Свойства вентиляционной сети связаны с действием первого и второго законов сети (законы Кирхгоффа) [1]. В общем случае можно считать, что свойства сети учитывают реакцию сети на возникновение в ней вентиляционного возмущения (за исключением случаев опрокидывания вентиляционных потоков). Иначе говоря, «свойства сети» – это закономерности которые учитывают общие изменения распределения воздуха вследствие действия определенных факторов. Например, после отрицательного и положительного регулирования распределения расходов воздуха, обрушения пород кровли выработок, движения транспортных средств, возникновения тепловой депрессии пожара и т.п.
     Свойство узла вентиляционной сети: сумма изменений расходов воздуха в узле вентиляционной сети, при изменении расхода воздуха в ветви, которая связана с этим узлом, равняется нулю
ΣΔQ_i = 0.          (1)
     Свойство узла связано с первым законом сети. Оно означает, что в случае когда расход воздуха в какой–то ветви (рис. 1, ветвь 3) изменится (например, вследствие изменения сопротивления ветви) от Q₃ к Q'₃, то алгебраическая сумма изменений расходов воздуха в других ветвях связанных с этим узлом (1, 2 или 4, 5) будет равна этому изменению(ΔQ₃) ΔQ₃ = ΔQ₂ – ΔQ₁ = ΔQ₅ – ΔQ₄

Рис. 1 – Схема соединения ветвей в двух узлах

     В случае, когда узел связывает более трех ветвей, свойство узла вентиляционной сети можно записать в следующем виде:
ΣΔQ_p + ΣΔQ_н = ΣΔQ₀ ,          (2)
     где ΣΔQ_p – сумма изменений расходов воздуха в ветвях с регуляторами расхода воздуха;
      ΣΔQ_н – сумма изменений расходов воздуха в ветвях без регуляторов, по которым воздух поступает к узлу;
     ΣΔQ₀ – сумма изменений расходов воздуха в ветвях по которым воздух выходит из узла.
     Понятие «регулятор», в данном случае, означает ветвь в которой действует источник вентиляционного возмущения, уменьшающий или увеличивающий расход воздуха в этой ветви. Так, например (рис. 2), уменьшение сопротивления регуляторов в ветвях 1, 2 привело к увеличению (+) расхода воздуха в этих двух ветвях на 10 м³/с (Q₁ + Q₂ = ΣΔQ_p). При этом суммарный расход воздуха в ветвях 3,4 уменьшился (–) на 4 м³/с (Q₃ + Q₄ = ΣΔQ_н ). Тогда величина увеличения (+) расхода в ветви 5 (Q₅ = ΣΔQ₀) составит 6 м³/с.

Рис. 2 – Схема соединения ветвей в узле

     Свойство вентиляционного контура: сумма изменений депрессии в ветвях вентиляционного контура, вследствие изменения депрессии одной из ветвей этого контура, равняется нулю

ΣΔh_i = 0.           (3)
     Так, например, при изменении депрессии ветви 1-2 (рис. 3) вследствие действия каких-то факторов (Δh_1-2), сумма изменений депрессии в других ветвях будет равна изменению депрессии ветви 1-2. При увеличении сопротивления ветви 1-2 ее депрессия и депрессия ветви 1-4 увеличится (Δh_1-4), а депрессия ветвей 2-5 и 5-4 уменьшится (Δh_2-5, Δh _5-4)

Рис. 3 – Схема элементарного вентиляционного контура

Δh_1-2 = Δh_4-1 - Δh_2-5 - Δh_5-4.
     Из первых двух свойств вытекает свойство возобновления действия законов шахтной вентиляционной сети: при изменении режима проветривания элементов вентиляционной сети, действие первого и второго законов сети восстанавливается автоматически.
     Свойство затухания вентиляционного возмущения в вентиляционной сети: изменения расходов воздуха и депрессии во внутреннем контуре передаются во внешние вентиляционные контуры с уменьшением величины изменений.
     Смысл понятия «затухание вентиляционного возмущения» связан с понятиями «внутреннего» и «внешнего» контуров. Условное распределение на внутренние и внешние контуры в параллельно–последовательном соединении показывает (рис. 4), что внутренний контур является составной частью внешнего. Так, например, вентиляционный контур 3-А-4-3 является «внутренним» по отношению к контуру 2-3-4-5-2, т.е. контур 2-3-4-5-2 по отношению к нему – «внешний». В свою очередь контур 2-3-4-5-2 является внутреннем по отношению к контуру 1-2-3-4-5-6-1 и так далее.
     В данной схеме изменение расхода воздуха в ветви 3-А-4, после увеличения или уменьшение сопротивления этой ветви, будет большим чем изменение расхода воздуха в ветвях 3-4, 2-5 и 1-6
ΔQ_3-A-4 > ΔQ_3-4 > ΔQ_2-5 > ΔQ_1-6.

