Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование и разработка систем аэрогазодинамической безопасности подземных рудников

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка систем аэрогазодинамической безопасности подземных рудников"

На правах рукописи

Кормщиков Денис Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

V,

1 9 /шг 2015

с

,г : dt.it', с <

/

005561523

Пермь 2015

005561523

Диссертация подготовлена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Горном институте Уральского отделения Российской академии наук (ГИУрО РАН).

Научный руководитель: Левин Лев Юрьевич

Защита диссертации состоится «24» сентября 2015 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ГИ УрО РАН по адресу: г. Пермь, ул. Сибирская, 78 а. С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ГИ УрО РАН: http:-''''www .nii-pcrm.ru

Автореферат разослан «04» августа 2015 года.

Отзывы, заверенные печатью организации, просим направить в двух экземплярах не позднее, чем 10 дней до защиты диссертации. В отзыве должны быть указаны фамилия, имя, отчество, должность, организация, почтовый адрес, телефон и электронная почта, лица представившего его.

Отзывы необходимо направлять по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78 а. Телефон/факс: +7 (342) 216-75-02. Электронная почта: ЬЬа <Miii-pcrm.ru

доктор технических наук,

заведующий отделом аэрологии и теплофизики

ГИУрО РАН (г. Пермь)

Официальные оппоненты: Курилко Александр Сардокович

доктор технических наук,

заведующий лабораторией горной теплофизики

ИГДС СО РАН (г. Якутск),

Кобылкин Сергей Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Аэрология, технологическая безопасность и горноспасательное дело» НИТУ МИСиС (г. Москва)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «УГГУ» (г. Екатеринбург)

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. геол.-минерал. наук., доцент

Б А. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Современные горнодобывающие предприятия в условиях возрастания мощности добычи полезных ископаемых увеличивают глубину отработки и площади шахтных полей. Это приводит к существенному усложнению и разветвлению вентиляционных сетей шахт и рудников. Удаление очистных работ от шахтных стволов усложняет доставку свежего воздуха и повышает сложность обеспечения безопасных условии труда.

Для обеспечения безопасной добычи полезных ископаемых необходимо осуществлять контроль параметров рудничной атмосферы: количества воздуха, требуемого для проветривания, его температуры и компонентного состава.

ТТа сегодняшний день можно выделить два способа контроля параметров воздухораспределения: периодический и оперативный. Периодический — это контроль, проводимый участком вентиляции шахты один раз в месяц при помощи приборов. Оперативное наблюдение осуществляется с помощью датчиков, позволяющих производить непрерывный контроль параметров воздуха.

Исследованием и разработкой мероприятий контроля проветривания горных выработок занимались Скочинский А.А, Комаров В.Б, Абрамов Ф.А., Ушаков К.З., Милетич А.Ф., Бурчаков A.C., Ксенофонтова А.И., Цой C.B., Тян Р Б., Потемкин В.Я., Пучков JT.A., Медведев И.И., Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З., Мохирев H.H., Алыменко Н.И. и другие отечественные ученые. За рубежом данный вопрос рассматривали Бирд Д., Каллен А., Смит С., Кинджери Д., Макферсон М., Шмидт В., Скотт Д.Ю., Блум С., Маркс В., Стюарт К. и другие.

Основным недостатком периодического способа контроля параметров вентиляции являются большие временные затраты на проведение и обработку замеров. Второй способ контроля вентиляции лишен данного недостатка и позволяет своевременно получать информацию о состоянии вентиляционной сети. Однако наряду с этим автоматические системы мониторинга вентиляции осуществляют контроль параметров воздуха только в тех местах, где установлены датчики. Для получения полной картины воздухораспределения необходимо большое количество дорогостоящих датчиков. При этом, если один из датчиков системы мониторинга выходит из строя, то полностью теряется оперативная информация о параметрах воздуха не только в той выработке, где он установлен, но и на всем участке сети, который обслуживается этим датчиком.

Для устранения описанных недостатков целесообразно разработать новый способ контроля параметров вентиляции, позволяющий увязывать данные с датчиков в модели вентиляционной сети и рассчитывать на их основе аэродинамические параметры воздуха в остальных горных выработках.

Кроме того, информацию о распределении воздуха по всем горным выработкам, целесообразно использовать для решения остро стоящих перед горным производством задач, связанных с обеспечением безопасного ведения работ в штатном режиме проветривания и разработкой мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий. При этом появляется возможность для проектирования и реализации новых программных средств прогнозирования газораспределения и аналитических инструментов разработки оперативных мероприятий в аварийных режимах, которые используют для расчетов массив данных о воздухораспределении.

Вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения систем аэрогазодинамической безопасности, позволяющих повысить безопасность ведения горных работ в штатных режимах проветривания и увеличить эффективность разрабатываемых мероприятий по локализации и ликвидации аварий в аварийных режимах проветривания.

Цель работы

Разработка систем прогнозирования аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях для повышения безопасности ведения горных работ в штатных режимах и подготовки оперативных мероприятий в аварийных режимах проветривания рудников.

Основная идея работы

Использование решения обратной задачи воздухораспределения в вентиляционных сетях для разработки методов прогнозирования параметров рудничной атмосферы во всех горных выработках, технологического и методического обеспечения систем прогнозирования аэрогазодинамических процессов шахт и рудников.

Основные задачи работы:

1. Исследовать, разработать и верифицировать математические методы решения

обратной задачи воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях

произвольной топологии.

2. Разработать систему мониторинга аэродинамических параметров рудничной вентиляции, которая позволяет определять расходы воздуха во всех выработках рудника на основе показаний ограниченного количества датчиков.

3. Исследовать и разработать алгоритмы расчета газораспределения при пожарах, которые позволят определять задымленные выработки, время загазирования аварийных участков и визуализировать результаты на графической части плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

4. Создать вспомогательные аналитические инструменты для подготовки оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

5. Разработать технологическое и методическое обеспечение построения систем аэрогазодинамической безопасности на рудниках.

¡Методы исследований предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования воздухораспределения в шахтных и лабораторных условиях, статистическую обработку результатов экспериментов, математическое моделирование воздухораспределения, анализ результатов численных экспериментов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• Метод прогнозирования аэродинамических параметров в вентиляционной сети, заключающийся в численном решении обратной задачи воздухораспределения и позволяющий разрабатывать системы аэрогазодинамической безопасности. Система аэрогазодинамической безопасности шахт и рудников, основанная на интеграции математической модели вентиляционной сети и показаний измерительных датчиков, обеспечивающая оперативное определение расходов воздуха во всех горных выработках и прогнозирование распространения продуктов горения.

• Программно-аналитические инструменты расчета распространения продуктов горения по выработкам вентиляционной сети, необходимые для разработки и задействования плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

Научная новизна:

1. Решена обратная задача воздухораспределения в вентиляционной сети, позволяющая на основе аэродинамических сопротивлений ветвей и расходов в

отдельных выработках определить массив расходов воздуха во всех ветвях вентиляционной сети.

2. Разработан способ расчета воздухораспределения во всех действующих горных выработках шахты или рудника на основе интеграции показаний датчиков скорости движения воздуха с моделью вентиляционной сети.

3. Обосновано применение модели идеального вытеснения для решения задач газопереноса в горных выработках.

4. Созданы алгоритмы, позволяющие определять опасные позиции при аварии и автоматически прокладывать запасные выходы с учетом топологии вентиляционной сети и распространения газов по выработкам.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается соответствием фундаментальным физическим законам, сопоставимостью результатов аналитических, численных решений и натурных измерений, большим объемом экспериментальных исследований в шахтных и лабораторных условиях, положительными результатами верификации разработанных алгоритмов.

Практическое значение и реализация результатов работы

Результаты работы позволяют создавать системы аэрогазодинамической безопасности, прогнозирующие распределение воздуха и продуктов горения во всех горных выработках вентиляционной сети шахт и рудников любой топологии на основе ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха.

На испытательном аэродинамическом стенде реализована система аэрогазодинамической безопасности, позволяющая проводить испытание алгоритма прогнозирования расходов воздуха в различных вентиляционных режимах.

В программном модуле «План мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий» аналитического комплекса «АэроСеть» реализованы вспомогательные аналитические инструменты, которые позволяют упростить подготовку мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий. Аналитический комплекс «АэроСеть» в настоящее время активно применяется на горнодобывающих предприятиях ОАО «ГМК «Норильский никель», ПАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «ЕвроХим», ОАО «Лукойл-Коми». Кроме того, программа используется в учебном процессе кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Создано технологическое и методическое обеспечение построения систем мониторинга вентиляционных процессов. На основании этого разработана система аэрогазодинамической безопасности рудника «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель», которая на основе 34 датчиков скорости движения воздуха определяет расходы во всех горных выработках рудника, количество которых составляет более 2000.

