Оптимизация параметров систем управления проветриванием рудных шахт в условиях аварийных ситуаций
На правах рукописи
Коренной Константин Николаевич
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОВЕТРИВАНИЕМ РУДНЫХ ШАХТ В УСЛОВИЯХ
АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Екатеринбург - 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный
университет и в филиале «Военизированная горноспасательная часть Урала»
ФГУП «Специализированное производственное объединение
«Металлургбезопасность».
Научный руководитель – доктор технических наук, доцент
Ермолаев Александр Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Нестеренко Геннадий Филиппович
кандидат технических наук
Росляков Станислав Михайлович
Ведущая организация – ОАО Институт «Уралгипроруда»
Защита состоится «17» декабря 2009 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».
Автореферат диссертации разослан «13» ноября 2009 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор В.К.Багазеев
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Современная вентиляция рудных шахт позволяет обеспечивать требуемые санитарно-гигиенические условия труда в подземных выработках. Однако постоянно имеющие место усложнения горно-геологических и технико-технологических условий эксплуатации горных предприятий обусловливают новые проблемы. Остаются трудности с воздухораспределением, доставкой воздуха к рабочим местам, полным обеспечением горных работ свежим воздухом, созданием эффективной системы управлением проветриванием. Одной из причин подобной ситуации является наличие в шахте не в полной мере учтённых в проектах дополнительных аэродинамических связей горных работ с поверхностью через обрушения над отработанными частями месторождений. Даже при хорошей изученности аэродинамических параметров обрушений учёт их в шахтной системе при организации управления сложен и трудоёмок. Это объясняется спецификой обрушений как вентиляционных ветвей, наличием возникающих в них локальных естественных тяг, сложным их взаимодействием между собой и вентиляторами главного проветривания, что крайне затрудняет создание эффективной системы управления проветриванием. Особенно это проявляется при аварийных ситуациях, связанных с возникновением эндогенных и экзогенных пожаров в подземных выработках. Сами пожары в данном случае становятся источниками активных
естественных тяг, то есть дополнительных побудителей движения воздуха в шахтной сети, способных создать неконтролируемые, неуправляемые режимы вентиляции.
Одним из основных факторов обеспечения успешной и безопасной ликвидации аварий является наличие системы управления вентиляцией, предусматривающее любые изменения в вентиляционной сети. Основой системы может
являться математическая модель вентиляции, позволяющая с помощью современных ПЭВМ быстро решать все задачи, связанные с взаимодействием многочисленных побудителей движения воздуха. Это даёт возможность уже на стадии разработки плана ликвидации аварий (ПЛА) делать достоверный прогноз воздухораспределения в шахте.
Объект исследований – вентиляция рудных шахт, имеющих дополнительные аэродинамические связи подземных работ с поверхностью через выработанные пространства и обрушения.
Предмет исследований – методы расчёта вентиляционных сетей.
Цель исследований – оптимизация параметров системы управления общешахтным проветриванием в условиях аварийных ситуаций при подземных пожарах.
Идея работы заключается в использовании математической модели вентиляции шахты для определения воздухораспределения в подземных выработках при аварийных ситуациях и наличии вновь появляющихся побудителей движения воздуха.
Основные задачи исследований:
- оценка роли естественных тяг и их взаимодействие в создании рациональной системы управления вентиляцией рудных шахт;
- разработка методики расчёта температурных режимов в шахте в условиях
аварийных ситуаций, связанных с экзогенными и эндогенными пожарами;
- разработка математической модели вентиляции шахты с дополнительными внутришахтными побудителями движения воздуха;
- разработка программного комплекса плана ликвидации аварий.
Методы исследований. В основу исследований положен комплексный подход, который включает: анализ состояния и причин неэффективного управления общешахтной вентиляцией, методы наблюдений и натурные эксперименты, математическое и численное моделирование процессов тепломассообмена между движущимся воздухом и горным массивом, опытно-промышленную
проверку и последующее внедрение программного комплекса планов ликвидации аварий на рудных шахтах.
