Практика експлуатації вугільних шахт показує, що в процесі виробничої діяльності, служби вентиляції (ділянка ВТБ) вирішують велике коло завдань, пов'язаних з забезпеченням гірничих виробок необхідною витратою повітря, контролем кількісних та якісних показників, що характеризують стан провітрювання, прогнозуванням наслідків аварій та складанням планів їх ліквідації . Для вирішення цих завдань необхідні знання особливостей шахти та методик, що дозволяють отримувати ці рішення.
В останні роки, на Україні та в Росії, розроблені різні версії програмного забезпечення, що дозволяє автоматизувати рішення основних завдань вентиляції вугільних шахт та плану ліквідації аварій. Це ж програмне забезпечення може використовуватися для розрахунків вентиляції рудників, метрополітенів та тунелів.
Дослідно-промислове впровадження програмного забезпечення на окремих шахтах виявило, що його застосування дозволяє оперативно вирішувати дві основні групи завдань. Перша група — питання, пов'язані з нормальними умовами експлуатації шахти (підземної споруди), друга — основних завдань плану ліквідації аварій.
Завдання першої групи:
— автоматизований розрахунок аеродинамічних опорів проектованих гірничих виробок за відомими значеннями їх довжин, перетинів і, відповідних, типів кріплення;
— розрахунок опору вентиляційного "вікна";
— прогноз повітрярасподілу для проектованної шахти, виїмкового поля або окремої гірничої виробки;
— оцінка ефективності регулювання розподілу повітря в гірничих виробках, після збільшення або зменшення опору гірничої виробки (групи виробок);
— контроль відповідності швидкості повітря у виробках вимогам Правил безпеки;
— виявлення вентиляційних споруд, при зменшенні опорів у яких (закорачування), можливе порушення стійкості провітрювання в виїмкових та підготовчих вибоях;
— прогноз зміни режиму провітрювання гірських виробок після зміни кута установки лопаток вентилятора або заміни вентиляторів головного провітрювання.
Використання цієї групи завдань дозволяє (на підставі аналізу результатів моделювання) прогнозувати стійкість провітрювання та забезпеченість повітрям нових виїмкових полів і ділянок. Така оцінка можлива на всю перспективу існування шахти. Крім того, можна заздалегідь оцінити ефективність зміни схеми провітрювання шахти або можливі наслідки регулювання, пов'язані з ліквідацією старих та установкою нових вентиляційних споруд.
Використання другої групи завдань дозволяє оцінити умови порятунку людей при виникненні екзогенних пожеж:
— автоматизована побудова зони розповсюдження пожежних газів в гірських виробках (за вогнищем пожежі);
— автоматизований розрахунок величини теплової депресії пожежі та оцінка стійкості вентиляційних потоків, при пожежі в похилій виробці;
— автоматизоване визначення оптимальних маршрутів виходу людей із зони розповсюдження пожежних газів та побудови їх на екрані монітора;
— автоматизоване визначення оптимальних маршрутів руху рятувальників.

