ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Автоматизована система виявлення безпечних маршрутів виходу гірників з вироблень під час аварійної ситуації

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Зміст

Вступ

Вугільна шахта - складна виробнича система з особливо небезпечними умовами експлуатації, де існують не тільки випадкові зміни геологічних та інших природних умов, а й порушення правил безпечного ведення гірських робіт, відмова техніки, порушення технології та інші небажані явища. Незважаючи на вжиті заходи безпеки, аварії на гірничому підприємстві неминучі. Застосування комп'ютерних систем і розробка програмного забезпечення дає можливість якісно нового вирішення складних проблем гірничого виробництва та оформлення документації всіх технічних служб гірничих підприємств.

1. Актуальність теми

Гірською справою людство займається багато тисячоліть. Вугільна промисловість України є потенційно небезпечною галуззю народного господарства країни. У зв'язку зі збільшенням глибини розробки, протяжності діючих гірничих виробок, конвеєрних ліній і енергетичних кабельних мереж, із зростанням метановиділення і енергоємності застосовуваних машин і устаткування небезпека виникнення аварій у вугільних шахтах залишається досить високою. Головним завданням охорони праці на шахтах при виникненні аварійної ситуації є забезпечення безпечного виходу людей на свіжий струмінь і на поверхню як можна швидше. Людське життя безцінне, тому порятунок людей при аваріях на шахтному виробництві є невід'ємною частиною вугільної промисловості.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета роботи - визначення оптимального безпечного маршруту виходу гірників з вироблення великої протяжності під час аварійної ситуації.

Основі задачі дослюдження:

  1. Дослідження способів подання гонних виробок у вигляді графа.
  2. Розробка моделі розвитку аварійної ситуації у виробках.
  3. Дослідження методів пошуку оптимального маршруту виходу гірників на моделі розвитку аварійної ситуації у виробленнях

3. Наукова новизна.

Розробка моделі розвитку аварійної ситуації у виробках, розробка методів визначення оптимального маршруту з урахуванням моделі розвитку аварійної ситуації.

4. Практичне значення роботи.

Розроблені моделі та інформаційно-аналітичні технології дадуть можливість удосконалити процес безпечної евакуації гірників з гірничої виробки великої протяжності під час аварійної ситуації, що є завданням державної ваги.

5. Математична формалізація.

Вважаємо, що гірську виробку можна представити у вигляді циліндричного каналу зі змінним перерізом S (z), де z - координата, відраховується вздовж осі каналу. Не обмежуючи спільності, вважаємо, що осередок пожежі в гірничій виробці предвігается зі швидкістю νn, координату z пожежі приймемо рівної νn t і вважаємо температуру вогнища пожежі T (x, y, νn, t) заданої функцією. Прогрітий в осередку пожежі вентиляційний потік поширюється по гірничій виробці зі швидкістю u. На поверхні каналу має місце теплообмін з гірським масивом за законом Ньютона. До виникнення пожежі початкова температура повітряного середовища і поверхні порід масиву передбачається постійною - T(x, y, z, 0) = T0 = const і Tпір = T0.

pic1

де div і grad - оператори дивергенції і градієнта;

λ, c, ρ – теплопровідність, теплоємність і щільність повітряного середовища;

α – коефіцієнт теплообміну повітря в каналі з поверхнею гірничої виробки ∂Ω;

Ω – циліндрична область з поперечним перерізом S(z);

ƒ(x,y,t) – монотонна неубутною функція часу t – ƒ(x,y,0) =T0;

n- орт зовнішньої нормалі до ∂Ω;[10]

Процес поширення пожежних газів по гірничій виробці, осредняя температуру по радіусу, можна записати рівняннями:

pic1

αв – температуропровідність потоку, обумовлена залежністю α = 3,5•10-3u0T/Tв;

T – поточна температура потоку, К;

Tв, Тn – температури повітряного потоку і порід до виникнення пожежі, К;

α – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2•К);

R- еквівалентний радіус вироблення, м;

λ(T) – теплопровідність повітря, Вт/(м•К);

x, t – просторова й тимчасова координати, м і с;

ƒ(t) – функція зміни температури в осередку горіння при розвитку пожежі.

