Источник: Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю/ Донецьк: ДонНТУ, 2010. – №1, С.39-41.
Моделювання аварійних вентиляційних режимів (АВР) у вугільних шахтах відбувається за допомогою комп’ютерних програм з урахуванням досвіду ліквідації аварій. В той же час, досвід моделювання аварійних вентиляційних режимів не узагальнено і кожен фахівець складає методику моделювання АВР на свій розсуд. В статті розглядаются загальні методичні засади моделювання місцевого реверсування вентиляції
Ключові слова: аварійні вентиляційні режими, сценарій моделювання, місцеве реверсування вентиляції
Аварійний вентиляційний режим у вугільній шахті – це режим вентиляції шахти чи її частини у аварійних умовах. Теж саме можна сказати про усі підземні споруди ? рудніки, метрополітени, автомобільні та звлізничні тонелі. В усіх підземних спорудах могут передбачати вентиляційні режими на випадок винекнення аварії.
Всі аварійні режими вентиляції на вугільній шахті поділяються на загально шахтні і місцеві (локальні). До загально шахтних аварійних режимів відносять: реверсування (зміна напрямку руху повітря) вентиляції шахти, комбіновані режими вентиляції (зупинка одного вентилятора і перевод інших вентиляційних установок у режим реверсування вентиляції шахти), нульовий режим вентиляції (вентиляція підземної споруди за рахунок дії природної тяги).
До місцевих режимів відносять наступні: підвищення чи зменшення витрат повітря в гірничих виробках, закорочування вентиляційних потоків (скорочення шляху руху повітря), місцеве реверсування вентиляційних потоків (зміна напрямку руху повітря в окремій виробці чи частині шахтної вентиляційної мережі), спеціальні режими вентиляції (режими вентиляції, які забезпечують чи прискорюють гасіння пожежі).
Комп’ютерне моделювання АВР повинно відбуватися за певним сценарієм [1] з урахуванням умов кожної шахти і досвіду ліквідації аварій [2, 3 ].
Розглянемо особливості комп’ютерного моделювання аварійного вентиляціонного режиму на прикладі місцевого реверсування вентиляції.
Моделювання цього аварійного вентиляційного режиму має пєвні особливості. Це пов’язано з вимогами до фахового рівня користувача комп’ютерною програмою: він повинен вміти вирішувати завдання регулювання розподілу повітря в діагональних вентиляційних з’єднаннях. Перед тим як почати моделювання необхідно визначити: аварійна виробка діагональ [4] або ні? Якщо виробка є діагоналлю, то необхідно визначити за рахунок яких дій ми можемо змінити напрямок руху повітря в аваріній виробці (частині вентиляційної мережі). До таких дій належить підвищення і зменшення опору гірничих виробок, поєднаних з виробкою-диагоналлю. Отже, першим етапом моделювання є оцінка можливості зміни напрямку руху повітря за рахунок зменшення опрору вентиляційних споруд. Ішими словами необхідно визначити чи призведе закорочування вентиляційних потоків до реверсування вентиляції в аварійній виробці або ні?
Опір шляхів закорочування слід визначати відповідно результатам шахтних експериментів [5]. Якщо цей опір попередньо не визначався, треба враховувати два варіанти: аеродинамічний опір видчинених вентиляційних дверей може бути максимальним або мінімальним у відповідності до результатів експериментальних досліджень [5]. Моделювання розподілу повітря відбувається після заміни (зменшення) аеродинамічного опору відповідної гілки вентиляційної мережі. Якщо моделювання закорочування вентиляційного потоку призводить до опрокидування вентиляційного струменя у відповідній гілці-виробці, то одразу необхідно визначити резервний варіант закорочування. Тобто, треба визначити ще одну гілку-виробку (поняття «гілка-виробка» означає, що мова йде про модель гірничої виробки в компь’ютерній моделі шахтної вентиляційної мережі [4]) де зменшення аеродинамічного опору (відкривання вентиляційних дверей) призведе до зміни напрямку руху повітря в моделі аварійної виробки. Наявність резервного варіанту дозволяє підвищити надійність виконання аварійного вентиляційного режиму без зайвих витрат часу.