Тому при підготовці ПЛА на вугільних шахтах проводяться дослідження стійкості провітрювання при пожежах в похилих виробках. В даний час ці дослідження проводяться за допомогою спеціальних комп'ютерних програм. Однією з таких програм є Комплекс програм «IRS Вентиляція - ПЛА».
Шахтна вентиляційна мережа включає всі підземні шляхи руху повітря , гірничі виробки, шляхи внутрішніх витоків повітря й з'єднання гірських виробок. Можна вважати, що до «кордонів» шахтної мережі належать місця «з'єднання» шахтних столбів, з одного боку, з земною поверхнею, а з іншого - з'єднання столба, по якому повітря рухається з шахти, з каналом вентилятора.
Подальший розподіл шахтної вентиляційної мережі на окремі частини (структура підземної частини мережі) залежить від схеми вентиляції шахти. Це можуть бути «крила» шахтного поля, секції, похилі або бремсбергові поля. У рамках цих частин шахтної вентиляційної мережі можна виділити окремі ділянки з виїмковими або підготовчими вибоями.
Під час вимірювань або розрахунків іноді користуються поняттям «вентиляційна ділянка». Воно відрізняється від вищенаведених структурних одиниць вентиляційної мережі. Вентиляційна ділянка - це окрема частина вентиляційної мережі шахти, яка поєднується з мережею тільки в двох сполуках (вузлах).
До елементарним (таких, що далі не розподіляються) частин вентиляційної мережі належать шляхи подачі повітря (гілки-виробки) між двома найближчими з'єднаннями і самі з'єднання (вузли-з'єднання). Тобто, шахтна вентиляційна система, представлена у вигляді вентиляційної мережі, що складається тільки з гілок-виробок і вузлів-з'єднань.
До нормованих одиниць вентиляційної мережі відносяться вентиляційні з'єднання. Послідовні, паралельні, діагональні та комбіновані з'єднання можуть складатись як з окремих гірських виробок, так і з окремих вентиляційних ділянок.
Згідно з наведеними частинам шахтної вентиляційної мережі, кожну з них характеризують аеродинамічні параметри: статична депресія (h), витрата повітря (Q) і опір руху повітря (R).

Параметр R вимагає уточнення. Слід відрізняти загальне поняття «опору» від поняття «аеродинамічний опір». До аеродинамічного опору відносяться: опір тертя повітря об стінки гірських виробок, місцеві опори (повороти виробок, звуження і розширення перетину виробок, з'єднання виробок) і лобові опори (обладнання та транспортні засоби які частково заповнюють перетин виробок). Але, крім того, на розподіл повітря в гірських виробках впливає дія активних факторів: природної тяги, падіння води і вугілля в похилих виробках і вибоїнах, рух транспортних засобів.

В аварійних умовах для ліквідації аварій використовують різні пристрої, які теж впливають на розподіл повітря у вентиляційній мережі. Термін «активний» означає, що ці фактори не тільки впливають на розподіл повітря, але можуть змінювати напрямок руху вентиляційного струменя у окремих виробках або частинах шахтної мережі.
Активні чинники не впливають безпосередньо на аеродинамічній опір, тобто на коефіцієнт аеродинамічного опору виробок, але їх дія може виглядати як зменшення або збільшення опору окремої виробки або частини вентиляційної мережі. Теоретично дію окремих факторів можна показати (якщо потрібно відокремити вплив окремих факторів на розподіл повітря в мережі) за допомогою спеціальних активізованих характеристик. Така характеристика враховує дію окремого джерела тяги у виробці або вентиляційному з'єднанні.
Таким чином, поняття «аеродинамічний опір» можна вживати тільки для окремих виробок, їх частин та вентиляційних з'єднань, які не містять «активних» збудників руху повітря. Якщо ж у сукупності виробок, які розглядаються діє який-небудь збудник руху повітря (крім вентилятора головного провітрювання), то слід використовувати більш узагальнене поняття опору: опір виробки, опір мережі, опір вентиляційної ділянки і т.д. Такий поділ дозволяє відокремити та показати (візуалізувати за допомогою графічного методу) вплив окремого збудника руху повітря на розподіл повітря, у випадках, коли в мережі діє кілька штучних та природних збудників руху повітря.
Відповідно, слід відрізняти аеродинамічні та активізовані характеристики виробок (вентиляційну ділянку, вентиляційне підключення мережі).
Таким чином, кожну окрему частину вентиляційної мережі можна характеризувати відповідними параметрами, що дозволяє узагальнити рекомендації щодо підвищення ефективності вентиляції в цих частинах шахти і зрозуміти особливості побудови вентиляційної мережі шахти.