Рішення рівняння (2) з урахуванням швидкості переміщення пожежі νn(м/c) має вигляд:

T=Tв+(ƒ(t)-Tв)•e-A(x-νnt)/u , (3)

Процес поширення тепла в породах, що оточують гірську виробку, при радіусі вироблення R> 1,6 м, можна розглядати як в стержні, тобто використовувати рівняння теплопровідності з граничними умовами третього роду. Рішення цього рівняння має вигляд:

pic1

де r, t - просторова й тимчасова координати, м і с;

H=α/λ

α- температуропровідність порід, м2/c;

Tn.o.- початкова температура порід, К. [11]

6. Представлення гірських виробок.

Гірничі виробки можна уявити використовуючи орієнтований граф. Гірничі роботи ведуться за певною системою та плануванням, використовуючи планограмму розвитку гірничих робіт. Ця планограмма відображається на планах гірничих робіт по кожному пласту, на якому ведуться роботи. Розвиток гірничих робіт здійснюється за певний інтервал часу (t) і в певному місці корисної копалини, тобто, здійснюється в часі і в просторі. Дана інформація відображається на маркшейдерських планах гірських робіт у вигляді змін кожної виробки за певний час.

Модель гірничої виробки на площині являє собою граф (мережа маршрутів, рис.1). Шлях у графі - це послідовність вершин (без повторень), в якій будь-які дві сусідні вершини суміжні, причому кожна вершина є одночасно кінцем однієї дуги і початком наступної дуги. Зважений граф - це граф, деяким елементам якого (вершин, ребер або дуг) зіставлені числа. Числа - позначки носять різні назви: вага, довжина, вартість. Довжина шляху в зваженому (зв'язковому) графі - це сума довжин (ваг) тих ребер, з яких складається шлях. Відстань між вершинами - це довжина найкоротшого шляху.

Необхідно визначити найбільш оптимальний алгоритм пошуку шляху в графі, який відображає модель гірничої виробки, з урахуванням динаміки розвитку аварійної ситуації.

Аналіз алгоритмів, застосовуваних в даний час для пошуку найкоротших шляхів між вершинами графа, дозволив виявити алгоритми Уоршолла, Дейкстри, Форда. Всі алгоритми характеризуються різними обчислювальними затратами і дозволяють вирішувати поставлену задачу, але найбільш ефективним вважається алгоритм Дейкстри.[9].

pic1

Рис. 1. Модель гірничої виробки на площині.

7. Алгоритм Дейкстри.

Алгоритм використовує три масиви з N (= числу вершин мережі) чисел кожен. Перший масив S містить мітки з двома значення: 0 (вершина ще не розглянута) та 1 (вершина вже розглянута), другий масив B містить відстані - поточні найкоротші відстані від до відповідної вершини, третій масив з містить номери вершин - k - й елемент З [k] є номер передостанній вершини на поточному найкоротшому шляху з Vi в Vk. Матриця відстаней A [i, k] задає довжини дузі A [i, k]; якщо такої дуги немає, то A [i, k] присвоюється велика кількість Б, однакову "машинної нескінченності"[10].

1) (ініціалізація). У циклі від 1 до N заповнити нулями масив S; заповнити числом i масив C; перенести i - й рядок матриці A в масив B, S [i]: = 1; C [i]: = 0 (i - номер стартової вершини)

2) (загальний крок). Знайти мінімум серед невідміченим (тобто тих k, для яких S [k] = 0); нехай мінімум досягається на індексі j, тобто B [j] <= B [k] Потім виконуються наступні операції:

S[j]:=1;

якщо B[k] > B[j]+A[j, k], то ( B[k]:=B[j]+A[j, k]; C[k]:=j )

Умова означає, що шляхVi ... Vk довший, ніж шлях Vi...Vj Vk. Якщо усі S [k] відзначені, то довжина шляху від Vi до Vk дорівнює B [k].

3) (видача відповіді). Шлях від Vi до Vk видається в зворотному порядку наступною процедурою:

3.1. z:=C[k];

3.2. Видати z;

3.3. z:=C[z]. Якщо z = О, то кінець, інакше перейти до 3.2.