Наступний крок сценарія моделювання необхідно виконувати в тому випадку, якщо моделювання закорочування вентиляційного потоку не призводить до зміни напрямку руху повітря в моделі аварійної виробки. Цей крок полягає в підвіщенні аеродинамічного опору гілки-виробки яка «лежить» десь у мережі до місця закорочування. Час пошуку і правільність визначення цієї виробки залежить від рівня фаху користувачів комп’ютерною програмою. Після її визначення необхідно знайти також і резервне місце підвищення опору. При визначенні гілок-виробок, опір яких слід підвищувати, треба враховувати наявність пожежних дверей або пожежних арок де можна швидко встановити переносну вентиляційну перемичку [5].
Згідно теоретичним засадам вентиляційних мереж [4], перши два кроки сценарію моделювання можна віднести до пошуку гілок «небезпечних» по зменшенню і підвищенню опору в діагональному з’єднанні гілок.
При моделюванні варіантів місцевого реверсування слід враховувати можливу небезпеку для гірничорятувальників. Наприклад, якщо пожежа виникла у похилій виробці, то після закорочування є небезпека опрокидування вентиляційного потоку тільки за рахунок дії теплової депресії пожежі. В цьму випадку можливе швидке потрапляння пожежних газів з високою температурою на шляхи закорочування і враження тих гірничорятувальників, які тільки-но видчинили вентиляційні двері. В таких випадках першим кроком сценарію є моделювання дії пожежі в похилій виробці, а наступні кроки слід визначати з урахуванням результатів моделювання теплової депресії пожежі. В тих випадках де є загроза швидкого потрапляння пожежних газів в місця знаходження гірничорятувальників слід передбачати підвищення опору шляху закорочування або використяння резервної гілки-виробки де можливе зменшення опору. Можливий час руху пожежних газів до місця закорочування слід визначати з урахуванням дії максимальної теплової депресії пожежі. В реальних умовах послідовність відчинення вентиляційних дверей слід обирати такою, щоб щлях руху гірничорятувальників до безпечного місця був найкоротший.
У випадку пожежі різні варіанти моделювання місцевого реверсування вентиляції залежать від місця винекнення пожежі. Розглянемо можливі варіанти на прикладі звичайно діагонального з’єднання з однією гілкою-диагоналлю (рис. 1).
Припустимо, що пожар виник в диагоналі 2-3 (1,2,3,4 – номері вузлів вентиляційного з’єднання; у вентиляційній мережі вузли моделюють місця з’єднання гірничих виробок ? сполуки). Якщо це горизонтальна виробка, то для моделювання місцевого реверсування може бути достатньо одного з п’ятнадцати вариантів зменшення і підвищеня аеродинамічного опіру гілок-виробок (R1-2, R2-4, R1-3, R3-4). Користувач програми повинен врахувати особливості виробок які складають діагональне з’є днання і обирати найбільш безпечний, дієвий та простіший варіант виконання місцевого реверсування.
Можливість реалізації кожного варіанта моделювання місцевого реверсування в умовах шахти слід визначати враховуюючи наявність у вентиляційній мережі «уявних» диагоналей. Інакше кажучи, в умовах реальної шахти можливі випадки коли забезпечити зменшення чи збільшення опору гірничої виробки неможливо (і в наслідок цього неможливо змінити напрямок руху повітря в гілці-диагоналі). Наприклад, не можна забезпечити великий опір виробки з встановленою переносною перемичкою якщо за кріпленням (по-периметру в місці встановлення переносної перемички) є пустий простір. Крім того, аеродинамічний опір однієї закритої пожежної двері в конвейерній виробці може скласти лише 0, 3 Па с2/м6, а опір прорізів після відчинення вентиляційних дверей ? 3,0 Па с2/м6. Таким чином, можна зробити висновок, що метою моделювання АВР є не тільки встановлення можливості зміни напрямку руху повітря в диагоналі, а і визначення вимог до аеродинамічного опору вентиляційних регуляторів, які будуть використовувати в аварійних умовах. Такі вимоги повинні визначатися в усіх випадках коли місцеві АВР передбачено в плані ліквідації аварій. Крім того, можливість зміни напрямку руху повітря повинна перевірятися в шахтних умовах.
