д.т.н. Акимбеков А.К., к.т.н. Емелин П.В.

Карагандинский государственный технический институт, Республика Казахстан, г. Караганда.

Решение задач по оптимизации распределения потоков газовоздушной смеси в шахтной вентиляционной системе в целом и по отдельным ее объектам

Шахтная вентиляционная сеть может и должна рассматриваться как инженерная система [1-3]. При этом элементы системы и процессы, происходящие в них, должны рассматриваться и анализироваться не по отдельности с какой-либо точки зрения, а в совокупности, с инженерной позиции. Основой исследования такой сложной инженерной системы являются методы математического имитационного моделирования объекта, в форме квазионалога, позволяющие исследовать и процессы массопереноса в системах подземных горных выработок. Разумная абстракция, допустимая идеализация модели необходимы для содержательного выявления основных закономерностей и для обеспечения реальных возможностей практического использования проектируемых моделей.

Исходя из проведенного анализа исследований, посвященных воздухораспределению в шахтной вентиляционной сети, внутри участка и непосредственно в объеме выработанного пространства, можно сказать, что имеются обособленные решения этих задач. Комплексного решения, учитывающего влияние одного уровня на другой, в общей постановке задачи тепломассопереноса нет.

Разработанный комплекс программ для ПЭВМ является тем мощным средством, которое позволит выполнить поставленную задачу - оптимизации распределения потоков в шахтной вентиляционной системе с целью выбора регламентированного режима тепломассопереноса. Данный комплекс включает в себя информационно взаимосвязанные модули, обеспечивающие выполнение следующих основных функций:

- расчет естественного воздухораспределения в шахтной вентиляционной сети с целью подтверждения правильности принятой для расчета топологической и аэродинамической информации и распределения количества воздуха, поступающего на проветривание выемочных участков;

- формирование квазисетевой аэродинамической модели в виде сеточной области выработанного пространства с возможностью учета подработанного и надработанного пространств, наличия присечных целиков и технологических потерь;

- расчет фильтрации газовоздушной смеси через выработанное пространство добычного участка с учетом совокупного взаимодействия вентиляторов главного проветривания, вакуум-насосов, работающих на систему трубопроводов, системы скважин, газоотсоса и газодренажных систем, работающих за счет общешахтной депрессии;

- формирование «общей» аэродинамической модели вентиляционной сети, включающую аэродинамику шахтной вентиляционной сети (ШВС) и квазисетевые аэродинамические модели выработанных пространств примыкающих к добычным участкам;

- расчет естественного воздухораспределения в «общей» аэродинамической модели вентиляционной сети с учетом работы дегазационной системы;

- при наличии аэродинамических связей между полями соседних шахт или рудников формирование совместной аэродинамической модели и производства на ее основе расчета по естественному распределению воздуха в квазисетевой модели с целью определения взаимозависимости проветривания шахт и рудников при работе в нормальных и аварийных режимах;

- регулирования аэродинамических параметров шахтной вентиляционной сети с целью регламентирования режима тепломассопереноса, повышения ее экономичности или устойчивости, как при нормальном, так и аварийном режиме проветривания в существующей вентиляционной системе, при проектировании или существенном ее изменении в условиях развития горных работ.

На рисунке 1 приведена блок-схема человеко-машинной процедуры технологии выполнения описанных выше задач оперативного управления проветриванием с использованием ПЭВМ.

Выполнение действий при проведении того или иного расчета может производиться как последовательно, так и с учетом той или иной возникающей ситуации, при которой процесс выполнения операций может ветвиться или быть циклическим.

Рассмотрим последовательность действий практического использования предлагаемого программного комплекса, при решении поставленной задачи – локализация процесса низкотемпературного самонагревания угольного скопления в выработанном пространстве добычного участка при ведении горных работ.

Для рассматриваемого выемочного участка с потенциальным очагом низкотемпературного окисления необходимо, прежде всего, ввести исходные данные, которые необходимы для моделирования аэродинамики выработаного пространства (блок 2). Ввод информации может производиться с клавиатуры или с базы данных по запросу программы.

На основании введенных данных программным модулем «Form_seti.exe» (блок 4) рассчитываются все параметры сеточной области, разметка узлов и ветвей, поле аэродинамических сопротивлений по ветвям сеточной области, покрывающей все выработанное пространство (включая при наличии и присечные целики), а также бортовых выработок. После чего информация заносится в текстовый файл set1.txt в формате, необходимом для проведения дальнейших расчетов (блок 5).