Для виконання алгоритму потрібно N раз переглянути масив B з N елементів, тобто алгоритм Дейкстри має квадратичну складність. Даний алгоритм працюємо у зважених середовищах, а так же оновлює вузли при знаходженні кращого шляху до них.

Існують алгоритми більш ефективні, ніж процедура багаторазового повторення алгоритму Дейкстри. Ці алгоритми належать Флойду і Данцигу. Для задачі пошуку оптимального шляху в шахті вони дещо поступаються алгоритму Дейкстри оскільки мають кубічну складність; використовуються, якщо вага дуг мають негативні значення; швидкість виконання нижче, ніж в алгоритмі Дейкстри.

На рис.2 представлена анімація побудови безпечного оптимального шляху виведення гірників з шахти під час аварійної ситуації. Зображено маршрут виведення гірників під час аварійної ситуації, вогнище аварії, а також небезпечні зони. Обрано безпечний маршрут для людей з урахуванням зон вогнища аварії, а також загазуваних ділянок, які є небезпечними для гірників. Синіми стрілками показаний найкоротший шлях руху гірників під час аварійної ситуації, але цей шлях не є безпечним. Зеленими стрілками прокладений оптимальний маршрут виведення людей з шахти, з урахуванням безпеки та оптимальності.

Пример оптимального пути вывода людей из шахты во время аварийной ситуации.

Рис.2. - Приклад оптимального шляху виведення людей з шахти під час аварійної ситуації.
(Анімація: обсяг - 61 КБ, розмір - 600x368, кількість кадрів - 12, затримка між кадрами - 30 мс; затримка між останнім і першим кадрами - 100 мс; кількість циклів повторення - 7)

8. Особливості розвитку запалення в гірських виробленнях.

При визначенні безпечних ділянок головним є правильне розділення мережі гірських виробок на аварійні зони.

З певними спрощеннями гірську виробку, по якій розповсюджується вибух газу або пилу, що виник від слабкого джерела запалення, можна умовно розділити, залежно від проявляються при цьому небезпечних факторів, на наступні зони (рис.3). Ці зони необхідно враховувати при пошуку безпечного маршруту.

pic2

Рис. 3. Небезпечні зони виникли в гірничій виробці при розвиненому аварії.

I – зона займання;

II – зона вибухового горіння;

III – зона викиду полум'я;

IV – зона поширення повітряної ударної хвилі;

V – зона поширення продуктів вибуху;

lc – довжина привибійного ділянки виробки, заповненого вибуховою сумішшю.

В ідеальному варіанті до аварійної ділянки слід відносити вироблення, частину вироблення або декілька сполучених виробок провітрюваних неразгалужених струменем. В цьому випадку для аварії в будь-якому місці аварійної ділянки можна однозначно визначити шляхи виходу людей, маршрути руху відділень ДВГРС та ін.[1]

Класифікація аварійних ситуацій:

– вибухи метану і вугільного пилу,

– пожежі,

– раптові викиди та суфлярні виділення метану.

9. Параметри і критерії процесу розвитку аварійної ситуації.

В якості критерію запалює агресивності вибуху прийнята теплова потужність вибуху (Qt), тобто кількість теплоти вибуху, що виділяється в одиницю часу.

Qt=Q/tc=(Vc*q*Uc)/lc=S*q*Uc, Дж/с, (5)

де Q – теплота вибуху, Дж;

Vc – об'єм запалювальної суміші, м3 ;

Uc – швидкість розвитку полум'я вибуху, м/с;

lc – довжина тупиковї ділянки виробки з сумішшю що горить;

S – площа поперечного перерізу виробки, м2;

q – теплота вибуху (для стехіометричної метаноповітряної суміші q = 3,381*106 Дж/м3, для пилоповітряної суміші з концентрацією пилу рівною 300 г/м3 q = 9,83*106 Дж/м3);

tc –час розвитку вогнища займання (вибуху) до зустрічі з полум'язгасаючим середовищем, с.