Рис. 4 – Схема последовательно-параллельного вентиляционного соединения

     В шахтах и рудниках на затухание вентиляционного возмущения также влияет наличие связей выработанного пространства с горными выработками. Разветвленная вентиляционная сеть действует как своеобразный «демпфер». Этот демпфер уменьшает распространение вентиляционного возмущения в направлении от внутренних к внешним вентиляционным контурам. Поэтому, повышение сопротивления лавы до бесконечности (например, вследствие обрушения породы) на современной шахте с разветвленной сетью выработок, никак не отразится на расходах воздуха в стволах или на подаче вентилятора главного проветривания.
     Наличие эффекта затухания вентиляционного возмущения в сети, позволяет предположить, что существует определенная зона, где можно зафиксировать изменения расходов воздуха. К такой зоне принадлежит совокупность выработок, в которых расход воздуха изменится на величину большую, чем абсолютная погрешность устройства для измерения скорости воздуха.В отличие от изменений во внутреннем контуре, изменения (вентиляционные возмущения) в ветвях внешнего контура отражаются на всех ветвях внутренних контуров.
     Определение режима проветривания ветви-выработки (двойное название означает, что выработка является частью реальной шахты и, одновременно, элементом виртуальной вентиляционной сети) возможно с помощью «приведенной» характеристики выработки. Имеется в виду, что эта характеристика выработки является производной от характеристики вентилятора (-ров) главного проветривания. В аварийной вентиляции вместо термина «приведенная» используют название «напорная» характеристика [2, 3].
     В общем случае можно считать приведенной характеристикой линию (воображаемую совокупность точек) на которой лежат все возможные режимы проветривания ветви-выработки (рис. 5, линия 1-1). Координаты точки (А) пересечение аэродинамической характеристики (парабола 1) с приведенной определяют депрессию ветви-выработки (h_в) и расход воздуха в ней (Q_в).

Рис. 5 – Определение режима проветривания выработки

     Графическое решение можно показать в аналитическом виде. Координаты точки А определяет совместное решение уравнений аэродинамической и приведенной характеристик
В соответствии с (2), расход воздуха в ветви-выработке – определяет уравнение
Q_e = √ A_e/ (R_e + b_e)            (4)
     Депрессию выработки определяет следующая формула: h_e= R_e*A_e/(R_e + b_e)            (5)
     Формулы 5 и 6 позволяют определить режим вентиляции большинства горных выработок [3], т.е. выработок в которых приведенные характеристики можно описать с помощью параболы (h = A - bQ² ). Таким образом, можно считать, что приведенная характеристика представляет собой закономерность которая описывает изменение режима проветривания ветви-выработки при изменении ее аэродинамического сопротивления.
     Каждый элемент вентиляционной сети который связан с сетью только в двух узлах (ветвь-выработка, вентиляционное соединение или вентиляционный участок) имеет свою приведенную характеристику. Наличие приведенной характеристики у отдельных элементов вентиляционной сети (ветвей-выработок и вентиляционных соединений) можно считать одним из главных свойств вентиляционных сетей подземных сооружений (шахты рудники, тоннели, метрополитены).
     Использование графического изображения приведенной характеристики в аэрологии имеет важное значение. Оно дает возможность показать влияние сети на формирование режима вентиляции ее елементов и «механизм» влияния отдельных факторов на режим вентиляции этих элементов.
     Для показа влияния вентиляционного возмущения на режим вентиляции в аэрологии используется «активизированная» характеристика [2, 3, 4]. Термин «активизированная» означает, что эта характеристика учитывает действие какого-то источника энергии (тяги) в вентиляционном контуре или ветви-выработке.
     В качестве факторов, действие которых можно учесть с помощью активизированной характеристики, рассматривается действие естественной тяги, тепловой депрессии пожара, падающей или распыленной воды, падающего угля, движение транспорта и т.п. Каждый из этих факторов имеет свою характеристику (характеристика источника тяги) которую можно показать (для какого-то промежутка времени) в виде прямой линии параллельной оси абсцисс (рис. 6, линия h_п). Если свободное сечение выработок уменьшается в следствие расположения в них трубопроводов, перемычек, регуляторов, вагонов, конвейеров, водяных и сланцевых заслонов, противопожарных средств и т.п., то это можно учесть увеличением аэродинамического сопротивления ветви-выработки в комп’ютерной модели.
     Активизированную характеристику ветви-выработки можно получить прибавлением или вычитанием характеристики источника тяги из аэродинамической характеристики ветви-выработки [4]. Так, например, если направление движения падающей воды или угля совпадает с направлением движения воздуха, то депрессию (характеристика h_п) которую создает падающий уголь (распыленная или падающая вода, естественная тяга, движение транспорта и т.п.) надо вычесть по ординатам из аэродинамической характеристики (линия R).
     Активизированная характеристика ветви-выработки будет иметь вид параболы смещенной относительно начала координат вниз (линия R_i). Если направление действия источника тяги не совпадает с направлением действия вентилятора – депрессия hп прибавляется к аэродинамической характеристике (линия R'_i). Уравнение описывающее соответствующую активизированную характеристику ветви-выработки (R_i, R'_i) имеет вид: h = RQ² ± h_п.            (6)
     Наличие приведенных характеристик всех ветвей-выработок шахты позволяет определять аэродинамические параметры выработок используя только одно измерение (если на шахте поддерживают компьютерную модель шахтной вентиляционной сети). Так, например, при появлении на шахте новой выработки большой длины достаточно только измерить в ней расход воздуха и ввести его значение в комп’ютерную модель с помощью программного комплекса «IRS Вентиляция шахт – ПЛА» [5, 6].
     Программа сама определяет величину депрессии и соответствующую ей величину аэродинамического сопротивления ветви-выработки. Тоже самое можно делать измеряя только депрессию выработок с вентиляционными шлюзами или перемычками (особенно, в тех случаях когда условия измерения скорости воздуха в выработке не отвечают соответствующим требованиям [7]).

