Введение к работе
Актуальность теми исследования. Развитие техники и технологии проходки выработок и ведения очистных работ в рудниках и вахтах привело к, тому, что на протямении последних лет четко наметилась тенденция роста сечении проводимых горных выработок, увеличения размяров шахтных полей и количества добычных участков, находящихся и одновременной работе, в результате чего вентиляционные сети, включающие только выработки главных направлений и добычных участков, превратились в достаточно разветвленные и сложные. Все это привело к уменьшению аэродинамического сопротивления как отдельных выработок, так и вентиляционных сетей в целом. Таким образом сформировалась довольно обширная группа рудников и аахт, вентиляционные сети которых имеют незначительное по величине аэродинамическое сопротивление и, следовательно, обладают рядом особенностей:
потеря депрессии (давления), развиваемой главными вентиляторными установками, происходит в основном і более 70 Z) в стволах и вентиляционных каналах:
затруднен контроль за состоянием вентиляции современными приборами и методами (ведение депрессионных съемок);
в таких вентиляционных сетях становятся неэффективными традиционные способы полоаительного и отрицательного регулирования, а использование дополнительных источников тяги неизбежно приводит к возникновению рециркуляции воздуха, объем которого возрастает с уменьшением сопротивления системы;
такие сети весьма чувствительны к незначительному изменении сопротивления их элементов (при двияении транспорта в особенности) и воздействию возникающих вследствие даяе незначительной разности температур в потоках воздуха небольших по величине тепловых депрессий. Эти факторы оказывают влияние на воздухораспре-деление как по величине, так и по направлению;
алгоритмы известных методов оптимального расчета при весьма произвольном начальном задании искомых величин чаще всего расходятся.
Тенденция к увеличению количества сетей с малым аэродинамическим сопротивлением требует постановки исследований перечисленных выше особенностей с целью разработки методов рассчета, способов контроля и выбора средств управления вентиляцией как основных инструментов нориализации рудничной атмосферы, без реаения этих
проблем невозмоано оирокое использование компьвтерной технологии проектирования рудников, создания надежных, высокоэффективных и в то же время экономичных вентиляционных сетей.
Цель работы - выбор средств управления вентиляцией на базе использования создаваемых методов рассчета и анализа вентиляционных сетей с малыми аэродинамическими сопротивлениями как способа нормализации рудничной атмосферы и повышения безопасности горных работ.
Идея работы заключается в том, чтобы на основе изучения особенностей вентиляционных сетей с малым аэродинамическим сопротивлением разработать надежные методы их контроля, управления и расчета.
Общие задачи исследований:
проанализировать и обобщить выполненные исследования по изучаемой проблеме, фактические данные рудников по состояние вентиляции и наметить методы и средства решения поставленной проблемы;
на основании сравнительного анализа методов ведения деп-рессионных съемок разработать новый, далщий минимальные оиибки в условиях малых аэродинамических сопротивлений, обосновать применение комплексных коэффициентов в формулах для расчета аэродинамического сопротивления выработок;
разработать методы расчета и выбора схем проветривания рудников на основе оценки количества добычных участков и обеспеченности их требуемыми объемами воздуха, объемов подготовки шахтного поля, режимов работы вентиляторных установок, обцерудничных утечек воздуха;
осуществить прогноз величин обчерудничной естественной тяги, изучить влияние различных факторов на эти величины и степень воздействия на воздухораспределение;
разработать методику расчета величин тепловой депрессии в системе сообщающихся выработок вентиляционной сети любой сложности, ее влияния на распределение потоков воздуха и на базе этого предложить новые схемы проветривания с учетом использования положительного эффекта тепловой депрессии;
научно обосновать применение систем вентиляции с общеруд-ничной рециркуляцией на базе теоретических исследований и изучения газовой обстановки с определением их эффективности и безопасности;
выявить закономерность дегазации пород в оставляемых цели-
ках в зависимости, от технологической схемы отработки свиты пластов и продоляительности дегазации, на основе чего создать метод расчета необходимого объема воздуха для проветривания рабочих зон в районе отработанного пространства, -представляющего часть общей вентиляционной сети рудника;
оценить надевность проектируемых вентиляционных сетей Нд основе расчетной величины-степени устойчивости воздухораспреде-ления в каїдом элементе сети с учетом использования в расчетах исходной информации, имеюцей определенные пределы достоверности;
уточнить метод скорейшего спуска (метод Канторовича Л.В. ) и сделать его абсолютно сходяцимся для вентиляционных сетей с мя-лын аэродинамическим сопротивлением;
разработать универсальный метод расчета вентиляционных сетей любой слояности с целью поиска их оптимальных параметров при строительстве или реконструкции рудников с абсолютно сходящимся алгоритмом для условий весьма пологих функций цели, которые характерны для вентиляционных сетей с малым аэродинамическим сопротивлением.