В тих випадках, коли аварійна виробка похила, складність сценаріїв моделювання збільшується, бо треба враховувати дію теплової депресії пожежі. В сучасних програмних комплексах визначення величини теплової депресії пожежі і її моделювання відбувається автоматично. Треба тільки знайти аварійну виробку на екрані монітору і «клацнути» лівою кнопкою комп’ютерної миші по зображенню гілки-виробки на екрані монітору (попередньо треба знайти в піктографічному меню компьютерної програми кнопку «Моделювання пожежі» і натиснути її). В усіх варіантах моделювання головним є не тільки послідовність дій користувача, тобто дотримування сценарію, а і аналіз наслідків моделювання які відбиваються на екрані комп’ютера.
Особливість моделювання місцевого реверсування при пожежі в похилій виробці полягає у визначенні загрози порушення стійкості вентиляційних потоків. Так, наприклад, якщо після зміни напрямку руху повітря в диагоналі напрямок дії теплової депресії пожежі (в вентиляційному контурі з декількох виробок виробок) співпадає з напрямком дії вентилятора головного провітрювання (при висхідному провітрюванні похилої виробки дія теплової депресії пожежі підвищує витрати повітря в аварійній виробці), то існує загроза перекидання вентиляційного потоку в виробках які підводять повітря до кінця похилої аварійної виробки. Наприклад (рис.2), дія теплової депресі пожежі в контурі 2-1-3 (після виникнення пожежі в похилій виробці 2-3 було проведено місцеве ревесування і напрямок руху повітря змінився на 3-2) може призвести до раптового перекидання вентиляційного потоку в гілці 1-2.
В цьому випадку може виникнути рециркуляція пожежних газів у вентиляційному контурі 2-1-3, що призведе до ускладнення умов ліквідації аварії.
Зовсім інші умови виникають якщо після месцевого реверсування вентиляційного потоку теплова депресія пожежі протидіє напрямку дії вентилятора. В цьму випадку дія вентилятора повинна забезпечити перекидання вентиляційного потоку в похилій виробці де повітря йде знизу до гори. Місцеве реверсування повинно змінити висхідне провітрювання на низхідне. В сценарії моделювання послідовність дій не має особливого значення. Тобто, можна спочатку моделювати дію пожежі, а потім вже місцеве реверсування, а можна і навпаки.
В реальних умовах можливий і інший варіант розвитку аварійної ситуації. На початковій стадії розвитку пожежі, коли її теплова депресія ще невелика, вентиляційний потік може змінити напрямок руху. Але з часом, величина теплової депресії може підвищитися, вентиляційний потік може поступово зупинитися і раптом змінити напрямок руху.
В усіх варіантах розвитку аварії де є загроза порушення стікості вентіляції головне ? це аналіз наслідків і, у випадку якщо зміна напрямку руху повітря у похілій виробці не відбувається, необхідно підсилювати дію місцевого реверсування. Припустимо, що пожежа виникла в похилій виробці з висхідним потоком повітря (див. рис. 2) і треба утримати цей вентиляционний потік від перекидання після місцевого реверсування. Можливі дії по підсиленню місцевого реверсування (якщо реального підвищення опору гілок 2-4 і 1-3, а також зменшення опору гілок 1-2 і 3-4 не достатньо) пов’язані зі збільшенням загальних витрат повітря в діагональному з’єднанні. Для цього потрібно використовувати регулятори встановлені за межами цього вентиляційного з’єднання
Вищенаведений аналіз можливих сценаріїв моделювання місцевого реверсування дозволяє розділити усі схожі сценарії на дві групи. В першій групі необхідно моделювати дії теплової депресії пожежі (пожежа у похилій виробці або пожежні гази можуть потрапити у похилу виробку), а другій – ні.
Сценарії можна поділити в залежності від складності виконання. Спочатку найбільш прості – зміна напрямку руху повітря тільки за рахунок зменьшення опору вентиляційних споруд (10% усіх випадків). Далі середні по складності ? зміна напрямку руху повітря відбувається тільки за рахунок збільшення опору гілок-виробок (закривання пожежних дверей, встановлення переносних перемичок чи закривання відкритих вентиляційних дверей). Складні – місцеве реверсування відбувається після зменшення і збільшення опору тих гілок-виробок, які «небезпечні» по зміні опору (з точки зору теорії стійкості вентиляційних потоків у діагональних з’єднаннях).
У загальному вигляді сценарій моделювання місцевого реверсування може набути такий вигляд