CC BY
53
УДК 621.3.078:622.44
Д.В. Зедгенизов, В.В. Фурса
ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ШАХТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ РАСХОДА ВОЗДУХА
Семинар № 17
сновная задача проветривания шахт заключается в обеспечении требуемого расхода воздуха во всех выработках в любой момент времени. Требуемый расход воздуха в любой ветви вентиляционной сети может быть достигнут путем перераспределения воздушных потоков с помощью регулирующих устройств, установленных в ветвях сети. Воздухо-распределение в выработке определяется ее фактическим аэродинамическим сопротивлением, зависящим от сечения и длины выработки, взаимного расположения и способа соединения выработок друг с другом.
Шахтные регуляторы расхода воздуха (РРВ) - устройства, предназначенные для поддержания расхода воздуха в выработках на заданном уровне при изменениях аэродинамического сопротивления шахтной вентиляционной сети или режимов работы вентиляторов главного проветривания.
Распределение воздуха по выработкам может осуществляться положительным, отрицательным или комбинированным способом регулирования. Способы регулирования, вызывающие увеличение аэродинамического сопротивления шахтной сети в целом или отдельных ее ветвей и уменьшение общего количества воздуха, поступающего в выработки, называются отрицательными. Положительными являются способы, связанные с увеличением общего количества воздуха, поступающего в выработки за счет снижения аэродинамического сопротивления или работы дополнительных источников тяги [1].
Наиболее эффективным является положительное регулирование. Однако этот способ имеет существенные недостатки (высокую трудоемкость и большие потери времени на его реализацию), затрудняющие его применение в чистом виде. Поэтому положительное регулирование используется совместно с отрицательным. Применение последнего ухудшает аэродинамические характеристики не только непосредственно тех ветвей, в которых установлены регулирующие устройства, но и вентиляци-
онной сети шахты в целом. Несмотря на это, указанный способ нашел широкое распространение на угольных шахтах, так как он универсален, оперативен и может быть достаточно быстро реализован [2].
Следует различать эффективную и теоретическую область регулирования. Эффективная область регулирования представляет собой область изменения аэродинамического сопротивления регулятора, за пределами которой расход воздуха в усиливаемых ветвях практически не возрастает. Теоретическая область регулирования представляет собой область изменения аэродинамического сопротивления регулятора, в пределах которой достигается максимально возможное увеличение дебита воздуха усиливаемых ветвей.
Теоретическая область регулирования для положительного и отрицательного способов ограничена величиной 100-кратного изменения аэродинамического сопротивления ветви-регулятора. Эффективная область регулирования находится в пределах 20-50-кратного уменьшения аэродинамического сопротивления усиливаемой ветви при положительном способе регулирования и 10-20 кратного увеличения аэродинамического сопротивления ослабляемой ветви при отрицательном. Перераспределение воздуха между объектами проветривания целесообразно проводить в пределах эффективной области регулирования [3].
Каждый тип воздухораспределительного средства имеет различную степень распространения на угольных шахтах. Некоторые из них (воздушные и водяные завесы, стабилизаторы, клапаны) применяются очень редко из-за больших габаритов, низкой технологичности, узкой области применения и по ряду других причин. Применение других, например, вентиляторов местного проветривания, существующими Правилами безопасности на угольных и сланцевых шахтах резко ограничено. На практике подземные вентиляторы целесообразно применять в тех случаях, когда никакими другими способами регулирования в труднопро-
ветриваемой сети не удается обеспечить требуемое распределение воздуха. Широкое распространение на угольных шахтах получили такие воздухораспределительные средства как шлюзовые устройства, РРВ (с окном в вентиляционной двери, в самой перемычке и др.), кроссинги, ляды, глухие вентиляционные перемычки [2].
