CC BY
43
УДК 622.416:519.8 © С.З. Шкундин, А.Г. Петров, М.Г. Лупий, В.В. Вановский, П.Н. Танцов, 2017
Программный комплекс динамического расчета воздухораспределения для угольных шахт
Р01: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-12-32-34 -
ШКУНДИН Семен Захарович
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехники и информационно-измерительных систем» НИТУ«МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
ПЕТРОВ Александр Георгиевич
Доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры «Электротехники и информационно-измерительных систем» НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
ЛУПИЙ Михаил Григорьевич
Канд. техн. наук, генеральный директор шахтоуправления «Талдинское-Западное» АО «СУЭК-Кузбасс», 652700, г. Киселевск, Россия, e-mail: [email protected]
ВАНОВСКИЙ Владимир Валерьевич
Младший научный сотрудник Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 119526, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
ТАНЦОВ Петр Николаевич
Доцент кафедры «Электротехники и информационно-измерительных систем» НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия
В статье показана актуальность использования метода динамического расчета воздухораспределения в шахтах. Показаны основные функции программы динамического расчета и указаны основные ее преимущества. Ключевые слова:угольная шахта, шахтные вентиляционные сети, расход воздуха, метод динамического расчета воздухораспределения.
ВВЕДЕНИЕ
При расчете воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях нужно учитывать, что шахтная вентиляционная сеть является сложной динамической системой, аэродинамические параметры которой постоянно меняются. На изменение параметров сети влияет множество факторов, например: открывание/закрывание дверей, перемещение людей, движение техники, изменение длины выработок при проходке и добыче угля, изменение сечения выработок (например, проседание кровли) и другое. Все эти факторы влияют на аэродинамическое сопротивление выработок, которое оказывается функцией времени. Также функциями времени являются режимы работы вентиляторов главного и местного проветривания.
При определенном стечении обстоятельств изменение параметров горных выработок (вследствие взрыва, пожара, выброса угля и пр.) может вызвать переходные процессы, например опрокидывание вентиляционной струи в диагональной выработке.
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
В ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЯХ
В программном комплексе реализован алгоритм динамического расчета воздухораспределения [1, 2, 3] в шахтных вентиляционных сетях, в основе которого положен дифференциальный закон механического движения. В данном подходе опускаются некоторые свойства воздуха, влияние которых невелико (вязкость, действие молекулярных сил), что позволяет отказаться от необходимости решения системы уравнений Навье - Стокса.
Дифференциальный закон механического движения (аналогичный Второму закону Ньютона) в используемой нами интерпретации определяет зависимость между производной по времени от расхода воздуха (определяющего аэродинамический режим) и параметрами выработок и возмущениями, приложенными к ним в смысле изменения их параметров.
Функцию рассеивания энергии вследствие трения воздушного потока о стенки выработок, называемую законом сопротивления и входящую в закон движения, принято записывать в виде квадратичной или степенной функции без линейного и свободного членов. При наличии результатов многократных измерений расхода воздуха и депрессии в выработке для возможности регуляризации коэффициентов закона сопротивления предлагается использовать закон сопротивления в полиномиальном виде с добавлением линейного и свободного членов. Регуляризация в данном случае означает уменьшение ошибки предсказания значений расходов воздуха в выработках при изменении режима проветривания шахты.
Система уравнений, описывающая динамическое воз-духораспределение в шахте, формируется из дифференциального закона движения в совокупности с законами сохранения для сетей (сохранение расходов в узлах и депрессий в контурах). Решениями такой системы уравнений являются зависимости расходов воздуха от времени в каждой выработке шахты. Та же система уравнений позволяет определить и статическое воздухораспределение (при неизменных параметрах шахтной сети). В этом случае производные от расходов воздуха по времени приравниваются к нулю.
Полученная система дифференциальных уравнений представляет собой математическую модель, позволяющую рассчитывать последствия различных воздействий на шахтную вентиляционную сеть, прямо влияющих на параметры сети и, как следствие, на воздухораспределение в ней.
К таким воздействиям можно отнести: изменение режима работы вентиляторов главного и местного проветривания, открывание и закрывание вентиляционных дверей, сооружение перемычек, передвижение людей и оборудования, пожары и другие чрезвычайные ситуации, связанные с аэрологией.
