Актуальность работы

Практика эксплуатации угольных шахт показывает, что в процессе производственной деятельности, службы вентиляции (участок ВТБ) решают большой круг задач, связанных с обеспечением горных выработок необходимым расходом воздуха, контролем количественных и качественных показателей, характеризующих состояние проветривания, прогнозированием последствий аварий и составлением планов их ликвидации. Для решения этих задач необходимы знания особенностей шахты и методик, позволяющих получать эти решения.
В последние годы, на Украине и в России, разработаны различные версии программного обеспечения, позволяющего автоматизировать решение основных задач вентиляции угольных шахт и плана ликвидации аварий. Это же программное обеспечение может использоваться для расчетов вентиляции рудников, метрополитенов и тоннелей.
Опытно-промышленное внедрение программного обеспечения на отдельных шахтах показало, что его применение позволяет оперативно решать две основные группы задач. Первая группа — задачи, связанные с нормальными условиями эксплуатации шахты (подземного сооружения), вторая — основных задач плана ликвидации аварий.
Задачи первой группы:
— автоматизированный расчет аэродинамических сопротивлений проектируемых горных выработок по известным величинам их длин, сечений и, соответствующих, типов крепи;
— расчет сопротивления вентиляционного «окна»;
— прогноз воздухораспределения для проектируемой шахты, выемочного поля или отдельной горной выработки;
— оценка эффективности регулирования распределения воздуха в горных выработках, после увеличения или уменьшения сопротивления горной выработки (группы выработок);
— контроль соответствия скорости воздуха в выработках требованиям Правил безопасности;
— выявление вентиляционных сооружений, при уменьшении сопротивлений которых (закорачивание), возможно нарушение устойчивости проветривания в выемочных и подготовительных забоях;
— прогноз изменения режима проветривания горных выработок после изменения угла установки лопаток вентилятора или замены вентиляторов главного проветривания.

Использование этой группы задач позволяет (на основании анализа результатов моделирования) прогнозировать устойчивость проветривания и обеспеченность воздухом новых выемочных полей и участков. Такая оценка возможна на всю перспективу существования шахты. Кроме того, можно заранее оценить эффективность изменения схемы проветривания шахты или возможные последствия регулирования, связанные с ликвидацией старых и установкой новых вентиляционных сооружений.

Использование второй группы задач позволяет оценить условия спасения людей при возникновении экзогенных пожаров:
— автоматизированное построение зоны распространения пожарных газов в горных выработках (за очагом пожара);
— автоматизированный расчет величины тепловой депрессии пожара и оценка устойчивости вентиляционных потоков, при пожаре в наклонной выработке;
— автоматизированное определение оптимальных маршрутов выхода людей из зоны распространения пожарных газов и построение их на экране монитора;
— автоматизированное определение оптимальных маршрутов движения горноспасателей.

Поэтому при подготовке ПЛА на угольных шахтах проводятся исследования устойчивости проветривания при пожарах в наклонных выработках. В настоящее время эти исследования проводятся с помощью специальных компьютерных программ. Одной из таких программ является Комплекс программ «IRS Вентиляция — ПЛА».

Шахтная вентиляционная сеть включает все подземные пути движения воздуха есть, горные выработки, пути внутренних утечек воздуха и соединения горных выработок. Можно считать, что к «границам» шахтной сети принадлежат места «соединения» шахтных стволов, с одной стороны, с земной поверхностью, а с другой — соединение ствола, по которому воздух движется из шахты, с каналом вентилятора.
Дальнейшее распределение шахтной вентиляционной сети на отдельные части (структура подземной части сети) зависит от схемы вентиляции шахты. Это могут быть «крылья» шахтного поля, секции, уклонные или бремсберговые поля. В рамках этих частей шахтной вентиляционной сети можно выделить отдельные участки с выемочными или подготовительными забоями.
Во время измерений или расчетов иногда пользуются понятием «вентиляционная участок». Оно отличается от вышеприведенных структурных единиц вентиляционной сети. Вентиляционная участок — это отдельная часть вентиляционной сети шахты, которая сочетается с сетью только в двух соединениях (узлах).
К элементарным (таких, что дальше не распределяются) частей вентиляционной сети принадлежат пути подачи воздуха (ветви-выработки) между двумя ближайшими соединениями и сами соединения (узлы-соединения). То есть, шахтная вентиляционная система, представленная в виде вентиляционной сети, состоящей только из ветвей-выработок и узлов-соединений.
К нормированным единицам вентиляционной сети относятся вентиляционные соединения. Последовательные, параллельные, диагональные и комбинированные соединения могут состоять как из отдельных горных выработок, так и из отдельных вентиляционных участков.
Согласно приведенным частям шахтной вентиляционной сети, каждую из них характеризуют аэродинамические параметры: статическая депрессия (h), расход воздуха (Q) и сопротивление движению воздуха (R).
Параметр R требует уточнения. Следует отличать общее понятие «сопротивления» от понятия «аэродинамическое сопротивление». К аэродинамическому сопротивлению относятся: сопротивление трения воздуха о стенки горных выработок, местные сопротивления (повороты выработок, сужение и расширение сечения выработок, соединения выработок и лобовые сопротивления (оборудование и транспортные средства частично заполняющие сечение выработок). Но, кроме того, на распределение воздуха в горных выработках влияет действие активных факторов: естественной тяги, падение воды и угля в наклонных выработках и выбоинах, движение транспортных средств.
В аварийных условиях для ликвидации аварий используют различные устройства, которые тоже влияют на распределение воздуха в вентиляционной сети. Термин «активный» означает, что эти факторы не только влияют на распределение воздуха, но могут изменять направление движения вентиляционной струи в отдельных выработках или частях шахтной сети.
Активные факторы не влияют непосредственно на аэродинамической сопротивление, т.е. на коэффициент аэродинамического сопротивления выработок, но их действие может выглядеть как уменьшение или увеличение сопротивления отдельной выработки или части вентиляционной сети. Теоретически действие отдельных факторов можно показать (если нужно отделить влияние отдельных факторов на распределение воздуха в сети) с помощью специальных активизированных характеристик . Такая характеристика учитывает действие отдельного источника тяги в выработке или вентиляционном соединении.
Таким образом, понятие «аэродинамическое сопротивление» можно употреблять только для отдельных выработок, их частей и вентиляционных соединений не содержащие "активных" возбудителей движения воздуха. Если же в совокупности выработок рассматриваемых действует какой-нибудь возбудитель движения воздуха (кроме вентилятора главного проветривания), то следует использовать более обобщенное понятие сопротивления: сопротивление выработки, сопротивление сети, сопротивление вентиляционного участка и т.д. Такое разделение позволяет отделить и показать (визуализировать с помощью графического метода) влияние отдельного возбудителя движения воздуха на распределение воздуха, в случаях, когда в сети действует несколько искусственных и естественных возбудителей движения воздуха.
Соответственно, следует отличать аэродинамические и активизированы характеристики выработки (вентиляционный участок, вентиляционное соединение сети).
Таким образом, каждую отдельную часть вентиляционной сети можно характеризовать соответствующими параметрами, что позволяет обобщить рекомендации по повышению эффективности вентиляции в этих частях шахты и понять особенности построения вентиляционной сети шахты.