Научные положения, выносимые на защиту:
- Закономерность распределения температур при подземных пожарах в движущемся потоке, учитывающая кинематический и диффузионный
перенос тепла и теплообмен с горным массивом. - Методика определения естественных тяг при подземных пожарах в
отдельных ветвях шахтной вентиляционной сети.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов выполненных аналитических исследований с результатами промышленных испытаний,
положительными результатами внедрения программного комплекса планов ликвидации аварий на рудных шахтах.
Научная новизна результатов исследований заключается:
- в разработке математической модели определения температурных параметров в подземных выработках и обрушениях при экзогенных и эндогенных пожарах;
- в учёте локальных естественных тяг, возникающих при подземных пожарах как дополнительных побудителей движения воздуха в шахтном воздухораспределении;
- в создании вентиляционной модели шахты, включающей в себя все проектные и дополнительно возникающие в сети побудители движения воздуха и их взаимодействие между собой;
- в разработке структуры плана ликвидации аварий с программным комплексом его реализации.
Практическая значимость работы заключается в разработке моделей,
алгоритмов и программ для создания рациональной системы управления шахтной вентиляцией при аварийных ситуациях в подземных условиях. Все элементы управления использованы при разработке программного комплекса ПЛА.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические
результаты диссертации рекомендованы для их использования подразделениям ВГСЧ при согласовании планов ликвидации аварий на шахтах: «Магнезитовая», «Сидиритовая», «Ново – Кальинская», «Центральная – Новая», «Сибайский подземный рудник», «Учалинский подземный рудник», «Узельгинский подземный рудник».
Личный вклад автора заключается в сборе и обобщении материалов,
постановке задач исследований, выполнении аналитических и натурных исследований, формировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.
Апробация работы.
Основные научные положения и практические выводы докладывались на совещании в Управлении горного надзора Госгортехнадзора России (г. Москва, 27.07.2001 г.), на совещаниях руководящих специалистов ФГУП «СПО Металлургбезопасность» (2001, 2003, 2006 гг.), на техсоветах горнорудных предприятий Урала (ОАО «ВГОК», ОАО «Учалинский ГОК», ОАО «Севуралбокситруда), международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности при угрозе чрезвычайных ситуаций (г. Екатеринбург, ноябрь 2007 г.),
II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (г. Екатеринбург, май 2007 г.), Втором Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии» (г. Екатеринбург, 2007 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в восьми печатных работах.
Работа выполнена в рамках исследований госбюджетной тематики Минобразования РФ (2006 – 2007 гг.) «Исследование систем управления общешахтным проветриванием рудников с аэродинамически активными обрушениями», ГР № 01200605311.
Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав,
заключения, изложенных на 143 страницах, содержит 14 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 65 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1.Состояние изученности вопроса и постановка задач исследований
Решению вопросов обеспечения управляемости подземной вентиляцией
посвящены исследования таких учёных, как Воронин В.Н., Дробот В.Я., Дымчук, Г.К., Каледина Н.О., Клебанов В.И., Ксенофонтова А.И., Луговский С.И., Мустель П.И., Пучков Л.А., Скочинский А.А., Ушаков К.З., Ярцев В.А. и др.
В работе рассмотрено состояние проветривания рудных шахт Урала за тридцатилетний период. Основой для оценки и анализа явились результаты более пятидесяти анемометрических съёмок. Вентиляция шахт в период 1970 1980 гг. характеризуется крайне низкими аэродинамическими и экономическими показателями.
Проведённые в 80 - е годы техническое перевооружение и реконструкция вентиляции привели к определённому улучшению. В вентиляционных расчётах были приняты фактические аэродинамические параметры сети, режимы работы устанавливаемых современных вентиляторов главного проветривания соответствовали характеристикам сети. В настоящее время отмечается стопроцентная и выше обеспеченность воздухом, достаточно высокий КПД вентиляторов,
небольшой перерасход электроэнергии.