Если на момент расчета, имеются данные о количестве воздуха, поступающего на проветривание добычного участка, выполняется расчет распределения утечек воздуха через выработанное пространство (блок 9).

Рисунок 1. Блок-схема человеко-машинной процедуры оперативного управления проветриванием с использованием ПЭВМ

Если данных о поступающем к участку воздухе нет, то производится считывание необходимой информации (блок 1) и выполнение расчета естественного воздухораспределения (программа ЕРВ, блок 5) по всей шахтной вентиляционной сети или для какого-либо блока (крыла) в зависимости от схемы проветривания шахты.

Расчет утечек в выработанном пространстве производится программным модулем «Utechki.exe» (блок 9), учитывающим смешанный закон сопротивления. Точность расчетов запрашивается программой и определяется пользователем, исходя из минимальной величины ожидаемых утечек или требуемой погрешности дальнейших расчетов.

По полученным результатам расчетов фильтрационных полей производится анализ по критерию пожароопасных скоростей утечек воздуха в выработанном пространстве (блок 11), на основании которого принимается решение об уточнении зоны с пожароопасными утечками (блок 13) или изменении режима проветривания добычного участка (блок 14) с целью смещения зон с пожароопасными скоростями утечек и зон с взрывоопасной концентрацией метана от локальных очагов пожара или зон с пожароопасной температурой. По завершению расчетов по той или иной ветви производится повторные расчеты уже с новыми скорректированными данными.

При принятии решения об уточнение и локализации зоны с пожароопасными утечками возникает необходимость в уменьшении шагов разбиения (∆Х и ∆У) при моделировании и построении сеточной области рассматриваемого объекта – выработанного пространства добычного участка. В этом случае пользователем вводятся (блок 2) полученные в последнем расчете границы пожароопасной зоны, строится программным модулем «Form_seti.exe» новая локальная область с нужным шагом разбиения и весь цикл расчетов повторяется, начиная с блока 4.

Если принято решение об изменении условий проветривания и определены требуемые расходы воздуха, обеспечивающие предотвращение пожароопасной ситуации в выработанном пространстве рассматриваемого добычного участка, то с помощью программы «Регулирование» (блок 19) решается задача регулирования воздухораспределения для подачи на рассматриваемый участок потребного количества воздуха.

Для работы программы принудительного распределения воздуха (ПРВ) необходимо наличие файла с полной информацией об исходном состоянии шахтной вентиляционной сети (блок 18). Этот массив исходной информации при необходимости может быть скорректирован с целью задания технологических ограничений на изменение аэродинамических сопротивлений конкретных выработок. Если задание на регулирование выполнено корректно, программа завершается расчетом требуемых сопротивлений регуляторов-выработок для обеспечения аварийного участка потребным количеством воздуха. Причем именно в подобных случаях программа «Регулирование» может работать в том режиме, когда желательно найти решение путем увеличения сопротивления на допустимую величину, а не уменьшения, так как в аварийных ситуациях недостаточно времени для осуществления мероприятий с большими трудозатратами (расширение выработок и так далее).

Полученные решения анализируются на выполнимость всех мероприятий в требуемые сроки. При необходимости можно изменить условия или ограничения и повторить расчет.

Выводы:

Данный программный комплекс прошел промышленную апробацию и более 10 лет используется в практическом счете Научно-инженерный центром горноспасателей Республики Казахстан при проведении сложных расчетов (более 400 заключений), для шахт Карагандинского угольного бассейна и вентиляционных сетей рудников Жезказганского меднорудного месторождения, что позволило в течение многих лет обеспечивать эндогенную пожаробезопасность ведения горных работ.

Литература:

1 Рогов Е.И., Грицко Г.И., Вылегжанин В.Н. Математические модели адаптации процессов и подсистем угольной шахты.– Алма-Ата: Наука, 1979. – 240с.

2 Вылегжанин В.Н. Физические и геохимические основы оптимизации угольных шахт.- Новосибирск: Наука, 1981. – 209с.

3 Акимбеков А.К. Управление метановыделением в выработки угольных шахт путем снижения газопроницаемости прилегающего горного массива. Докторская диссертация. - Алматы, 1996. - 288с.