Основные научные положения, выносимые на зашиту:
1. Исходная информация .и степень ее достоверности зависят от совершенства методик ее получения и обработки экспериментального материала. Разработке методики оценки методов ведения депрессион -ных съемок и выбор таковых для условий рудников, вентиляционные сети которых обладают малым аэродинамическим сопротивлением -один из разрабатываемых в данной работе вопросов.
1. В процессе проектирования расчет и ЕЫбор вентиляционных схем проветривания рудников с условием устойчивого , обеспечения добычных участков требуемыми объемами воздуха при прямом или обратном порядке отработки месторовдения должны производиться с учетом величины шахтного поля и количества находящихся в одновременной работе добычных участков, минимумов объема подготовки, энергетических затрат и величин общерудйичных утечек воздуха.
3. На устойчивость подачи определенных объемов воздуха по горным выработкам оказывают влияние различные Факторы, среди которых прежде всего тепловая депрессия. Ьеличина и направление ее воздействия зависят от многих факторов: кроме известных атмосферного давления и развиваемой депрессии (давления' главной вентиляторной установкой также от потерь общерудничной депрессии в элементах вентиляционной сети, изменения тепловых параметров потоков при их адиабатическом сжатии или расширении, распределения воз-
душных потоков и их температурных параиетров, изменения аэродинамического сопротивления выработок при искусственном регулировании -воздухораспределения.
-
В условиях'у»е сформировавшихся рудников и их вентиляционных сетей увеличение скорости выноса вредностей из рабочих зон связано с подачей в рудники дополнительных объемов воздуха, что' в условиях малых аэродинамических сопротивлений без значительных дополнительных затрат ионно осуществить, используя часть общей исходящей струи воздуха, т.е. общерудничное рециркуляционное проветривание. Величина рециркуляции зависит от объема подаваемого в рудник свежего воздуха и интенсивности выделения вредных примесей, общерудничных утечек воздуха и допустимого- содержания вредностей. Концентрация вредностей в рудничной атмосфере рабочих зон с увеличением коэффициента рециркуляции при неизмённбй подаче в рудник свєїєго воздуха уменьшается, что слукит оценкой эффективности данного способа проветривания.
-
Реальные выходные параметры эксплуатируемой вентиляционной сети (чаще всего распределение воздушных потоков) могут в значительной степени отличаться от проектируемых. Прогноз границ несоответствия выходных параметров проектируемой и эксплуатируемой вентиляционных сетей осуществляется расчетом, и зависит от известных пределов достоверности используемой при проектировании исходной информации. На базе получаемого прогноза выходных параметров с помощью ввода регулирувщих устройств сужаются'границы их несоответствия и повышается устойчивость воздушных потоков в вентиляционной системе.
-
При определении остаточной газоносности пород ,в целиках выделение .свободных газов в изолированный объем, ипура происходит по закону показательной функции, а не по экспоненциальной. Более точный метод рассчета выделяющегося газа основан на законах идеального газа-без учета объемов молекул и сия сцепления между ..'ни-; ми,-- что дает возмоаность учитывать дополнительно такой-параметр газа, как его температуру, Аетаточная газоносность . зависит ят технологической схемы отработки свиты пластов и прддолвительнбсти дегазации пород в целиках. ; . .