Цілі та задачі

Метою дипломної роботи є дослідження стійкості провітрювання при пожежі похилих виробок з низхідним провітрюванням.
Задачі роботи полягають у розрахунку аварійного повітряросподілу, визначення місць можливого перекидання (зміни напрямку руху) повітря, виділення всіх виробок в які потрапляють пожежні гази (зона загазування), оцінки стійкості провітрювання та розробка можливих варіантів підвищення стійкості провітрювання цих виробок.

Передбачувана наукова новизна

Візуалізація напірних характеристик дозволяє підвищити ефективність вивчення методики оцінки стійкості провітрювання при пожежах в похилих виробках.

Вплив пожежі на провітрювання похилих виробок

Теплова депресія, що виникає при пожежі в похилій або вертикальній виробці, носить локальний характер, так як гази, які утворюються при пожежі, переміщуючись по виробці, інтенсивно охолоджуються.

Рис. 1.1 Спрощена схема похилого поля

Рис. 1.2 Графік до визначення впливу теплової депресії пожежі на провітрювання похилого поля

Припустимо, пожежа виникла на ділянці похилу (рис. 1,1), за яким зверху вниз рухається свіжий струмінь. Розглянемо можливі режими провітрювання похилого поля при дії теплової депресії.
Припустимо, що напірна характеристика похилого поля виражається кривой 1 (рис. 1.2). Під напірною характеристикою похилого поля мається на увазі характеристика такого умовного вентилятора, який працював на мережу виробок, чинячи на них такий же вплив, як і реальний вентилятор головного провітрювання. Через напірну характеристику враховується вплив виключаємої частини вентиляційної мережі. У результаті складна схема мережі може бути спрощена і приведена до роботи одиночного вентилятора на просту мережу або навіть окрему виробку. Ця обставина має важливе значення для оперативної оцінки стану провітрювання аварійної ділянки і вибору ефективного вентиляційного режиму.
Нормальний режим провітрювання похилого поля (до пожежі) визначається перетином зазначеної напірної характеристики з аеродинамічною характеристикою похилого поля 5, описуваного рівнянням

h = RQ²,

де h - депресія похилого поля, Па;
R - загальний опір виробок похилого поля, Нс/м;
Q - загальна витрата повітря у виробках похилого поля, м³/с.
На рис. 1.2 нормальний режим провітрювання зображен точкою А, координати якої ОМ та АМ відповідають значенням витрати повітря і депресії.
З виникненням пожежі починає діяти теплова депресія, яку можна уподібнити роботі встановленого в похилі додаткового вентилятора. Характеристика цього вентилятора в координатах h-Q для кожного моменту часу представляє собою пряму, паралельну осі абсцис. Новий режим провітрювання похилого поля можна знайти, скориставшись методом активізованою мережі. Сутність його полягає в тому, що аеродинамічна характеристика підсумовується (віднімається) з одниміз джерел тяги.
Підсумувавши характеристику мережі і характеристику теплової депресії, отримаємо криву 4, що є активізованою характеристикою мережі похилого поля. Дія теплової депресії призводить до зниження витрати повітря, яке надходить в похиле поле з одночасним зростанням депресії вентилятора що припадає на похиле поле. Остання витрачається на подолання теплової депресії та на переміщення повітря по виробкам похилом поля.

h = h + RQ²,

де h - теплова депресія, Па;
Q - витрата повітря в похилому полі при пожежі, м³/с.
Точка С (див. рис. 1.2) є критичною, тому що вона ділить область можливих режимів провітрювання похилого поля на розташовану праворуч зону нормального напряму вентиляційного струменя та розташовану зліва зону перекинутого струменя.

Стійкість провітрювання похилих виробок при пожежах.

Перекидання повітряного струменя під дією теплової депресії відбувається в тому випадку, якщо її величина перевищить деяке критичне значення. Критичною називається максимальна депресія, яку вентилятор головного провітрювання може створити в діючій виробці. Перекидання вентиляційного струменя під дією теплової депресії не відбудеться, якщо буде виконуватися нерівність.

ht < hkp

де ht - теплова депресія пожежі, Па;
hkp - критична депресія виробки, Па.