Связь работы с крупными научными программами и темами

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН, проводившихся в период с 2008 по 2012 гг., по теме «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с предприятиями ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель».

С 2012 по 2015 г. исследования по теме диссертации были поддержаны по программе ОНЗ РАН «Фундаментальные проблемы и перспективы использования потенциала комплексного освоения недр на основе развития ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнолопш» (проект «Комплексный мошгторинг экстремальных горнотехнических ситуаций»), российским фондом фундаментальных исследований (проект № 13-05-96013 «Разработка комплексной технологии повышения энергоэффективности, обеспечения ресурсосбережения и промышленной безопасности в горнодобывающей промышленности») и Советом по грантам Президента Российской Федерации (проект № МД-7047.2015.5 «Разработка инновационной ресурсосберегающей системы мониторинга и управления вентиляцией горных предприятий, обеспечивающей безопасную и высокопроизводительную добычу полезных ископаемых в сложных горнотехнических условиях»).

Апробация работы

Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, ТТНИПУ, 2010 и 2011 гг.), на краевой дистанционной научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Молодежная наука Прикамья — 2010» (Пермь, ПНИПУ, 2010 год), на всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2011 г.), на ежегодных научных сессиях ГИ УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов» (Пермь, ГИ УрО РАН, 2012 — 2015 гг.), на международных научных симпозиумах «Неделя горняка»

(Москва, МТТУ, 2012, 2013 и 2015 гг.), на международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (Санкт-Петербург, НМСУ ((Горный», 2012 г.), на II международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2014 г.), на международной научно-практической конференции «Горная электромеханика — 2014: проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горно-шахтного оборудования» (Пермь, ПНИПУ, 2014 г.), на всероссийской молодежной научно-практической конференции по проблемам недропользования (Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2015 г.) и на научно-технических советах рудников ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» в 2013, 2014 и 2015 годах.

Личный вклад автора

При непосредственном участии автора проведена постановка задач, разработка математических моделей, экспериментальные исследования в шахтных и лабораторных условиях, анализ и обработка полученных данных, теоретические исследования и создание программных продуктов, выполнение расчетов и проведение численных экспериментов, разработка научных решений и их практическая реализация, сформулированы основные научные положения и выводы.

Практические эксперименты и внедрение результатов исследований были бы невозможны без содействия директора ООО «НПО «АэроСфера» Бутакова C.B. и ведущих специалистов ОАО «ГМК «Норильский никель»: Кравченко A.B., Тарасова О Н., Тетерина М.Е. и других.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н. Левину Л.Ю. за помощь в формировании научного направления диссертационной работы, д.т.н. Казакову Б.П. за ценные указания, к.т.н. Зайцеву A.B. за помощь в выполнении работы и Малькову П.С. за помощь в разработке и программной реализации алгоритмов. Успешной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе, поддержка и понимание членов семьи.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликованы 13 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации, получено свидетельство о государственной

регистрации программы для ЭВМ № 2015610589 и подана заявка Л» 2014147769 на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 43 рисунка и 14 таблиц. Список использованных источников состоит из 145 наименований, в том числе 27 зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I научное положение

Математический метод прогнозирования аэродинамических параметров в вентиляционной сети, заключающийся в решении обратной задачи воздухораспределения и позволяющий разрабатывать системы аэрогазодинамической безопасности.

В основу системы аэрогазодинамической безопасности положена система мониторинга параметров вентиляции, позволяющая прогнозировать расходы воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха.

Для интеграции экспериментальных показаний датчиков скорости движения воздуха с компьютерной моделью вентиляционной сети разработан метод расчета воздухораспределения. Этот метод базируется на решении обратной задачи еоздухораспределения, когда известными являются отношения аэродинамических сопротивлений ветвей и расходы в некоторых выработках, а искомым является массив расходов воздуха во всех ветвях вентиляционной сети.

Обратная задача воздухораспределения в вентиляционной сети формулируется следующим образом. Дана модель вентиляционной сети, содержащая NE ветвей и вершин. У каждой ветви 1 задано сопротивление Кг, в ветвях установлены источники тяги, обладающие неизвестным напором /•;. В вентиляционной сети соблюдаются законы Кирхгофа и квадратичный закон сопротивления. Кроме того, известными являются расходы в Nм ветвях.

Для решения задачи составляется система уравнений на основе законов Кирхгофа, в которой выделяется три типа уравнений (Таблица 1).