Анализ статистики применения вентиляционных сооружений [4] показывает, что наибольшее распространение на шахтах получили перемычки с вентиляционными дверями. Так, на шахтах Кузбасса они составляют 76,9 %. Остальные 23,1 % сооружений приходятся на кроссинги и ляды. Процент автоматизированных вентиляционных дверей очень незначителен и составляет всего 5,3 % от общего их числа для Кузбасса и 0,95 % для Печорского бассейна. В участковых выработках и выработках главного направления основную долю составляют одно- и двухстворчатые двери. В Кузбассе удельный вес таких дверей в выработках главного направления составляет 93 %, а участковых - 99,8 %. На шахтах Карагандинского бассейна других типов дверей, кроме створчатых, нет. В условиях шахт Кузбасса, кроме створчатых дверей, эксплуатируются раздвижные, падающие и вращающиеся двери, однако, процент их невысок (соответственно, 0,45; 1,2 и 1,21). Все это говорит о необходимости рационального выбора типа регуляторов расхода воздуха систем проветривания шахт. Построение современной системы управления проветриванием угольной шахты невозможно без разработки и внедрения различных типов автоматических подземных регуляторов расхода воздуха.
Цель исследований - обобщить существующий опыт разработки и применения шахтных РРВ, проанализировать требования к РРВ как к объектам автоматического управления.
Требования, предъявляемые к регуляторам расхода воздуха
К регуляторам расхода воздуха предъявляется ряд общих требований, таких как: минимальный вес и стоимость, искро- и взрывобе-зопасность, прочность, надежность в работе, малые эксплуатационные расходы, простота монтажа, демонтажа и перемещения, возможность многократного использования, максимальная простота и безопасность обслуживания, а также отсутствие опасности для горнорабочих и транспортных машин при переме-
щении в зоне регулирующего органа в период его работы [4, 5].
Помимо общих требований, исполнительные органы регуляторов расхода воздуха шахтной вентиляционной сети как объекты автоматического управления должны обеспечивать [5]:
• достаточную глубину, точность и быстродействие регулирования расхода воздуха;
• линейность характеристик «вход-выход» РРВ;
• плавность изменения регулируемой величины;
• возможность автоматического дистанционного управления;
• унификацию, возможность многократного воспроизведения характеристик, возможность применения в выработках различной конфигурации.
Количественная оценка указанных требований возможна при разработке РРВ для каждой конкретной выработки.
При изменении расхода воздуха более чем в 2 раза на газовых шахтах необходимо менять положение створок ступенчато. Например, вначале в одном РРВ, а потом через 10 мин. в другом для устранения всплесков концентрации метана на объектах регулирования. Аналогичное математическое описание линейного РРВ при дискретном управлении приведено в [6].
Современные системы автоматического управления проветриванием (САУП) строятся на мощной базе микропроцессорной техники [7, 8]. Так, в [7] предлагается нейросетевая модель управления воздухораспределением, которое реализуется в 2 этапа:
1) предварительная настройка с использованием модели шахтной вентиляционной сети;
2) управление воздухораспределением с адаптацией структуры нейронной сети, а, следовательно, и алгоритма управления и постоянно изменяющейся топологии шахтной вентиляционной сети.
Выбор регулятора расхода воздуха
Основное условие при выборе регулятора и его настроек - это качество регулирования, которое определяет точность поддержания автоматикой параметров технологического режима и его экономическую эффективность. Из числа промышленных регуляторов выбирают простейший по закону регулирования, а, следовательно, наиболее дешевый и простой в эксплуатации, который позволит обеспечить на
данном объекте требуемое качество регулирования [5]. Определенные на основе аэродинамического сопротивления выработки коэффициент глубины регулирования и требуемая характеристика регулятора могут быть использованы для сравнительной оценки различных РРВ или качества вентиляционного сооружения, в котором они установлены. Эти данные удобно использовать при расчетах вентиляционных сетей [2].