-
Исследуемая на минимум функция цели для сетей.с малым.аз- . родинамическим сопротивлением в области глобального минимума является весьма пологой. Метод Канторовича Л.В. (метод скорейшего спуска) не мог быть использован для поиска оптимальных параметров пологих в области минимума функций, т.к. в нем использовался при-
мятый постоянным паг спуска при поиаговом (итерационном) спуске в минимум. При рассчете вентиляционных сетей любой сложности с первоначальными произвольно принятыми искомыми параметрами этот метод абсолютно сходится только при вводе в алгоритм решения метода, расчета мага и направления спуска в минимум. Научная новизна:
разработана новая методика производства депрессионннх съемт; микрпбарометрами с использованием повторних контроля и измерения в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением, исключающая влияние пульсации давления и дающая возможность измерять падение депрессии с минимальной погрешностью, определяемой конструктивными особенностями приборов. Использование этой методики дает возможность с достаточной степенью точности определять "оч!?!*ициенты аэродинамических сопротивлений горних выработок.
разработана математическая модель pa-счета и выбора схем проветривания рудников, основанная на комплексной оценке' и системном анализе порядка отработки месторождения, количества добычных участков и обеспеченности их требуемыми объемами воздуха, объемов подготовки ыахтного- поля, режимов работы вентиляторных установок и величин утечек воздуха. Разработано програмное обеспечение расчета на ЗР.М.
предложена математическая модель расчета прогнозируемой величины общерудничной естественной тяги и тепловых депрессий локальных участков проектируемых вентиляционных сетей, основанная на анализе влияния различных факторов, не учитывающихся прежде, среди которых сопротивления и потери депрессии в елементах сети, распределение потоков воздуха и изменение температуры при адиабатическом .'изменении их состояния.
на основании теоретических исследований выявлены следующие закономерности в системе проветривания с общерудничной рециркуляцией: концентрация вредностей в общей исходящей струе рудников не зависит от величины повторно используемого воздуха, определяемого коэффициентом, рециркуляции: концентрация вредностей в смешанном поступающем на проветривание рабочих зон воздухе всегда, меньше концентрации в. общей исходящей струе на величину коэффициента-рециркуляции; концентрация вредностей в рабочих зонах обратно пропорциональна коэффициенту рециркуляции, т.е. она уменьшается с его ростом, что-говорит об увеличении скорости вымывания вредностей из . рабочих зон. Теоретические результаты подтверждены впервые, в мире проведенным экспериментом на одном из рудников;
-d-
разработан новый подход к оценке состояния надежности проектируемых вентиляционных сетей любой сложности на основе анализа пределов вероятностного отклонения выходного параметра реальной рассматриваемой системы івоздухораспределеш^ от расчетного, заложенного в проекте, и предложена новая модель управления надежность!) функционирования вентиляционной сети и повывения.устойчивости воздухораспределения;
установлено, что выделение свободных газов в изолированный объем шпура при изучении газоносности происходит не по экспоненциальной зависимости, а по закону показательной функции. Данные исследований позволили выявить закономерность дегазации пород, оставляемых в целиках, в зависимости от технологической .схемы отработки пластов и продолжительности дегазации в виде коэффициентов дегазации, на основании чего, разработан метод расчета необходимого обгема воздуха для проветривания рабочих зон, расположенных в районе отработанных пространств:
разработан алгоритм поиска оптимальных направления и шага спуска в. минимум в известном методе скорейшего спуска, отличающийся тем. что этот алгоритм делает его абсолитно сходящимся при решении вентиляционных сетей, имеющих пологие в области глобального минимума функции цели, характерные для сетей с малым аэродинамическим сопротивлением;
. - разработан новый комплексный подход к решению вентиляционных сетей при поиске различных по физическому смыслу оптимальных параметров.