Таблица 1 — Типы уравнений, описывающих воздухораспределение в вентиляционной сети

Тип Уравнение Количество уравнений

1 "Е(У) £<?,=о ¡=1

2 (=1 - - Ыр + 1

3 ¡=1

Первый тип — это уравнения первого закона Кирхгофа. Второй тип — уравнения второго закона Кирхгофа, составленные для замкнутых контуров вентиляционной сети, не содержащих ветви с источниками тяга. И третий тип — уравнения второго закона Кирхгофа, составленные для замкнутых контуров вентиляционной сети, содержащие ветви с источниками тяги. Количество таких контурных уравнений, содержащих источники тяги, обозначено за NF.

Уравнения второго типа не изменяются при умножении на любой коэффициент, отличный от нуля, и поэтому достаточно информации о соотношении сопротивлений в различных ветвях контура, а не их абсолютных величинах. Ключевым моментом в решении задачи является то, что при выделении системы независимых контуров в сети необходимо обеспечить исключение ветвей, содержащих источники тяги. И в дальнейшем использовать уравнения, содержащие только известные аэродинамические сопротивления горных выработок. Поэтому следует задавать известные расходы воздуха в выработках, оборудованных вентиляторными установками, чтобы учитывать их работу. С практической точки зрения такое действие оправдано тем, что вентиляторные установки должны оборудоваться датчиками расхода воздуха.

Для решения поставленной задачи поиска неизвестных ЫБ — Ым расходов воздуха в ветвях сети разработан следующий алгоритм.

1. На первом этапе в систему уравнений подставляются известные Ым расходы, таким образом, количество неизвестных в задаче снижается до Nв — Им и возникает переопределение задачи, так как система содержит NE уравнений.

2. На втором этапе снижается количество уравнений согласно следующему принципу последовательности. Первоначально исключаются все уравнения

типа 3, далее происходит исключение уравнений типа 2 до тех пор, пока общее количество уравнений не будет равно Л^ -

3. Полученная система нелинейных алгебраических уравнений решается в два этапа следующим образом. На первом этапе подбираются набор расходов воздуха, удовлетворяющих первому закону Кирхгофа, для этого система уравнений первого типа дополняется линейно независимым базисом расходов, остальные расходы определяются при помощи метода Гаусса. На втором этапе, данный набор балансовых расходов используется в качестве начального приближения для итерационного алгоритма решения исходной системы нелинейных алгебраических уравнений методом Ньютона. На каждой итерации т решается линеаризованная система уравнений

X ъ • 1<?П ■ СГ1 = X 2' ■ 1<?п ■ № - (¿Г1) (!)

1=1 ¡=1

где — множество неизвестных расходов на итерации т;

<2[-' — множество известных расходов на предыдущей итерации т — 1.

4. На каждой итерации рассчитывается максимальная невязка между расходами воздуха:

а = шах|(?Г-дГ1| (2)

5. Итерационная процедура (3-4) продолжается до тех пор, пока невязка а не станет меньше заданной необходимой точности е.

В общем случае, известные расходы воздуха могут не удовлетворять первому закону Кирхгофа. Например, это может быть вызвано погрешностью их измерения с помощью приборов. Поэтому на предварительном этапе целесообразной является проверка соблюдения баланса расходов в изолированных сегментах сети выработок. Идея увязки балансов состоит в том, чтобы 1ггерационно увязывать свой собственный баланс в отдельных изолированных подсетях, распределяя все невязки на соседние сегменты. В результате распределения невязки формируются новые исходные данные по ветвям с известными расходами, удовлетворяющие первому закону Кирхгофа, после чего производится решение распределения расходов в сети согласно алгоритму, описанному выше.

Для прикладного использования на горных предприятиях разработанный алгоритм реализован в программном модуле «Расчет вентиляции» аналитического комплекса «АэроСеть» (Рисунок 1).

Выполнена верификация алгоритма на основании результатов обработки данных воздушной съемки шахты «Маяк» рудника «Комсомольский» ОАО ЗФ «ГМК «Норильский никель».

Рисунок 1 — Результаты расчета алгоритма решения обратной задачи в модели вентиляционной сети шахты «Маяк» ОАО «ГМК «Норильский никель»

Оценка общей ошибки определения расходов в вентиляционной сети выполнена на основании критерия. Он представляет сумму всех относительных погрешностей определения расходов воздуха учетом их значимости при помощи весового коэффициента:

«в

•-Ь&г-12^-»»* ¡61 !

