Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем охраны труда на горнодобывающих предприятиях является борьба с газом, пылью и высокими температурами при подземной добыче полезных ископаемых. Основным средством борьбы с этими вредностями является вентиляция горных выработок и ее доля составляет в настоящее время 80-90%. В связи с этим значительно возрастают требования к эффективности и надежности работы шахтных вентиляционных систем для создания и поддержания нормальных санитарно-гигиенических условий труда.
Благодаря работам ряда ученых и коллективов исследователей, проблема повышения эффективности работы шахтных вентиляционных систем, в настоящее время получила надежный теоретический фундамент. Однако, анализ фактіиеского состояния вентиляционных систем на действующих шахтах и рудниках показывает, что значительное количество вентиляторов главного проветривания работают при низких значениях КПД, имеет место неустойчивая подача требуемого количества воздуха в шахтіс/ю вентиляционную сеть, так же остается актуальным вопрос утечек воздуха, подаваемого в шахтную сеть для проветривания.
От качества и непрерывности проветривания горных выработок в значительной мере зависит безопасность, а также производительность труда шахтеров. В тоже время процесс проветривания требует большого количества электроэнергии. На проветривание каждой шахты расходуется до 30% всей расходуемой ею электроэнергии. Большие энергетические затраты связаны с большими производптсльностями вентиляторных установок, а количество подаваемого в шахту воздуха в З, в 3.5 раза больше, чем добывается угля. Большая энергоемкость вентиляционных установок предъявляет высокие требования, с одной стороны, к их правильной эксплуатации и работе в оптимальном режиме, а с другой стороны, к экономичности этих машин. Повышение их КПД только на 1% экономит многие миллионы киловатт-часов электроэнергии и миллионы рублей.
В результате обследования большого количества шахт было установлено, что внутришахтные утечки воздуха колеблются от 22,7% до 66,2% объема от поступающего в шахту воздуха.
Следовательно, проблема снижения энергоемкости проветривания шахт и оценка эффективности систем вентиляции по факторам безопасности и энергоемкости остается весьма актуальной, и дальней-
шиє исследования в этом научном направлении являются актуальной научно-технической задачей.
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) на шахтные вентиляционные сети (ШВС) для разработки эффективных средств по сниженшо энергоемкости и повышению надежности проветривания шахт Подмосковного бассейна, обеспечивающих повышение уровня безопасности подземных горных работ.
Идея работы заключается в том, что эффективные средства по снижению энергоемкости и повышению надежности проветривания шахт Подмосковного бассейна, обеспечивающие повышение уровня безопасности подземных горных работ, основываются на адекватных математических моделях надежности функционирования системы вентиляции и взаимосвязи аэродинамических характеристик "ВГП-ШВС" с энергоемкостью процесса проветривания шахты.
Основные научные положепия, защищаемые автором, сформулированы в следующем виде: '-
- показатели уровня аварийности и безопасности системы
"ВГП-ШВС", характеризуются критериями надежности функциониро
вания данной системы с учетом внешних утечек воздуха через поверх
ностных комплекс вентиляционного ствола, образующих параллельную
ветвь, аэродинамическое сопротивление которой можно технологиче
ски изменять;
надежность системы "ВГП-ШВС" с высоким уровнем нормативной достоверности можно оценивать с использованием экспоненциального закона распределения отказов в системе;
степенные полиномы аппроксимируют характеристики ВГП с высоким уровнем тесноты связи и позволяют обеспечить переход от графоаналитического анализа работы ВГП на ШВС к численным моделям с использованием стандартных методов вычислительной математики;
эффективность мероприятий по снижению внешних утечек воздуха целесообразно оценивать по энергоемкости функционирования системы "ВГП-ШВС".
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
произведено обобщение информации по схемам вентиляции шахт Подмосковного бассейна, и уточнено физическое происхождение внешних утечек воздуха и факторы влияющие на их интенсивность;
адаптирована модель оценки показателей уровня аварийности и безопасности на основе теории надежности к системе "ВГП-ШВС" и получены аналитические зависимости эксплуатационных характеристик вентиляторов;
усовершенствована методика определения подачи ВГП по его характеристикам в зависимости от изменения сопротивления шахтной сети из-за возникновения как внешних, так и вігутренних утечек воздуха;
усовершенствована методика оценки функционирования системы "ВГП-ШВС".
Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности возникновения внешних утечек воздуха повышают достоверность прогноза распределения шахтного воздуха в выработках и дают возможность предварительного анализа воздухораспределения при различных аварийных ситуациях и, таким образом, позволяют оценить их безопасность. Разработанная методика для анализа воздухораспределения в горных выработках позволяет оценить уровень безопасности газовой ситуации и существенно облегчить решение задачи газовой динамики. Математическое обеспечение задач прогноза воздухораспределения ориентировано на использование существующей базы данных и позволяет оценить эффективность применения различных способов и средств управления воздухораспределени-ем в шахте. Установленные закономерности позволяют оценивать эффективность мероприятий по борьбе с внешними утечками по фактору энергоемкости.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной техники;
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонения не превышают 20%) и большим объемом вычислительных экспериментов;
значительным объемом базы данных по шахтным наблюдениям (газовоздушные съемки 11 шахт Подмосковного бассейна);
непротиворечивостью с фундаментальными физическими законами;
соответствием полученных результатов и установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами и методами.
Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении федеральной целевой программы "Интеграция", хоздоговорных и госбюджетных НИР Тульского государственного университета, а так же используются в учебном процессе для подготовки горных инженеров специальности 0902.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1996-1999 гг.); ежегодных научно - практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1996-1998 гг.); 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.); 2-й Международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом" (г. Тула, 1996 г.); 1-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы" (г. Тула, 1997 г.); 2-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" (г.Тула, 1998 г.).
Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 10 статей.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 176 страницах машинописного текста, содержит 29 иллюстраций, 15 таблиц, список литературы из 109 наименований и приложения.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследований, а также к.т.н., доц. Р.А. Ковалеву и всем преподавателям и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ за большую организационную и методическую помощь.