В якості комплексного критерію полум'язгасаючої ефективності буферного середовища була прийнята енергоносность буферного середовища (Jq), що визначає теплову потужність, яка витрачається при проходженні тепловим потоком одиничної площі буферного середовища.

Jq=λ бс3/2* рбс, Дж/с*м2, (6)

где λ бс – питоме теплопоглинання буферного середовища, Дж/кг;

рбс – початкова щільність буферного середовища, кг/м3;[1]

10. Опис маршрутів виходу людей з вироблень.

При визначенні безпечних позицій відповідно до вказівок «Інструкції щодо складання планів ліквідації аварій» [3]основоположним є правильний вибір аварійного вентиляційного режиму провітрювання шахти і аварійної ділянки. Практикою ведення гірничорятувальних робіт встановлено, що успіх порятунку гірників, які знаходилися в шахті під час аварії, ефективність дії рятувальників по її ліквідації і, нарешті, розмір матеріального збитку залежить від правильного вибору і своєчасного застосування аварійного вентиляційного режиму. [7]

Всі підземні споруди обладнані системою штучної вентиляції, яка забезпечує рух повітря в нормальних і аварійних умовах (в залізничних тунелях штучна вентиляція може використовуватися тільки у разі аварії). Вентиляційна система підземної споруди представляє собою сукупність вентиляторів, гірських виробок (тунелів), з'єднаних виробок, вентиляційних устаткувань і споруд для регулювання розподілу повітря між виробками (тунелями). Найбільш простими є системи вентиляції залізничних і автомобільних тунелів. У загальному випадку ці системи (або її окремі частини) складаються з одного або декількох паралельних (2-3) транспортних тунелів і вертикальних гірничих виробок (стовбури, шурфи), обладнаних вентиляторами. У гірській місцевості відпрацьоване повітря видаляється з тунелів на поверхню землі по вертикальних виробках. З підводних тунелів вентилятори видаляють повітря по спеціальним вентиляційним каналам, розташованим паралельно тунелям.[4]

Під час опису маршрутів виходу людей з виробок, провітрюваних за рахунок загальношахтної депресії, необхідно керуватися наступним: вироблення (вироблення, частина виробки) аварійної ділянки умовно поділяють на дві зони: найбільш небезпечну - за вогнищем аварії, і менш небезпечну - до вогнища аварії. До зони за вогнищем аварії відносять вироблення аварійної ділянки, які при нормальному (на момент аварії) режимі провітрювання ділянки можуть бути загазованими (викиди, вибухи, пожежі) або затоплені (прориви води). До зони до вогнища аварії відносять: при пожежах, вибухах і викидах вироблення аварійної ділянки, розташовані щодо місця (вогнища) аварії з боку свіжого струменя, а при проривах води - розташовані вище можливого прориву води. При цьому можливість виникнення пожежі або вибуху слід передбачати в будь-якому місці виробок аварійної ділянки, раптового викиду в будь-якому місці по довжині очисного вибою, прориву води - в будь-якому місці виробок варійного ділянки, де реально може бути прорив води.[2]

Загальноприйнятий на шахтах метод вирішення завдання забезпечення безпечної евакуації гірників з виробок аварійного та загрозливих ділянок у найкоротші терміни полягає в:

– визначенні виробок, придатних для здійснення аварійної евакуації людей, і часу руху по ним з урахуванням геометричних (довжина, площа поперечного перерізу, кут нахилу), технологічних (температура, обводненість, ступінь захаращеності технологічним обладнання та промисловими відходами) та аварійних (можливе підвищення температури повітря і загазування виробок пожежними газами) характеристик;

– формуванні маршрутів аварійної евакуації з урахуванням мінімізації сумарного часу їх подолання;

– проведенні контрольних перевірок обраних маршрутів[6].

Висновки.

На підставі викладеного може бути зроблений висновок про те, що при пошуку безпечних маршрутів виведення людей з шахти при аварійній ситуації виникає проблема невизначеності вхідної, проміжної і вихідної інформації рішення задач вентиляції, дегазації і тактичних заходів ПЛА. Для пошуку оптимального шляху обраний алгоритм Дейкстри, а також розглянуті вагомі параметри та критерії моделі розвитку аварійних ситуацій.