где (Л — достоверный расход воздуха в ветви ¡, м3/с;

(к — расход воздуха в ветви ¿, рассчитанный алгоритмом решения обратной задачи, м3/с.

Для данного эксперимента относительная ошибка определения расходов воздуха £ составляет 6,38 %. Таким образом, разработанный метод решения обратной задачи воздухораспределения позволяет определять расходы воздуха во всех выработках вентиляционной сети.

II научное положение

Система аэрогазодинамической безопасности шахт и рудников, основанная на интеграции математической модели вентиляционной сети и показаний

измерительных датчиков, обеспечивающая оперативное определение расходов воздуха во всех горных выработках и прогнозирование распространения продуктов горения.

На основе алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения разработана концепция систем аэрогазодинамической безопасности с использованием расчетной модели вентиляционной сети (Рисунок 2).

Ашоматишроканнос рапочес меею специалист с программными аналитическими инстру ментами

Лшимтшировашше раОск» месш сисциа.шста службы нниииии шции

Контроллер поверхностный

Сериер

_1_

Контроллеры шахтные

Ч"

у у Вентиляционная сеть

гтгта

п 14- п

п п и

Техиткл ические датчики и вырабаисвх

Рисунок 2 — Схема взаимодействия структурных элементов системы аэрогазодинамической безопасности

Работа данной системы основывается на взаимодействии двух основных элементов:

• Система мониторинга параметров вентиляции, позволяющая прогнозировать расходы воздуха во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты) за счет ограниченного количества датчиков скорости движения воздуха.

• Программные аналитические инструменты для разработки и задействования плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий, учитывающие распространение продуктов горения в вентиляционной сети на основании расходов воздуха, определенных системой мониторинга.

С. целью проверки работоспособности система аэрогазодинамической безопасности реализована на испытательном аэродинамическом стенде (Рисунок 3) и проведен ряд экспериментов с отключением датчиков скорости движения воздуха и изменением параметров работы оборудования стенда (Таблица 2).

р.)

Рисунок 3 — Схема испытательного аэродинамического стенда

1 — 22 — вентиляционные каналы;

Д1 — Д7 — датчики скорости движения воздуха;

Р1 — Р6 — ручные средства отрицательного регулирования, АI, А2 — автоматические средства отрицательного регулирования;

ГВУ, ВУ1, ВУ2 — вентиляторные установки.

Геометрические и аэродинамические параметры элементов стенда рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить течение воздуха в режиме развитой турбулентности.

На основании результатов экспериментов сделан вывод о том, что система аэрогазодинамической безопасности позволяет при минимальном количестве датчиков определять воздухораспределение по всем выработкам вентиляционной сети рудника (шахты). На основе второго и пятого эксперимента сделан вывод о том, что при уменьшения количества датчиков скорости движения воздуха необходимо соблюдать подобие аэродинамических сопротивлений ветвей, разрабатываемой модели вентиляционной сети. Для построения подобной системы мониторинга на руднике (шахте), требуется проводить воздушно-депрессионную съемку для определения аэродинамических сопротивлений выработок и разрабатывать корректную модель вентиляционной сети.

Таблица 2 — Ошибка определения расходов воздуха при испытании системы мониторинга, реализованной на аэродинамическом стенде

Номер Название эксперимента Ошибка £, %

0 Вес датчики работают. 2,56

1 Выход из строя датчика (Д1), расположенного на вочдухоподающем стволе, и датчика (Д4), расположенного на вентиляционном штреке одного из горизонтов 2,49

2 Отключении датчиков (ДЗ и Д4), расположенных в вентиляционных выработках горизонтов 1,32

3 Открытие диагонального соединения (22) воздухоподающих выработок горизонтов 2,38

4 Выход из строя датчика (Д7), расположенного диагональной выработке меяаду горизонты 1,33

5 Отключение всех датчиков, кроме датчика (Д2). измеряющего производительность вентилятора главного проветривания 3,70

Система аэрогазодинамической безопасности реализуется на руднике «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель» В ходе работы спроектирован и изготовлен опытный образец автоматической замерной станции (Рисунок 4). Станция представляет собой стационарный аппарат для построения систем аэрогазодинамической безопасности,

осуществляющий замеры расходов воздуха, а также концентраций горючих и токсичных газов.