Необходимо отметить, что рациональный выбор типа регулятора еще не обеспечивает максимальную эффективность проветривания выработки. При выборе РРВ необходимо также учитывать следующие особенности [4, 9-11]:
- при правильном размещении регуляторов в вентиляционной сети шахты выигрыш в мощности за счет сокращения утечек превышает некоторое увеличение мощности, теряемой на регуляторах;
- при установке вентиляционного окна на сопряжении выработок увеличивается глубина регулирования (при неизменном сечении окна) за счет избыточного разрежения. Увеличение количества воздуха в выработке с усиливаемой
Сравнительная экспертная оценка типов РРВ
рующими покрытиями, разработанными на основе цементно-полимерных и полимерных составов;
- при проектировании САУП во многих случаях часто не учитывалось аэродинамическое старение горных выработок, под которым будем понимать устойчивое увеличение удельного аэродинамического сопротивления выработки во времени. В настоящее время из-за старения протяженность выработок с неудовлетворительным состоянием на отдельных шахтах Донбасса достигает 37 %, составляя в среднем по бассейну 12%. Это явление может привести к значительным расстройствам вентиляции шахты.
- при установке РРВ в выработке необходимо учитывать утечки воздуха. По данным [4] в 300 обследованных вентиляционных шлюзах шахт Кузбасса фактические утечки воздуха превышают нормы в 2-50 раз.
На основе анализа источников [2, 6, 12-16] можно заключить, что на выбор типа регулятора оказывает влияние множество факторов, основные из которых можно представить в виде таблицы.
Тип регулятора Диапазон регулирования расхода Пропуск транспорта, людей Надежность, простота Экономичность обслуживания Линейность регулировочных характеристик
Полидиафраг- менный + - ++ + +
Шиберный + + ++ + +
Пластинчатый - + + - -
Жалюзийный + - + + +
ВМП + + ++ - - -
Вент. двери и окна + + ++ + -
Воздушная завеса + ++ - - -
струей составляет 5 - 14 %. Одновременно повышается производительность вентилятора, что свидетельствует об уменьшении общего сопротивления системы без дополнительных затрат;
- существенное влияние на выбор РРВ оказывает неравномерное распределение воздуха в ветвях схемы вентиляции шахты;
- наибольшей степенью надежности обладают вентиляционные системы, в которых число регуляторов сведено к минимуму;
- аэродинамические показатели вентиляционных сооружений значительно улучшаются при покрытии их специальными герметизи-
Необходимо отметить, что с точки зрения автоматического управления РРВ особое внимание нужно уделять линейности его регулировочных характеристик [6, 11, 17, 18]. Это обуславливается многосвязностью систем регулирования расхода воздуха по шахтным выработкам, которые практически не могут обеспечить выполнение требуемых законов управления одновременно на всех участках шахты в каждый момент времени, т.е. непрерывно. Тогда задача регулирования расхода воздуха в общем случае формулируется следующим образом: минимизировать функционал Ф, обеспечивающий на каждом /-ом такте управления
требуемые расходы воздуха через все контролируемые участки шахты при соблюдении имеющихся ограничений [19]. Следовательно, на каждом такте управления необходимо знать: 1- текущее положение регулирующего органа; 2 - его перемещение для достижения конечной цели регулирования на данном такте управления. Применение же линейных РРВ освобождает нас от решения первой задачи и упрощает решение второй, так как требуемое изменение расхода воздуха находится в прямолинейной зависимости от управляющего воздействия на РРВ. При этом не только упрощается организация системы регуляторов САУП, но и исключается корректировка их линейности в процессе изменения параметров сети [20].
Среди линейных РРВ большинством авторов преимущество отдается шиберному регулятору (см. рис. 1), т.к. он не исключает продвижение по проветриваемой выработке транспорта и людей при установке двух шиберных регуляторов в шлюзе.
Линейный шиберный РРВ представляет регулирующий орган шторного типа (или задвижки), перекрывающий окно соответствующей конфигурации. Сопротивление регулирующих устройств группы задвижек (шиберы) практически не зависит ни от направления потока движущегося воздуха (прямой, реверсивный), ни от места расположения их в перемычке. По конструктивному решению окно с линейным изменением расхода воздуха наиболее удовлетворяет требованиям для автоматических и дистанционных систем управления проветриванием шахт и рудников.