Рис. 6 – График определения режима проветривания горной выработки с помощью активизированной характеристики

     В некоторых случаях моделирование позволят определять аэродинамическое сопротивление одновременно нескольких ветвей–выработок. Использование программного комплекса «IRS Вентиляция – ПЛА» на горных предприятиях и в подразделениях ГВГСС позволяет значительно сократить трудозатраты на проведение измерений в шахтах и рудниках.

ВЫВОДЫ

Определены свойства вентиляционной сети характеризующие закономерности изменений в вентиляционной сети после возникновения вентиляционного возмущения.

Использование свойства узла вентиляционной сети позволят установить связь между изменением расходов воздуха в ветви-регуляторе и объекте регулирования.

Свойства вентиляционной сети вместе с законами вентиляционной сети составляют теоретические основы аэрологии вентиляционных сетей.

Графоаналитический метод анализа свойств шахтной вентиляционной сети позволяет визуализировать особенности формирования режима вентиляции отдельных элементов сети с учетом действия вентиляционных возмущений.

Наличие приведенных характеристик у каждого элемента вентиляционной сети является одним из свойств сети; приведенные характеристики отображают закономерности изменения режима вентиляции элементов вентиляционной сети при изменении аэродинамического сопротивления этих элементов.

Использование программного комплекса «IRS Вентиляция шахт – ПЛА» на шахтах и рудниках позволяет специалистам горных предприятий самостоятельно поддерживать компьютерные модели вентиляционных сетей и автоматизировать решение задач управления вентиляцией.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ушаков К.З. и др. Аэрология горных предприятий. – М.: «Недра». – 1987. – 421 С.
2. Болбат И.Э., Лебедев В.И., Трофимов В.А. Аварийные вентиляционные режимы в угольных шахтах. – М.: «Недра». – 1992. – 206 С.
3. Лебедев В.И. Исследование вентиляционных режимов при пожарах в уклонных полях шахт Донбасса/ Автореферат дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук, Донецк, ДПИ. – 1975. – 19 С.
4. Бодягин М.Н. Рудничная вентиляция. – М.: «Недра». – 1967. – 310 С.
5. Трофимов В.А., Романченко С.Б. Моделирование шахтных вентиляционных сетей с использованием ПЭВМ: Методическое пособие. – Донецк, Доннту. – 2002. – 21 С.
6. Каледина Н.О., Романченко С.Б., Трофимов В.А. Компьютерное моделирование шахтных вентиляционных сетей: Методические указания. – М.: Из-во Московского государственного горного университета, 2004. – 72 с.
7. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Держохоронпраці. – 2005. – 398 С.