Основные научные результаты:
разработан метод анализа и выбора наиболее соответствуючей определенным условиям центральной или фланговой схемы вентиляции рудника;
выявлены закономерности проветривания при использовании системы вентиляции с обшерудничной рециркуляцией:
разработан метод определения надежности воздухораспределения и подсчета степени несоответствия выходных параметров реальной вентиляционной сети проектируемым в зависимости от достоверности исходной инфориации, которая используется в предпрйектной проработке;
разработаны способы расчета величин возникающих тепловых депрессий в вентиляционной сети произвольной сложности для условий рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями и их влияние- на воздухораспределение, способы использования
-a-
тепловых депрессий в качестве дополнительных источников тяги:
уточнен существующий и разработан новый метод определения газоносности їв том числе и остаточной? пород, определена взаимосвязь газоносности с технологическими параметрами отработки местороадения;
разработан алгоритм поиска иага и направления, с помощью которых известный метод скорейшего спуска при расчете оптимальных параметров вентиляционных сетей становится; абсолютно сходящимся для сетей с калым аэродинамическим сопротивлением.
Практическая значимость работа:
предложен метод ведения депрессионной съемки в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением, дающий возможность определять параметры горных выработок с минимальной погрешностью;
создана методика расчета и выбора схем проветривания рудников;
определена эффективность системы проветривания с повторным использованием части исходящего воздуха в зависимости от величины коэффициента рециркуляции;
осуществлена схема вентиляции рудника с общерудничной рециркуляцией (впервые в мире), показавшая ее огромные возможности при проветривании калийных рудников;
разработан способ прогноза устойчивости воздухораспределе-ния в проектируемых вентиляционных сетях любой СЛОЖНОСТИ, П03В0-. ляю.щий увеличить степень надежности распределения потоков воздуха.
усовершенствована существующая методика подсчета объемов газов, выделяющихся с обнаженных поверхностей шпуров' в их изолированный объем, разработана новая методика подсчета газоз виде-' лявщихся из шпуров, определены остаточная газоносность солевых пород, оставляемых в междукамерных целиках, и закономерность их дегазации в'условиях подработанных или неподработанных пластов:
Работа выполнялась с 1971 по 1994 годы в Пермском политехническом институте (.ныне Государственном техническом университете; в соответствии с научно-техническими планами бываего Кинудобре-ний, ППИ, производственных объединений (ныне Акционерных'обществ) "Уралкалий" и "Сильвинит" и ВНИИГа. В проведении этих работ автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и научного руководителя тем.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соствст-тчием расчетных математи-
ческих моделей физическим и натурным аналогам, сопоставимостью Физических моделей с реальными процессами проветривания, сопоставимостью теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований. Многие полученные результаты дублировались различными методами, поскольку они получены епервые и сопоставимые- данные б литературе отсутствуют. При комплексном обследование вентиляционных систем или их отдельных частей получены положительные результати, подтверждающие выводы диссертации,, некоторые, из них включены б нормативные документи ("Инструкция по расчету количества воздуха, . необходимого для проветривания Верхнекамских калийных.рудников", 1385,,23 с), а также внедрены на предприятиях акционерных обществ "Уралкалий" и "Сильвинит".
Реализация результатов работы.
Разработанная методика определения остаточной газоносности солевых пород использована для определения газоносности руд в оставляемых для поддержания кровли целиках, а характер естественной дегазации был заложен в расчете необходимого объема воздуха для проветривания закладочных работ ("Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания Верхнекамских калийных рудников", і985. 23 с).
Методы расчетов оптимальных параметров вентиляционных сетей были использованы для поиска и оптимизации параметров к исходных данных для проектирования подземных вентиляторных установок главного проветривания в двух рудниках: в руднике первого Соликамского рудоуправления на базе вентиляторов ВОД-50 и в руднике 2-го БерезникоЕского рудоуправления на базе вентиляторов ВОД-30 М2 f Специальный проект. Опытно-промышленная подземная вентиляторная установка. Еифр 503 - 40.- Пермь: УралВНИИГ, 1931 г.: БКРУ-2. Рабочий проект. Реконструкция вентиляции рудника. Шифр 02.049-040.-Пермь: УралВНИИГ. 1992г.: Рабочий проект. Опытно-промышленная подземная вентиляторная установка с вентилятором ВОД-40 к. йи.фр 53.004. Дополнение к специальному проекту 503-40.- Пермь: ДО "Галургия", 1993 г.)