Был накоплен положительный опыт применения данного способа на ряде рудников [12]: «за период испытаний лава удалилась с 775 до 1000 м от разрезной печи, что сопровождалось
Рис. 1. Линейный шиберный регу-
лятор расхода воздуха
изменением общеучасткового расхода воздуха. Кроме того, за это же время в параллельной ветви была пущена новая лава, на другом крыле шахты - новый вентиляционный ствол, т.е. в вентиляционной сети произошли существенные изменения, которые повлекли изменения пределов регулирования, но линейный характер изменения расхода воздуха сохранился. Последнее оказывается весьма важным при использовании данного типа регулирующего устройства в шахтных условиях».
Прохождение транспорта через РРВ на добычном участке является возмущающим воздействием для вентиляционного режима. Чтобы пропуск транспорта не приводил к недопустимым нарушениям проветривания, на выемочных участках газообильных шахт применяются шлюзы, образованные двумя РРВ. Установлено, что при продолжительности полного перемещения регулирующего органа РРВ из одного положения в другое, равной 30 с., обеспечивается безостановочный пропуск транспорта, но для стабилизации режима проветривания команды на открывание одного РРВ не должны подаваться до возвращения другого РРВ из полностью открытого состояния в исходное и наоборот [21].
Таким образом, проблема эффективной автоматизации управления проветриванием шахт может быть решена только при комплексном подходе, включающем необходимую подготовку шахтных сетей и источников тяги, проектировании шахт с учетом требований САУП, совместному учету этих вопросов при проектирования. В первую очередь следует проводить работы по оценке «регулируемости» сетей и определению
параметров вентиляции для проектирования шахт с САУП [1].
Математическое описание линейного шиберного РРВ
Для того чтобы площадь живого сечения окна изменилась по закономерности, обеспечивающей линейную зависимость расхода воздуха в выработке от положения шибера, должна существовать линейная связь вида [17]:
021 = 02у + Р ‘ ^ Ь м3/с
где £ ; - длина проема окна при 1-ом положении шибера, м;
Рис. 2. Структурная схема системы управления РРВ: Кдрв — коэффициент передачи датчика расхода воздуха;
\¥вир(р) - передаточная функция вы- у работки, в которой происходит ло- *0*у“
кальноерегулирование расхода воздуха 1 (')
р = д2т ^2у-каэффициент ___
удельного линейного изменения расхода воздуха на всю длину проема окна, м2/с; 02у - утечки воздуха через перемычку с окном при полностью закрытом шибере, м3/с; 02т - количество воздуха, проходящего по выработке с окном, м3/с; 021 - количество воздуха, которое необходимо пропустить по выработке с регулирующим окном,
м3/с; ^ - полная длина проема окна, м.
Данная линейная зависимость обеспечивается формой окна, площадь которого при перемещении регулирующего органа изменяется определенным образом (см. рис. 1).
Передаточная функция РРВ выбирается исходя из требования к астатизму системы. Пусть нам необходимо обеспечить отсутствие статической ошибки регулирования в системе. Тогда передаточная функция РРВ по управляющему воздействию будет иметь следующий вид:
^ррв(Р)= 02' = 02т - 02У,
*
где I = I /1 ■ - относительное положение шибера; а передаточная функция РРВ с ПИ-регулятором:
ш(р)= = с^-р _ (р),
и р
где И - управляющее воздействие на РРВ, С0, С1 - параметры ПИ-регулятора.
Рекомендации по проведению синтеза системы
1. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф. Гра-щенко, А.Э. Петросян, М.А. Петросян, М.А. Фролов и др.; под ред. К.З. Ушакова, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988, - 440 с.
2. Патрушев М.А. и др. Автоматизированные шлюзовые устройства в шахтах: Справочное пособие. М.: Недра, 1990. - 268 с.
Оптимальная настройка системы состоит из следующих этапов [5]:
1. определение в плоскости настроечных параметров регулятора границы области, в которой система работает не только устойчиво, но и имеет определенный запас устойчивости;
2. определение в этой области точки, удовлетворяющей требованию минимума выбранной оценки точности работы системы;
3. построение графиков переходных процессов для наиболее характерных возмущений для определения числовых значений показателей качества и окончательного уточнения оптимальных параметров настройки.