Анімація1 - Розповсюдження пожежних газів по виробкам
(Кількість кадрів — 52, об'єм — 84кб, розміри — 1280*892 px, кількість повторень — 5)

Червоний - аварійна виробка
Жовтий - зона поширення пожежних газів до перекидання вентиляційного струменя
Блакитний - зона поширення пожежних газів після перекидання вентиляційного струменя

На практиці для виробок з низхідним провітрюванням проводиться моделювання виникнення в них пожежі, розраховується значення теплової депресії (на 90 хвилин розвитку), проводиться аналіз всіх виробок мережі на можливість зміни в них напрямку руху повітря. Результати розрахунків наводяться у вигляді таблиці.
На підставі зіставлення величини теплової депресії пожежі та критичної депресії фахівці, які розробляють ПЛА роблять висновки про можливість мимовільного перекидання струменя при пожежі та при необхідності розробляють заходи щодо її підвищення.

Заходи щодо підвищення стійкості провітрювання виробок з низхідним рухом повітря.

Якщо в результаті розрахунку встановлено, що під дією теплової депресії може статися перекидання вентиляційного струменя, то слід передбачити заходи щодо підвищення стійкості провітрювання.
Підвищити стійкість провітрювання похилої виробки при пожежі можна двома способами: зменшенням теплової або збільшенням критичної депресії. Однак вплинути на зміну теплової депресії можна у вельми обмеженій мірі. Тому практичне значення має другий спосіб - підвищення критичної депресії.
Практично критичну депресію похилої виробки можна підвищити наступними способами:
- збільшенням опору виробок зі свіжою струменем повітря, розташованих паралельно аналізованої;
- встановленням перемичок в збійки, що з'єднують паралельні похилі виробки з однаковим напрямком струменів;
- збільшенням подачі вентилятора головного провітрювання;
- закорачуванням вентиляційних струменів нижче вогнища пожежі.

Висновок

У даній роботі були проведені дослідження стійкості провітрювання похилих виробок з низхідним провітрюванням при пожежах. Показані напірні характеристики та їх зміна при підвищенні стійкості провітрювання. Розроблені способи підвищення стійкості провітрювання виробок при пожежах

1. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. — М.: Недра, 1986, — 387с.
2. Болбат И.Е., Лебедев В.И., Трофимов В.А. Аварийные вентиляционные режимы в угольных шахтах — М.: Недра, 1992 г.,— 204с.
3. Трофимов В.О., Булгаков Ю.Ф., Кавєра О.Л., Харьковий М.В. Аерологія шахтних вентиляційних мереж. — Донецьк, 2009. — 87 с.
4. Лебедев В.И. Исследование вентиляционных режимов при пожарах в уклонних полях шахт Донбасса: Автореф. дис. …канд. техн. наук — Донецк, 1974.— 19 с.
5. Рекомендації по вибору ефективних режимів провітрювання шахт при аваріях// НДИІД. — Донецьк. — 1995. — 165 с.
6. Каледіна І.О., Романченко С.Б., Трофимов В.О. Комп'ютерне моделювання шахтних вентиляційних мереж: Методичні вказівки. — М.: Видавництво МГГУ. 2004 — 72 с.
7. Каледіна І.О., Романченко С.Б., Трофімов В.О., Горбатов В.А. Комп'ютерне моделювання задач протиаварійного захисту шахт: Методичні вказівки. — М.: Видавництво МДГУ. 2004 — Частина 1. — 45 с.
8. Руководство по проектирова вентиляции угольных шахт [Электронный ресурс]/Вентпортал, — http://www.ventportal.com/node/1017
9. Trofimov V.A., Romanenko S.B., Study Guide on practical seminars: Mine modeling of ventilation networks on a computer — Donetsk: DonNTU. — 2005 - p.28.
10. Перемычки шахтные [Электронный ресурс]/ Шахтное оборудование, — http://www.sp-ufa.ru/catalog17.htm

UA EN RU