Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Круглов, Юрий Владиславович

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Автоматическое управление воздухораспределением в рудниках

1.2. Методы расчета вентиляционных сетей рудников.

1.3. Методы определения аэродинамических сопротивлений участков вентиляционной сети.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В РУДНИКАХ И МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ РАСЧЕТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

2.1. Решение задачи оптимального управления воздухораспределением в рудниках методом математического программирования.

2.1.1. Постановка задачи оптимального управления воздухораспределением.

2.1.2. Разработка алгоритма оптимального управления воздухораспределением.

2.2. Методика создания общерудничной расчетной вентиляционной сети.

2.3. Методика создания локальной расчетной вентиляционной сети.

2.4. Выводы к главе.

3. КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА РУДНИЧНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ.

3.1. Постановка задачи расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях рудников.

3.2. Разработка методов расчета стационарного воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях с переменными параметрами

3.2.1. Разработка модифицированного метода Андрияшева — Кросса для расчета стационарного воздухораспределения в сетях с переменными параметрами.

3.2.2. Исследование вариантов метода Ньютона решения систем нелинейных уравнений и их использование при расчете вентиляционных сетей.

3.2.3. Адаптация метода контурных расходов расчета гидравлических сетей к расчету вентиляционных сетей рудников.

3.3. Исследование возможности использования разработанных методов в системе оптимального управления воздухораспределением в рудниках.

3.4. Разработка комбинированного метода расчета вентиляционных сетей.

3.5. Выводы к главе.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ХАРАКТЕРНЫХ УЧАСТКОВ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ РУДНИКОВ.

4.1. Определение аэродинамических сопротивлений активных участков вентиляционных сетей.

4.2. Определение аэродинамических сопротивлений шахтных стволов .".

4.3. Исследование аэродинамических сопротивлений отрицательных регуляторов расхода воздуха.

4.4. Выводы к главе.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКОВ.

5.1. Разработка программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» для решения задач расчета и управления воздухораспределением в рудниках.

5.2. Практическое использование программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» при создании систем проветривания калийных рудников.

5.3. Экспериментальная проверка результатов моделирования воздухораспределения при перераспределении воздуха между горизонтами калийного рудника.

5.4. Выводы к главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников"

Актуальность темы диссертации. В современных условиях вентиляционные сети подземных рудников становятся все более сложными и разветвленными. Фронт очистных работ постепенно удаляется от шахтных стволов, что усложняет доставку свежего воздуха в рабочие зоны. На удаленных участках шахтных полей зачастую ощущается нехватка свежего воздуха, при этом горные работы продолжают развиваться, к шахтному полю прирезаются новые участки, а соответственно, потребность рудников в воздухе возрастает. Увеличение производительности главных вентиляторных установок (ГВУ) не оказывает необходимого эффекта на проветривание удаленных участков, т. к. при этом возрастают внешние и внутрирудничные утечки воздуха, энергетические затраты на проветривание рудников резко возрастают, появляется перекос в воздухораспределении между участками: на одни участки воздуха поступает больше требуемых значений, на другие — меньше. Резерва увеличения производительности главных вентиляторных установок на многих рудниках нет, т. к. они работают на предельных режимах. Все это говорит о неэффективности традиционных методов управления воздушными потоками внутри рудников, приводящих к неоправданным затратам на проветривание.

В настоящее время на многих рудниках ведутся активные работы по внедрению новых систем рециркуляционного проветривания, которые повышают эффективность использования свежего воздуха в рудничной вентиляционной сети. Системы рециркуляционного проветривания становятся особенно эффективными при их использовании в составе систем автоматического управления проветриванием.

Использование систем автоматического управления проветриванием, позволяющих снизить энергетические затраты на проветривание при одновременной сбалансированной доставке воздуха в рабочие зоны в необходимом количестве, может сделать проветривание рудников наиболее эффективным. В настоящее время на многих горнодобывающих предприятиях ведутся работы по внедрению автоматизированных систем контроля параметров проветривания и систем автоматического управления воздухораспределением.

Эти обстоятельства указывают на необходимость разработки методов и средств оптимального управления воздухораспределением для систем автоматического проветривания рудников. Оперативное оптимальное управление воздухораспределением в рудничной вентиляционной сети имеет своей целью минимизацию энергетических затрат на проветривание за счет выбора оптимальных режимов работы главной вентиляторной установки и автоматических отрицательных регуляторов расходов воздуха, установленных в руднике. При этом на расходы воздуха накладываются ограничения, выражающиеся в превышении фактических расходов воздуха в рабочих зонах над требуемыми значениями. Управляющее решение центральный компьютер принимает на основе оперативной информации, поступающей с датчиков расходов воздуха, установленных в руднике.

