующими сетями, проанализировать возможность изменения работы системы на заданную перспективу. Оптимальное место расположения источника тяги для разработки систем рециркуляции необходимо рассчитывать для каждого случая индивидуально, только после создания расчетной вентиляционной сети с помощью математического моделирования различных вариантов систем рециркуляционного проветривания.
Принцип комплексности заключается в исследовании всей системы при комплексном воздействии на её элементы всех источников тяги и переменных сопротивлений сети с учётом их взаимного влияния друг на друга.
Принцип критичности заключается в необходимости бесстрастной регистрации контролируемых переменных параметров системы, достоверность которых гарантируется качеством и критичностью анализа текущей информации, чего, по нашему мнению, возможно достичь только с применением автоматизированных систем управления.
Организация проветривания вентиляционных сетей большой размерности, каковыми являются современные калийные рудники, представляет собой достаточно сложную задачу ввиду многофакторности и изменчивости механизмов, определяющих движение воздуха по подземным выработкам. Каждый элемент вентиляционной сети в той или иной степени оказывает влияние на распределение расходов воздуха по всему руднику. При этом величину расхода воздуха в конкретной выработке определяют все элементы сети с разной степенью влияния.
Ситуация осложняется ещё тем, что вентиляционная сеть постоянно претерпевает изменения, в результате которых проветривание некоторых участков может становиться недостаточным. Изменения, вызванные разработкой новых добычных участков, проходкой дополнительных выработок, происходят планово и не часто, и им, как правило, предшествуют определённые мероприятия по реорганизации проветривания для новых условий.
Иначе обстоит дело с частыми, незапланированными изменениями, которые могут вызывать нежелательные перераспределения воздушных потоков. К таким изменениям можно отнести открытие-закрытие ворот, возведение или снос перемычек, отключение-включение подземных вспомогательных вентиляторов. К подобным же изменениям следует отнести увеличение концентрации вредных веществ в исходящей струе, вызванное внезапным выделением газа из горного массива или пожаром. Возникающий в результате этих изменений дефицит свежего воздуха на некоторых участках вентиляционной сети должен оперативно и целенаправленно ликвидироваться.
Очевидно, что все перечисленные направления рационально разрабатывать и учитывать по возможности одновременно и параллельно. При этом их целесообразно увязать между собой с помощью единой системы автоматического управления проветриванием рудника (САУП), при проектировании которой были бы учтены все вышеизложенные методологические принципы.
Централизованная система автоматического управления проветриванием (САУП), предназначенная для своевременного и быстрого реагирования на недопустимые изменения расходов воздуха и концентраций вредностей в нём и устранения возникающих проблем имеющимися в распоряжении системы средствами регулирования воздухораспределения, является наиболее эффективной для решения задач рудничной вентиляции.
Главным звеном централизованной САУП является управляющая вычислительная машина. Её функции заключаются в приёме информации о параметрах вентиляционной сети и составе рудничной атмосферы, решении сетевой нелинейной задачи оптимального регулирования, определении управляющих воздействий и выдачи их на исполнительные органы с целью обеспечения требуемого перераспределения расходов воздуха между выработками рудничной вентиляционной сети. Под «оптимальным регулированием» подразумевается не просто обеспечение всех участков рудника необходимым количеством воздуха, а обеспечение воздухом при минимальных затратах энергии, под которыми, как правило, принято понимать минимизацию нагрузки на главную вентиляционную установку.
Для нормального функционирования САУП должна состоять из следующих необходимых элементов:
1. Управляющая вычислительная машина (УВМ) – центральное звено системы, получающее и обрабатывающее всю информацию о вентиляционной сети и выдающее команды исполнительным органам регуляторов;
2. Датчики - устройства, сигнализирующие УВМ об изменении расходов воздуха в выработках, в которых значения их регламентированы;
3. Регуляторы – механизмы, с помощью которых УВМ управляет воздухораспределением в сети.
Задача управления не имеет однозначного решения, т.е. решений может быть бесконечно много или может не быть вообще. Если решение есть, то некоторый диапазон регулируемых параметров соответствует допустимым расходам воздуха в ветвях. Задача управления заключается не только в нахождении какого-нибудь любого решения и даже не всего возможного диапазона решений, но в выборе одного из всех возможных решений по определённому критерию.
Критерии могут быть разные, но, как правило, решение выбирается по критерию наименьших энергозатрат. Например, если одним из регуляторов является ГВУ (наиболее энергопотребляющая часть рудничной вентиляционной сети), то из всех решений, обеспечивающих требуемое воздухораспределение в сети, должно быть выбрано то, которое будет соответствовать наименьшему потреблению электроэнергии ГВУ.
Описанный алгоритм оптимального управления воздухораспределением численно реализован в качестве отдельного модуля в программном комплексе «АэроСеть», созданном в лаборатории Аэрологии и теплофизики Горного института УрО РАН. Модуль оптимального управления позволит минимизировать нагрузку на ГВУ с помощью варьирования сопротивлений отрицательных регуляторов.
Системы рециркуляционного проветривания становятся особенно эффективными при их использовании в составе систем автоматического управления проветриванием. Автоматическое управление проветриванием позволяет снизить энергетические затраты на проветривание при одновременной сбалансированной доставке воздуха в рабочие зоны в необходимом количестве. В настоящее время ведутся работы по внедрению автоматизированных систем контроля параметров проветривания и систем автоматического управления воздухораспределением.
Анализ результатов расчёта показывает, что при удачной расстановке отрицательных регуляторов численное манипулирование их сопротивлениями позволяет снизить депрессию ГВУ более чем в 2 раза при сохранении нормативного воздухораспределения. Полученные результаты и их анализ, несомненно, подтверждают целесообразность и перспективность развития методов оптимального регулирования проветриванием рудников как энергосберегающих технологий, на основе которых должна строиться САУП. Применение автоматических систем управления проветриванием и подготовки воздуха оптимальных параметров для рудников позволит снизить энергетические затраты на извлечение руды на 25-30%.
Системы вентиляции рудников с автоматическим управлением воздухораспределением по выработкам и рабочим зонам рудников, спроектированные с учетом единых методологических принципов, являются новыми перспективными технологиями, которые позволят обеспечить безопасность работ, рациональное природопользование и экологическую безопасность в горнорудной промышленности.
|