Разработана методика, позволяющая на основе ошибки определения расходов рассчитать требуемое количество датчиков, необходимых для построения системы аэрогазодинамической безопасности. По этой методике определено минимальное количество датчиков, позволяющих контролировать воздухораспределение на руднике «Таймырский», и места их установки.

В результате проведенных численных расчетов выявлен характер зависимости величины ошибки распределения расходов от количества датчиков Мм и построена линия тренда (Рисунок 5). На основании результатов расчетов выбрана конечная расстановка из 34 датчиков, объединенных в 20

автоматических замерных станций. При такой расстановке датчиков величина ошибки распределения расходов £ составляет 14,5 %.

£, М3/С

300 250 ■ 200 -150 -100 • 50 -

„ -, , , , , , ,-,-,-г м

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 "

Рисунок 5 —• Зависимость ошибки управления от количества и расстановки датчиков

Стоимость построения системы аэрогазодинамической безопасности почти в два раза ниже стоимости аналогичной по информативности системы мониторинга параметров вентиляции, для оборудования которой требуется 60 датчиков. (Таблица 3).

Кроме того, разработанная система аэрогазодинамической безопасности имеет следующие преимущества:

- расходы воздуха определяются во всех выработках вентиляционной сети рудника (шахты);

- прогнозирование расходов осуществляется даже при отказе одного или нескольких датчиков скорости движения воздуха;

- возможность прогнозирования задымленных участков вентиляционной сети в оперативном режиме на основе фактических расходов воздуха.

■О.о

Ь ■ O.Q

¡-»••««...о• ..я

Таблица 3 — Сравнение затрат на построение систем мониторинга рудника «Таймырский»

Оборудование / работа Система мониторинга воздуха Система азрогазодинамической безопасное™

Количес тво, шт. Стоимость, руб. Количес тво. шт. Стоимость, руб.

Шкаф сбора данных (Автоматическая замерная станция) на один датчик в исполнении РВ б 1 118 783 4 828 728

Шкаф сбора данных (Автоматическая замерная станция) на один датчик в исполнении РН 17 20 371 874 4 5 325 980

Шкаф сбора данных (Автоматическая замерная станция) па пескольно датчиков в исполнении РВ 6 12 145 218 4 8 996 458

Шкаф сбора данных (Автоматическая замерная станция) на несколько датчиков в исполнении РН 10 10488 186 8 9 322 832

Датчик скорости воздуха 60 5 949 238 34 3 371 235

Главный шкаф сбора данных (Управляющий поверхностный модуль) 1 2 509 855 1 2 788 728

Система диспетчерского управления и сбора данных 1 1 804 727 1 1 804 727

Монтажные работы — 1 515 476 — 780 700

Пуско-наладочные работы — 9 855 632 — 4 594 700

Сумма 65 758 989 37 814 088

Указанные преимущества позволяют значительно увеличить надежность и информативность системы аэрогазодинамической безопасности по сравнению с остальными способами контроля вентиляции. Применение такой системы повышает безопасность ведения горных работ и качество разрабатываемых мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

III научное положение

Программные аналитические инструменты, учитывающие распространение продуктов горения по выработкам еенпиняционной сети, необходимые для разработки и задействования плана мероприятий по локализации и ликвидации

последствий аварий.

Разработаны средства определения и визуализации зон распространения продуктов горения, которые позволяют предварительно рассчитать каждый из принимаемых в плане мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий режимов вентиляции. При этом ответственные руководители работ по эвакуации людей получают информацию о том, какие выработки и за какой промежуток времени будут загазованы при каждом вентиляционном режиме. Данные средства значительно

увеличивают оперативность действий диспетчера для вывода горнорабочих при задействовании плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

Исходными информацией для решения задачи определения зон задымления является схема плана ликвидации аварий, которая несет в себе данные о топологии вентиляционной сети рудника (шахты), геометрических параметрах выработок, направлениях движения >1 объемах воздушных потоков в горных выработках.

Расчет алгоритма распространения газа по выработкам основывается на том, что основную роль в переносе газа и тепла по горным выработкам играет конвективная составляющая. Поэтому, зная направление движения и объем воздуха, проходящего по выработкам, можно определить, как с течением времени газ будет распространяться по вентиляционной сети рудника (шахты).

Законы переноса газовых примесей по горным выработкам описываются дифференциальным уравнением конвективной диффузии параболического типа:

где с — концентрация примеси;

V — векторное поле скоростей воздушной среды;

V — оператор Гамильтона;

£) — коэффициент диффузии;

/" — функция источников поглощения и выделения примеси.