Цель работы — разработка методологии моделирования сложных вентиляционных систем и создание на этой основе алгоритмов и современного программно-вычислительного комплекса для автоматического управления воздухораспределением в горных выработках подземных рудников.

Основная идея работы заключается в разработке нового комбинированного метода расчета вентиляционных сетей, попеременно использующего базовые метод Андрияшева — Кросса и метод контурных расходов в зависимости от характера сходимости итерационного процесса.

Основные задачи работы: разработка алгоритма оптимального управления воздухораспределением для автоматической системы проветривания подземных рудников; разработка высокоскоростного и надежного комбинированного метода расчета вентиляционных сетей; совершенствование методов определения аэродинамических сопротивлений шахтных стволов, активных участков вентиляционной сети и отрицательных регуляторов расхода воздуха; разработка методики подготовки исходных данных для оптимального управления воздухораспределением; создание программно-вычислительного комплекса для оптимального управления воздухораспределением в подземных рудниках.

Основные научные положения, выносимые на защиту: расчет параметров оптимального управления воздухораспределением в рудничных вентиляционных сетях достигается путем использования предложенного алгоритма, входные данные для которого поступают либо в режиме считывания сетевой аэродинамической информации, либо рассчитываются на основе сигналов, выдаваемых датчиками расхода воздуха; разработанный комбинированный метод расчета вентиляционных сетей позволяет наиболее надежно и оперативно получать входные данные для управляющего алгоритма автоматической системы оптимального воздухораспределения; качество и надежность оперативного управления воздухораспределением определяются точностью задания аэродинамических сопротивлений базовых элементов вентиляционной сети рудника: стволов, активных участков и устройств отрицательного регулирования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим количеством экспериментальных исследований и результатами численного моделирования. Использованные методы численного моделирования базировались на корректных математических моделях, отражающих известные законы аэродинамики. Полученные выводы были подтверждены многочисленными промышленными испытаниями систем проветривания, разработанных в рамках соответствующих научно-исследовательских и проектных работ, проведенных в калийных рудниках и гипсовых шахтах. Результаты моделирования процессов воздухораспределения неоднократно проверялись в рамках плановых и укрупненных воздушно-депрессионных съемок, проводимых на калийных рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

Научная новизна: показано, что для точного оперативного управления воздухораспре-делением в вентиляционных сетях сбор исходных данных может осуществляться либо в режиме идентификации аэродинамических сопротивлений, либо на основании информации, поступающей с датчиков расходов воздуха, либо путем комбинации данных методов; данный подход реализован в предложенном алгоритме; доказано, что улучшение скорости и надежности итерационного процесса расчета сложных вентиляционных сетей достигается при попеременном использовании двух базовых методов: метода Андрияшева — Кросса и метода контурных расходов; установлено, что при автоматическом управлении воздухораспреде-лением для определения фактических аэродинамических сопротивлений шахтных стволов с достаточной точностью необходимо проведение тепло-влажностной и барометрической съемок с выполнением замеров через каждые 20 — 30 м; показано, что для точного определения аэродинамических сопротивлений устройств отрицательного регулирования, применяющихся в системах автоматического управления проветриванием, необходимо производить учет коэффициента сжатия струи и плотности воздуха.

Практическое значение работы состоит в использовании разработанного комбинированного метода расчета вентиляционных сетей, методик создания расчетных сетей и алгоритма оптимального воздухораспределения для работы в составе систем автоматического проветривания рудников. Предложенные методики и алгоритмы реализованы в составе программно-вычислительного комплекса «АэроСеть», использованного при разработке проекта системы автоматического управления проветриванием рудника

БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий» (Березники). «АэроСеть» была использована при создании расчетных сетей и систем проветривания рудников ОАО «Сильвинит» (Соликамск), ОАО «Уралкалий», ОАО «КнауфГипсНовомо-сковск» (Новомосковск), РУП «ПО "Беларуськалий"» (Республика Беларусь). На РУП «ПО "Беларуськалий"» и ОАО «Сильвинит» разработанные методики и «АэроСеть» были использованы при создании систем рециркуляционного проветривания. «АэроСеть» вошла в технологический регламент по проветриванию рудников ОАО «Уралкалий». «АэроСеть» используется работниками указанных горных предприятий, изучается студентами горных специальностей пермских вузов.