Разработанный и внедренный в программный продукт метод имеет следующие характеристики:
• быстрая и гарантированная сходимость: время расчета стационарного воздухораспределения во всех выработках шахты не превышает 1 с; время расчета переходного аэродинамического процесса во всех выработках не превышает 30 с (время расчета зависит от количества выработок шахты и топологии, а также от вычислительных возможностей ЭВМ. Цифры, которые приведены здесь, можно считать типичным случаем. Решения обеих задач удовлетворяют основным законам движения воздуха в шахте - законам сохранения энергии и вещества;
• возможность настройки используемого закона сопротивления для каждой выработки шахты путем добавления в модель линейного и свободного членов по данным, полученным по результатам воздушно-депрессионной съемки;
• возможность расчета концентраций вредных и взрывоопасных газов путем добавления точечных стационарных источников этих газов в выработки шахты;
• фиксирование опрокидываний вентиляционных струй при переходных процессах, что может быть использовано для предотвращения опрокидываний и корректировки маршрутов вывода людей на дневную поверхность в случае нештатных ситуаций;
• динамическое моделирование пожаров, при котором имеется возможность задать изменяемый во времени источник тепловой тяги в виде нелинейного функционала, после чего произвести динамический расчет воздухора-спределения;
• возможность многопараметрической оптимизации шахтной вентиляционной сети [4].
РЕАЛИЗОВАННЫЙ ФУНКЦИОНАЛ
Расчет динамических процессов выполняется при изменении одного или нескольких параметров горных выработок (остановка, реверс ВГП; установка перемычки; открывание/закрывание вентиляционных дверей и пр.). Возможен анализ полученных переходных режимов во всех выработках шахты посредством графического или табличного вывода данных в текстовой файл.
Расчет стационарного воздухораспределения я вля-ется частным случаем решения динамической задачи, при котором изменения параметров выработок во времени не происходит. Автоматически рассчитываются концентрации газов, если заданы стационарные источники этих газов в выработке шахты.
Динамическое моделирование пожаров производится путем добавления в одну или несколько выработок источника тяги, создаваемого пожаром. Производится расчет задымления/не задымления горных выработок. Вывод данных производится графически или в табличном виде.
Маршруты выхода людей на дневную поверхность
рассчитываются согласно Правилам безопасности на угольных шахтах. Приоритетом считаются время выхода
Интерфейс программы с выводом результатов динамического расчета воздухораспределения. На заднем плане - трехмерное отображение ШВС с градиентной раскраской выработок (по градиенту давления); на переднем плане справа - графики переходных процессов (при добавлении в лаву источника тепловой тяги) для выработок с номерами 770, 1133, 150,250. По графику можно установить, что при заданном воздействии на сеть в выработке 250 произошло кратковременное опрокидывание вентиляционной струи.
на свежую струю и обход аварийной выработки по наиболее безопасному маршруту. Скорость движения шахтеров в самоспасателях зависит от задымленности горной выработки, ее наклона и загроможденности. В общем случае для расчета выбирается худший сценарий развития событий. Также целевая функция содержит составляющую, увеличивающуюся при приближении линии маршрута к очагу пожара, даже если она проходит по свежей струе.
Расчет коэффициентов устойчивости для выработок шахты выполняется по методике, предложенной М.А. Патрушевым и Н.В. Карнаухом [5] и принятой Правилами безопасности на угольных шахтах.
Трехмерное отображение шахтной вентиляционной сети с отображением по запросу земной поверхности шахтного поля, надшахтных зданий и угольных пластов. По запросу пользователя рядом с выработками отображаются их основные параметры, а также рассчитанные значения расходов воздуха и концентраций метана.
Выработки могут содержать различные объекты, перемычки, вентиляционные двери и другое, аэродинамическое сопротивление которых учитывается при расчете воздухораспределения.
Подготовка документов периодической отчетности для органов надзора выполняется путем автоматического заполнения заданных форм (в удобном для распечатки формате) по принятому алгоритму, что обеспечивает точность выводимых данных (см. рисунок).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование метода динамического расчета воздухораспределения в шахтах актуально на сегодняшний день. Возможность учета переходных процессов позволяет снизить неопределенность при разработке планов ликвидации аварий, что позволяет уменьшить риск принятия неверных решений по управлению шахтными вентиляционными режимами.