Обычно длина горных выработок, по которым происходит основной перенос газовых примесей по вентиляционной сета рудника (шахты), значительно превышает их диаметр. В этом случае уравнение (4) можно решать в одномерной постановке. При этом диффузионным слагаемым в уравнении (4) можно пренебречь, если выполняется условие:

где Л — приведенный диаметр горной выработки, м;

V — скорость движения воздуха в горной выработке, м/с;

йх — продольная составляющая коэффициента турбулентной диффузии газовой примеси, м2/с.

Отношение двух сравниваемых величин, приведенных в условии (5), определяется по следующей формуле

(4)

а ■ V » о.

■х

(5)

где р — плотность воздуха, кг/м3;

а — коэффициент аэродинамического сопротивления, Н • с2/м4.

Результаты расчета отношения (ti • v')/Dx для различных типов горных выработок показали, что оно изменяется в пределах от 212 до 1343. Таким образом, условие (5) соблюдается. Для решения задач газопереноса в горных выработках используется модель идеального вытеснения, в которой изменение концентрации примеси в точке пространства осуществляется только за счет ее конвективного переноса.

Алгоритм следующий: начиная с места аварии, для каждой выработки по направлению движения воздуха на основе модели идеального вытеснения распространяется газ. При этом на каждом уровне графа расчетное время уменьшается на модельное время, затрачиваемое на заполнения выработки дымом. Дым по выработкам распространяется до тех пор, пока во всех направлениях не израсходуется модельное время.

Анализ случаев задействования плана мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий показывает, что диспетчеру рудника (шахты) сложно выбрать необходимую позицию для задействования. Как правило место возникновения пожара остается неизвестным. Для уменьшения количества позиций, из которых диспетчеру необходимо выбрать аварийную, решена задача поиска опасных позиций для выбранного участка.

Исходной информацией для решения задачи является схема плана ликвидации аварий, в которой выработки связаны с позициями и имеются данные о топологии вентиляционной сети и движении воздуха по ней.

Алгоритм решения следующий: осуществляя перебор выработок против направлен™ воздушной струи, позиции, связанные с этими выработками необходимо считать потенциально опасными.

Разработан алгоритм автоматического определения путей выхода с места аварии, который позволяет уменьшить трудозатраты на разработку путей эвакуации при составлении оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий.

Решение задачи выглядит следующим образом. Путем последовательного просмотра отдельных уровней графа, начиная с вершины-источника и заканчивая целевой вершиной, необходимо найти путь выхода с аварийного участка на поверхность с наименьшей длиной. При поиске пути выхода алгоритм учитывает зону распространения продуктов горения и объекты, установленные на схеме, которые делают выработки непроходимыми для людей.

Для прикладного использования на горных предприятиях разработанные вспомогательные инструменты реализованы в программном модуле «План ликвидации аварий» аналитического комплекса «АэроСеть» (Рисунок 6). Данные программные аналитические инструменты апробированы на рудниках ОАО «ГМК «Норильский никель».

Рисунок 6 — Зона задымления шахты «Маяк» ОАО «ГМК «Норильский никель» при пожаре на складе взрывчатых материалов

Таким образом, разработанные аналитические инструменты позволяют повысить качество подготовки оперативных мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий, увеличить оперативность принятия решений при ликвидации аварий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной научно-практической задачи разработки систем прогнозирования азрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях для повышения безопасности ведения горных работ в штатных режимах и подготовки оперативных мероприятий в аварийных режимах проветривания рудников и получены следующие основные научные результаты:

1. Исследованы математические методы решения обратной задачи воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии.

2. Разработан к верифицирован на основе результатов инструментальных измерений расходов воздуха на шахте «Маяк» рудника «Комсомольский» ОАО «ГМК «Норильский никель» метод решения обратной задачи воздухораспределения.

3. Разработана концепция современной системы мониторинга параметров рудничной вентиляции, которая позволяет определять расходы воздуха во всех выработках рудника на основе показаний ограниченного количества датчиков.

4. Спроектирована и реализована на испытательном аэродинамическом стенде система аэрогазодинамической безопасности, позволяющая производить испытания работы алгоритма решения обратной задачи воздухораспределения в различных вентиляционных режимах.

5. На основании лабораторных испытаний доказана работоспособность системы аэрогазодинамнческой безопасности при работе в различных вентиляционных режимах и уменьшении числа работающих датчиков.

6. Обосновано применение модели идеального вытеснения для решения задач газопереноса в горных выработках.