Разработанная методика расчета величин тепловой депрессии и ее влияния на воздухораспределение позволила создать вентиляционные системы, в которых тепловые депрессии играют роль дополнительных источников тяги, повышая Эффективность проветривания. Зти разработки были заложены в 3-х проектах .вскрытия, подготовки и вентиляции отдельных частей шахтных полей калийных рудников: для рудника СКПРН-1 (СКПРУ-1. Рабочий проект. Вскрытие юго-западной
части шахтного поля. Шифр 51.067.- Пермь: УралВНИЙТ, 1992 г.); для радника СКПР9-2 (2 СКПР9. Рабочий проект. Подготовка запасов юго-западной части шахтного поля рудника. Шифр 52.034.- Пермь: fiO "Галургия", 1993 г.); для рудника БКПР9-1 (ШІР9-І АО "Уралка-лий". Рабочий проект. Проветривание южного крыла рудника. !!'ифр 01.015.- Пермь: АО "Галургия", 1994 г.).
Методики исследования, расчетов и анализов вентиляционных схем с цельп выбора наиболее рациональных и надеаных, а также результаты исследований изложены в монографиях "Методическое руководство по ведению горных раабот на рудниках Верхнекамского месторождения" (1992. - 489 с.) и "Аэрология калийных рудников" (1990. - 250 с.) и используются при подготовке горных инженеров спєциільности "подземная разработка пластовых месторождений" в курсе лекций по "Рудничной аэрологии горнодобывающих предприятий".
Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований долонены и обсуждены на конференциях и совещаниях: на ежегодных конференциях Пермского политехнического института (ныне технического университета); на технических совещаниях производственных объединений (ныне акционерных обществ) "Уралкалий" и "Сильвинит", калийных производственных рудоуправлений (г.г.Бе-резники, Соликамск 197-(-1993 гг.); на координационных совещаниях по проблеме газодинамических явлений и аэрологии калийных рудников (Г.Г.Ленинград,- Минск, Пермь, Березники 1971-1992 гг.); на Всесоюзном совещании работников Госгортехнадзора СССР с участием научно-исследовательских организаций (г.Березники, 1987 г.); на всесоюзных научно-технических конференциях молодых галургов (г.Ленинград, 1976 г.; г.Солигорск, 1978 г.); на территориальной научно-технической конференции (г.Свердловск, 1982 г.); на 10-й сессии Всесоюзного научного семинара по горной теплофизике (г.йи-томир, апрель 1989 г.); на научно-технической конференции "Современные проблемы аэрологии подземных и открытых горных выработок" (г.Ленинград, май 1978 г.); на международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (Санкт-Петербург, 1993 г.); на 11-й международной конференции по автоматизации в горном деле (г.Екатеринбург, июнь 1992 г.); на научно-технической конференции по проблеме безопасной разработки калийных месторождений (г.Солигорск, 1990 г.); на региональном семинаре "Аэрология калийных рудников" (г.Кунгур, 1989 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 71 научная ра-
бота, в том числе 2 монографии, получены 4 авторских свидетельства, оформлены два патента на изобретения. Основное содержание диссертации отражено в 32 работах.
Объем работы, Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов и заклвчения, изложена на 302 страницах машинописного текста, содеріит 28 таблиц и 40 рисунков, библиографический список из 165 наименований.
При выполнении исследований автор пользовался поддержкой, содействием и помощью коллег по кафедре Безопасности яизнедея-тельности и рудничной вентиляции.
При проведении шахтных исследований и внедрении результатов работ в производство автору была оказана помощь руководством и специалистами акционерных обществ "Эралкалий", "Сильвинит", "Галургия". За. оказанную помощь выраааю благодарность Папулову Л.М., Триполко ft.С, Бушуеву Ю.П., Суховому В.Н., Сирице Н.Д., Парфенову В.Б., Панасвку Б.Ф., Черепанову Ю.Б.
Автор выражает глубокую признательность профессору Медведеву И.И. и профессору Поляниной Г.Д. за консультации по отдельным вопросам, кандидатам техн.наук Лукьянову Н.Г., Красину Н.Ф., Трофимову Н.й. и другим за помощь з проведении исследований.