При пошуку оптимальних шляхів виведення робітників необхідно враховувати придатність виробок до здійснення аварійної евакуації людей, і часу руху по ним з урахуванням геометричних (довжина, площа поперечного перерізу, кут нахилу), технологічних (температура, обводненість, ступінь захаращеності технологічним обладнанням та промисловими відходами) та аварійних (можливе підвищення температури повітря і загазування виробок пожежними газами) характеристик.

Необхідна розробка додаткових методологічних підходів, відповідного методичного, алгоритмічного і програмного забезпечення вирішення зазначених завдань з метою поставки його на шахти і вдосконалення вирішення завдань з урахуванням визначального тимчасового фактора (а не деякого усередненого значення передбачуваних параметрів виникнення і перебігу аварійної ситуації незалежно від часу).

Перелік посилань

  1. Взрывозащита горных выработок (курс лекций): Учебное пособие для вузов. – 2 – е изд., перераб. и доп. – Донецк : ДонНТУ, 2002. 280 с.
  2. Кокоулин И.Е. Неопределенность в системах противоаварийной защиты угольных шахт / И.Е. Кокоулин, Т.В. Бунько // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук праць / Дніпропетровськ, 2006. – Вип.. 64. – с. 21 – 30.
  3. Правила безопасности в угольных шахтах / ДНАОП 1.1.30 – 1.01 – 00 // Утверждено приказом Министерства труда и социальной политики Украины от 22.08.2000 г. № 215. – К.: Основа, 2000. – 207 с.
  4. Потемкин В.Я. Автоматизация составления оперативной части планов ликвидации аварий на шахтах и рудниках / В.Я. Потемкин, Е.А. Козлов, И.Е. Кокоулин. – Киев: Техника, 1991. – 125 с.
  5. Смоланов С.М. Основи гірничорятувальної справи (навчальний посібник для студентів гірничих спеціальностей вищих навчальних закладів) / С.М. Смоланов, В.І.Голінько, Б.А.Грядущий. – Дніпропетровськ, видавництво НГУ. – 2002. – 267 с.
  6. Светличный В.П. Обобщенный алгоритм формирования с помощью ЭВМ оптимальных путей движения людей из шахты при возникновении аварийной ситуации / В.П. Светличный, И.Е. Кокоулин, В.А. Хижняк // Известия ВУЗ. Горный журнал. – 1979. – № 10. – С. 26 – 30.http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Geotm/2009_83/22.pdf

  7. Принципы выбора вентиляционного режима при условии возможного осложнения протекания экзогенного пожара взрывом метана / И.А. Ященко// Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук праць/ Дніпропетровськ, 2005. – Вип.. 59. – с. 183 – 188.
  8. Расчет времени движения людей при выходе из аварийной зоны/ Потемкин В.Я., Светличный В.П., Кокоулин И.Е.// Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело: Науч. – техн. реф. сб. ЦНИЭИ – Уголь. – 1977. – № 12. – с. 13 – 14
  9. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах.– М.:Мир, 1981.– 324 с.
  10. Греков С.П., Назаренко В.И., Почтаренко Н.С., Смоланов С.Н. (Украина). Термодинамика угольных шахт при экзогенных пожарах. Библиографический указатель опубликованных работ профессорско-преподавательского состава Донецкого национального технического университета (2000-2001г.г.). Вып.10 / Сост. О.В. Кулькова, Л.Ф. Девятилова, В.Г. Коваленко, В.В. Пушина, А.В. Гурова, К.А. Таранец, Т.Ю. Мирошникова; ред. А.А. Петрова.-Донецк, 2010.- 505 с. http://ea.donntu.ru:8080/jspui/bitstream/123456789/2659/1/fire.pdf

  11. Греков С.П., Александров С.Н., Назаренко В.И., Почтаренко Н.С., Алгоритм и программа расчета температуры в горной выработке при ее прогреве пожаром и последующем остывании. Наукові публікації кафедри комп'ютерної інженерії.http://ea.donntu.ru:8080/jspui/bitstream/123456789/2667/1/grec.pdf