7. Созданы программные аналитические инструменты для подготовки оперативных мероприятий по локализации н ликвидации последствий аварий, позволяющие определять опасные позиции при аварии и автоматически прокладывать запасные выходы с учетом топологии вентиляционной сети и распространения газов по выработкам.

8. Спроектирована и изготовлена автоматическая замерная станция, представляющая собой стационарный аппарат для построения систем аэрогазодинамической безопасности, который позволяет осуществлять замеры расходов воздуха, а также концентраций горючтс и токсичных газов в непрерывном автоматическом режиме.

9. Разработана и апробирована на руднике «Таймырский» ОАО «ГМК «Норильский никель» методика определения количества датчиков и автоматических замерных станций, необходимых для построения системы аэрогазодинамической безопасности.

СПИСОК РАБОТ, опубликованных автором по теме диссертации

публикации в изданиях, утвержденные Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации

1. Гришин Е.Л. Моделирование аэротермодинамических процессов в программном модуле «План ликвидации аварий» / Е.Л. Гришин, А С. Киряков, Д.С. Кормщиков // Горный информационно-аналитический бюллетень. — МГГУ, 2012, № 5. — С. 312 — 315.

2. Газизуллин Р Р. Исследование местных аэродинамических сопротивлений подземной части рудника в реверсивном режиме проветривания / Р.Р. Газизуллин, Д.С. Кормщиков // Горный информационно-аналитический бюллетень. — МГГУ, 2013, № 8. — С. 157 — 161.

3. Левин Л.Ю. Решение задачи оперативного расчета распределения продуктов горения в сети горных выработок / Л.Ю. Левин, Д.С. Кормщиков, М.А. Семин // Горный информационно-аналитический бюллетень. —МГГУ, 2013, № 12. — С. 179— 184.

4. Гришин Е.Л. Использование результатов теплогазодинамичского расчета при анализе аварийных ситуаций и разработке плана ликвидации аварий в аналитическом комплексе «АэроСеть» / Е.Л. Гришин, Д.С. Кормщиков, Л.Ю. Левин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — МГГУ, 2014, № 9. — С. 185 — 189.

публикации в других изданиях

5. Кормщиков Д.С. Применение программного модуля «Электронный план ликвидации аварии» / Д.С. Кормщиков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — Пермь, 2010, № 5. — С. 86 — 89.

6. Кормщиков Д.С. Моделирование рудничных пожаров в программном модуле «Электронный план ликвидации аварии» / Д.С. Кормщиков // Научные исследования и инновации.— Пермь, 2011, Т. 5, № 1. — С. 159 — 161.

7. Кормщиков Д.С. Разработка и совершенствование программного продукта «Электронный план ликвидации аварии» / Д.С. Кормщиков // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — Пермь, 2012, № 10. — С. 278 — 280.

8. Кормщиков Д.С. Расчет газораспределения в сети горных выработок при авариях в программном комплексе «Электронный план ликвидации аварии» / Д.С. Кормщиков // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — Пермь, 2013, № 11. — С. 275 — 277.

9. Кормщиков Д.С. Исследование теплогазодинамических процессов аварийных режимов проветривания рудников для разработки мероприятий плана ликвидации аварий / Д.С. Кормщиков // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — Пермь, 2014, № 12. — С. 287 — 289.

10. Шалимов A.B. Моделирование динамики тепловых депрессий и ее влияния на проветривание горных выработок / A.B. Шалимов, Д.С. Кормщиков, P.P. Газизуллин, М.А. Семин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — Пермь,

2014, Л® 12. — С. 41 —47.

П.Гришин Е.Л. Автоматиз1грованное рабочее место специалиста рудничной вентиляции / Е.Л. Гришин, Д.С. Кормщиков, A.B. Кашников // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. — Пермь, 2014. Т. 1. № 1. — С. 143 — 149.

12. Левин Л.Ю. Инновационный подход к контролю воздухораспределения в вентиляционной сети / Л.Ю. Левин, Д.С. Кормщиков // Проблемы недропользования. — Екатеринбург, 2015, № 1 (4). — С. 66 — 69.

13. Кормщиков Д.С. Разработка систем аэрогазодинамической безопасности подземных рудников / Д.С. Кормщиков // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — Пермь,

2015, № 13. — С. 273 — 276

Сдано в печать «17» июля 2015 г. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз.

Отпечатано сектором НТИ ГИ УрО РАН 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78 а