Структурная схема синтезируемой системы представлена на рис. 2.
Выводы:
1. На основе анализа литературных
источников проанализированы различные типы шахтных РРВ и обобщены требования к ним как к объектам автоматического
управления.
2. Приведено математическое описание одного из наиболее эффективных шахтных линейных регуляторов расхода воздуха шиберного типа.
3. Дальнейшие исследования могут
быть направлены на разработку нескольких типов современных высокоэффективных
подземных РРВ для метанообильных шахт с 1-2 очистными и подготовительными забоями.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Патрушев М. А. и др. Повышение надежности проветривания шахт. - Киев: Техника, 1990. - 168 с.
4. Клебанов Ф.С. и др. Воздух в шахте, 1995. - 600
с.
5. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. - Киев: Наукова думка, 1967. - 310 с.
6. Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. М.: Недра, 1992. - 399 с.
7. Темкин И.О. Разработка теории и методов построения интеллектуальных нейросетевых систем управления аэрогазодинамическим процессами в шахтах: Ав-тореф. дисс. д.т. н. / МГИ - М., 1996. - 28 с.
8. Мутанов Г. Разработка алгоритмов управления воздухораспределением шахт регуляторами расхода воздуха и ВГП. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. М. МГИ 1987. -245 с.
9. Шепелев С.Ф. Современный комплекс рудничных воздухорегулирующих устройств. Алма - Ата, 1971. - 154 с.
10. Мясников А.А. и др. Вентиляционные сооружения в угольных шахтах. - М.: Недра, 1983. - 270 с.
11. Пучков Л.А., ред. Современные проблемы шахтного метана. - М.: Моск. горн. ун-т., 1999. - 319 с.
12. Методы и средства управления газовыделе-нием на выемочных участках шахт в период нестационарных процессов. - Киев: Наукова думка, 1973. - 130 с.
13. Местер И.М., Засухин И.Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. -М.: Недра, 1974. - 240 с.
14. Системы и средства автоматизированного контроля и управления параметрами шахтной атмосферы. Тр. ин-та. М., Недра, 1984. - 100 с.
15. Шепелев С. Ф. и др. Отрицательные регуляторы рудничных вентиляционных сетей. - Алма - ата.: Наука, 1968.
16. Вентиляция шахт и рудников. Комфортность и безопасность атмосферы. Л., 1988. - 132 с.
17. Шутов И.Ф. Исследование аэродинамических характеристик рудничных отрицательных воздухорегулирующих устройств. Автореф. дисс. на с. уч. ст. к.т.н. -Алма - ата, 1975 - 28 с.
18. Веденеева Л.М. Исследование аэродинамических процессов в местных сопротивлениях и их влияния на воздухораспределение в вентиляционных сетях с большим эквивалентным отверстием: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. - Пермь, 1995 - 18 с.
19. Тян Р.Б., Потемкин В.Я. Управление проветриванием шахт. Киев: Наукова думка, 1977. - 204 с.
20. Цой С. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт. - Алма - ата, «Наука». Каз. ССР,1975. - 335 с.
21. Трунов И.С. Исследование и разработка алгоритмов и математического обеспечения подсистемы управления проветриванием АСУ ТП шахты. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. Донецк 1980. - 226 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Зедгенизов Д.В., ФурсаВ.В. — Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.
------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
БДАЙЦИЕВ Павел Эльбрусович Разработка и реализация промывочных приборов и электромагнитных мж-сепараторов для обогащения золотосодержащего сырья 25.00.13 К. т. н.
-------------------------------------- © Ю.В. Старовойтов, 2004
УДК 622.285.001.7 Ю.В. Старовойтов
АНАЛИЗ РАБОТЫ КРЕПИ ОГРАДИТЕЛЬНО-ПОДДЕРЖИВАЮЩЕГО ТИПА В УСЛОВИЯХ СТАРОБИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