Основные функции программы динамического расчета, реализованные с применением описанного подхода, дают неоспоримые преимущества.
Список литературы
1. Динамический расчет шахтных вентиляционных сетей / С.З. Шкундин, П.Н. Танцов, А.Г. Петров, В.В. Вановский // Безопасность труда в промышленности. 2016. № 6. С. 51-54.
2. Shkundin S., Tantsov P., Petrov A., Vanovsky V. The Dynamic Airflow Calculating of Mine Ventilation Networks, International Symposium on Occupational Health and Safety // SESAM. 2013. Vol. 2. Pp. 604-610.
3. Танцов П.Н. Разработка метода динамического расчета шахтной вентиляции для предотвращения аэрологических чрезвычайных ситуаций: дис____канд. техн. наук, М.:
МГГУ, 2013, 132 с.
4. Танцов П.Н. Многопараметрическая оптимизация шахтных вентиляционных сетей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 3. С. 235-240.
5. Патрушев М.А., Карнаух Н.В. Устойчивость проветривания угольных шахт. М.: Недра, 1973. 187 с.
SAFETY
UDC 622.416:519.8 © S.Z. Shkundin, A.G. Petrov, M.G. Lupiy, V.V. Vanovsky, P.N. Tantsov, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 12, pp. 32-34
Title
SOFTWARE COMPLEX FOR DYNAMIC COAL MINES AIR DISTRIBUTION
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-12-32-34
Authors
Shkundin S.Z.1, Petrov A.G.1, Lupiy M.G.2, Vanovsky V.V.3, Tantsov P.N.'
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
2 "SUEK-Kuzbass", JSC, Leninsk-Kuznetskiy, 652507, Russian Federation
3 A.Yu. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of RAS, Moscow, 119526, Russian Federation
Authors' Information
Shkundin S.Z., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of'Electrical Equipment and Information-measurement Systems" Department, e-mail: [email protected]
Petrov А.G., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of "Electrical Equipment and Information-measurement Systems" Department, e-mail: [email protected]
Lupiy М.G., PhD (Engineering), "Taldinskoe-Zapadnoe" mine management General director, e-mail: [email protected]
Vanovsky V.V., Junior Research Associate, e-mail: [email protected] Tantsov P.N., Assistant Professor of "Electrical Equipment and Information-measurement Systems" Department
Abstract
The paper demonstrates the relevance of dynamic air distribution computation for the mines. It presents the major functions of the dynamic computation software and identifies its major benefits.
Keywords
Coal mine, Shaft ventilation network, Air flow rate, Air distribution dynamic computation.
References
1. Shkundin S.Z., Tantsov P.N., Petrov A.G. & Vanovsky V.V. Dinamicheskiy raschet shahtnyh ventilyatsionnyh setey [Shaft ventilation network dynamic computation]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti - Labor Safety in Industry, 2016, no. 6, pp. 51-54.
2. Shkundin S., Tantsov P., Petrov A. & Vanovsky V. The Dynamic Airflow Calculating of Mine Ventilation Networks, International Symposium on Occupational Health and Safety. SESAM, 2013, Vol. 2, pp. 604-610.
3. Tantsov P.N. Razrabotka metoda dinamicheskogo rascheta shahtnoy venti-lyatsii dlya predotvrashcheniya aerologicheskih chrezvychaynyh situatsiy. Diss. kand. tekhn. nauk [Development of shaft ventilation dynamic computation method for aerologic emergencies prevention. PhD (Engineering) diss.]. Moscow, MGGU Publ., 2013, 132 p.
4. Tantsov P.N. Mnogoparametricheskaya optimizatsiya shahtnyh ventilyatsionnyh setey [Shaft ventilation network multi-parameter optimization]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten - Mining Information-Analytical Bulletin, 2017, no.3, pp. 235-240.
5. Patrushev M.A. & Karnaukh N.V. Ustoychivost' provetrivaniya ugol'nyh shaht [Coal mines airing stability]. Moscow, Nedra Publ., 197, 187 p.