Цели и задачи

Целью дипломной работы является — исследование устойчивости проветривания при пожаре в наклонных выработках с нисходящим проветриванием.
Задачи работы заключаются в расчёте аварийного воздухораспределения, определении мест возможного опрокидывания (изменения направления движения) воздуха, выделения всех выработок в которые попадают пожарные газы (зона загазирования), оценки устойчивости проветривания и разработка возможных вариантов повышения устойчивости проветривания этих выработок.

Предполагаемая научная новизна

Визуализация напорных характеристик позволяет повысить эффективность изучения методики оценки устойчивости проветривания при пожарах в наклонных выработках.

Влияние пожара на проветривание наклонных выработок

Тепловая депрессия, возникающая при пожаре в наклонной или вертикальной выработке, носит локальный характер, так как газы, которые образуются при пожаре, перемещаясь по выработке, интенсивно охлаждаются .

рис. 1.1 Упрощённая схем уклонного поля

рис. 1.2 График к определению влияния тепловой депрессии пожара на проветривание уклонного поля

Допустим, пожар возник на участке уклона (рис. 1,1), по которому сверху вниз движется свежая струя. Рассмотрим возможные режимы проветривания уклонного поля при действии тепловой депрессии.
Предположим, что напорная характеристика уклонного поля выражается кривой 1 (рис. 1.2). Под напорной характеристикой уклонного поля подразумевается характеристика такого условного вентилятора, который работал на сеть выработок, оказывая на них такое же влияние, как и реальный вентилятор главного проветривания. Через напорную характеристику учитывается влияние исключаемой части вентиляционной сети. В результате сложная схема сети может быть упрощена и приведена к работе одиночного вентилятора на простую сеть или даже отдельную выработку. Это обстоятельство имеет важное значение для оперативной оценки состояния проветривания аварийного участка и выбора эффективного вентиляционного режима.
Нормальный режим проветривания уклонного поля (до пожара) определяется пересечением указанной напорной характеристики с аэродинамической характеристикой уклонного поля 5, описываемой уравнением

h=RQ² ,

где h — депрессия уклонного поля, Па;
R — общее сопротивление выработок уклонного поля, Нс /м ;
Q — общий расход воздуха в выработках уклонного поля, м³/с.
На рис.1.2 нормальный режим проветривания изображён точкой А, координаты которой ОМ и АМ соответствуют значениям расхода воздуха и депрессии.
С возникновением пожара начинает действовать тепловая депрессия, которой можно уподобить работе установленного в уклоне дополнительного вентилятора. Характеристика этого вентилятора в координатах h — Q для каждого момента времени представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. Новый режим проветривания уклонного поля можно найти, воспользовавшись методом активизированной сети. Сущность его заключается в том, что аэродинамическая характеристика суммируется (вычитается) с одним из источников тяги.
Просуммировав характеристику сети и характеристику тепловой депрессии, получим кривую 4, являющуюся активизированной характеристикой сети уклонного поля. Действие тепловой депрессии приводит к снижению расхода воздуха, которое поступает в уклонное поле с одновременным возрастанием депрессии вентилятора приходящейся на уклонное поле. Последняя расходуется на преодоление тепловой депрессии и на перемещение воздуха по выработкам уклонного поля.

h =h +RQ²

где h — тепловая депрессия, Па;
Q - расход воздуха в уклонном поле при пожаре, м³/с.
Точка С (см. рис. 1.2) является критической, так как она делит область возможных режимов проветривания уклонного поля на расположенную справа зону нормального направления вентиляционной струи и расположенную слева зону опрокинутой струи.

Устойчивость проветривания наклонных выработок при пожарах.

Опрокидывание воздушной струи под действием тепловой депрессии происходит в том случае, если ее величина превысит некоторое критическое значение. Критической называется максимальная депрессия, которую вентилятор главного проветривания может создать в действующей выработке. Опрокидывание вентиляционной струи под действием тепловой депрессии не произойдет, если будет выполняться неравенство.

ht< hkp

где ht — тепловая депрессия пожара, Па;
hkp — критическая депрессия выработки, Па

Анимация1- Распространение пожарных газов по выработкам
(Количество кадров — 52, объём — 84кб, размеры — 1280*892 px, количество повторений — 5)