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2003, 2004, 2005 и 2006 гг.), на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии» (Екатеринбург, 2006 г.), на Первом всероссийском научном форуме «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006 г.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2006 г.), на научно-практической конференции «Медведевские чтения» (Кунгур, 2004 г.), на технических советах в ОАО «Сильвинит», ОАО «Уралкалий», РУП «ПО "Беларуськалий"», ОАО «КнауфГипсНовомосковск».

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 170 страницах и содержит 36 рисунков и 20 таблиц. Список использованной литературы состоит из 116 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Круглов, Юрий Владиславович

5.4. Выводы к главе

1. Расчет современных вентиляционных сетей рудников невозможен без использования специализированного программного обеспечения. Наиболее удобным из всех существующих на рынке программных продуктов является разработанный автором совместно с коллективом лаборатории программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», который позволяет производить расчет сложных вентиляционных сетей, анализировать процессы воздухораспределения, находить оптимальные режимы работы вентиляционных устройств, обрабатывать исходные данные для расчетных вентиляционных сетей и корректировать их на предмет ошибок. «АэроСеть» имеет в своем составе модуль оптимального управления, разработанный для использования в составе систем автоматического управления проветриванием рудников.

АэроСеть» может быть использована при создании новых и реконструкции старых систем проветривания рудников, при проектировании прирезки новых участков и строительстве новых рудников, что подтверждается большим количеством проведенных научно-исследовательских работ.

Экспериментальная проверка результатов численного моделирования показала, что относительная погрешность расходов в ветвях сети не превышает 5 %, что указывает на высокую точность исходных данных для расчетных сетей, получаемых с помощью методики, разработанной в главе 2 настоящей работы, а также на корректность используемых в «АэроСети» алгоритмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан метод оптимального оперативного управления воздухораспределением для автоматической системы проветривания рудников, позволяющий эффективно проветривать рабочие зоны при минимальных энергозатратах.

Разработан высокоскоростной и надежный комбинированный метод расчета воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях. Разработан программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», позволяющий производить оптимальное управление воздухораспределением в руднике, рассчитывать любые вентиляционные сети, производить увязку и обработку данных шахтных замеров по созданию расчетных сетей. Разработана методика создания расчетных вентиляционных сетей, включающая методы определения аэродинамических сопротивлений характерных участков.

Разработана зависимость для определения аэродинамического сопротивления автоматических отрицательных регуляторов, использующихся в качестве исполнительных устройств автоматической системы проветривания.

Разработана методика создания локальных вентиляционных сетей, позволяющая упрощать сложные участки вентиляционной сети рудника, что облегчает задачу оптимального управления.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Круглов, Юрий Владиславович, Пермь

1. Абрамов Ф. А. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра, 1972.

2. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. Киев: Наук, думка, 1967.

3. Абрамов Ф. А., Бойко В. А., Булах Г. И. Применение быстродействующих ЭВМ для расчета проветривания шахт.— Известия АН СССР. Металлургия и горное дело, 1963, № 2, с. 161 — 169.

4. Абрамов Ф. А., Бойко В. А., Гращенков Н. Ф. и др. Справочник по рудничной вентиляции. М.: Недра, 1977.

5. Абрамов Ф. А., Бойко В. А., Тян Р. Б., Швец Г. А. Расчет распределения и регулирования воздуха в шахтных вентиляционных сетях с помощью электронно-вычислительных машин. М.: ЦНИИЭуголь, 1968.

6. Абрамов Ф. А., Бойко В. А., Тян Р. Б., Швец Г. А. Расчет сложных вентиляционных сетей на электронно-вычислительных машинах. Горный журнал, 1964, № 11, с. 61 — 64.

7. Абрамов Ф. А., Долинский В. А., Идельчик И. Е. и др. Аэродинамическое сопротивление горных выработок и тоннелей метрополитена. М.: Недра, 1964.

8. Абрамов Ф. А., Мшетич А. Ф., Эстрейманн В. 3. Инструментальные средства и методы депрессионных съемок шахт. М.: Недра, 1974.

9. Абрамов Ф. А., Тян Р. Б., Потемкин В. Я. Воздухораспределение в вентиляционных сетях шахт. Киев: Наук, думка, 1971.

10. Абрамов Ф. А., Тян Р. Б. Методы и алгоритмы централизованного контроля и управления проветриванием шахт. Киев: Наук, думка, 1973.

11. Абрамов Ф. А., Тян Р. Б., Потемкин В. Я. Расчет вентиляционных сетей шахт и рудников. М.: Недра, 1978.

12. Акутин К. Г., Филиппович Е. И., Шойхет Л. А. Управление воздухорас-пределением в шахтной вентиляционной сети. М.: Недра, 1977.13