Однако ряд недостатков, которые отмечены для периода 1970 1980 гг.,
остались и в настоящее время:
- обеспеченность воздухом непосредственно горных работ не превышает 80 %;
- внутришахтные утечки достигают 30 35 %;
- коэффициент использования воздуха на большинстве шахт составляет 0,6 0,8;
- система регулирования воздухораспределением малоэффективна и зачастую не обеспечивает подачу в забои требуемого количества воздуха;
- управление вентиляцией зависит от действия внутришахтных локальных и сложных естественных тяг.
Одной из главных причин отмеченных недостатков является наличие не
учтённых в проектах или частично учтённых при реконструкции вентиляции образовавшихся в процессе отработки месторождений дополнительных вентиляционных связей подземных выработок с поверхностью через обрушения.
Трудность учёта обрушений как вентиляционных ветвей заключается в их специфических аэродинамических особенностях.
Несмотря на то что обрушения большей частью заполнены кусковым
материалом, объёмы фильтрующегося воздуха, оцениваемые в виде утечек или подсосов, достигают значительных величин, то есть они аэродинамически
активны. Эквивалентные отверстия обрушений соизмеримы с отверстием шахт. Аэродинамические сопротивления комплексов обрушений зачастую ниже
сопротивления воздухоотводящих из шахты путей, движение воздуха подчиняется в большей части закону сопротивления с промежуточными показателями. Движущиеся потоки неравномерно распределены по площади обрушений.
Одновременно в одной горизонтальной плоскости могут двигаться чистые и
загрязнённые объёмы, скорости движения исчисляются весьма малыми
величинами, что может привести к образованию застойных зон, а при фильтрации загрязнённого воздуха – аккумуляцию в них ядовитых газов. Связь через обрушение с поверхностью приводит к образованию дополнительных естественных тяг, величина и направление действия которых зависят от метеорологических условий на поверхности. Возникает сложное взаимодействие тяг между собой и вентиляторами главного проветривания, что может привести к дезорганизации проветривания отдельных участков и шахты в целом.
Для устранения недостатков использовались и используются ряд мероприятий по исключению обрушений из схем вентиляции, таких как применение
рациональных нагнетательного или комбинированного проветривания, изоляция обрушений перемычками, засыпкой и заиловкой воронок и провалов обрушений. Но, как показала практика, существенного улучшения проветривания в конечном итоге они не приносят.
Особая ситуация с труднопредсказуемой вентиляционной обстановкой
возникает при авариях, связанных с подземными пожарами. Пожары являются мощными источниками тепловых депрессий. Поэтому при пожарах взаимовлияние тяг через обрушения через стволы ещё более усложнит возможность управления.
Введение тяг как дополнительных побудителей движения воздуха в расчёты вентиляционных сетей даст возможность создания эффективной управляемой вентиляции при любом состоянии вентиляции, что и является основной целью исследований работы.
2.Оценка роли естественных тяг в организации и управлении проветриванием подземных работ
Теоретические исследования, выполненные отечественными и зарубежными учёными, показывают, что на величину естественной тяги основное влияние оказывают не только температура (плотность) воздуха и высота воздушного столба, но и такие факторы, как работа вентиляторов главного проветривания, сопротивление трения при движении воздуха, увеличение столба воздуха и т.д. Дополнительные факторы обычно увеличивают или уменьшают величину тяги.
Известны два метода расчёта естественной тяги – гидростатический и термодинамический.
Имеется ряд методик реализации методов для различных условий возникновения и действия естественных тяг. Используемые в практике инженерные зависимости в большей степени касаются несложных вентиляционных соединений при действии двух тяг. При появлении в шахтной сети дополнительных естественных тяг и их взаимодействии крайне усложняются расчётные вентиляционные проработки. В этих случаях предпочтителен гидростатический метод с достаточно точными аналитическими зависимостями.
Термодинамический метод более трудоёмок и требует большего количества дополнительных исходных данных.
При использовании обоих методов основным параметром, вводимым в расчёты, является температура. Температура воздуха в выработках зависит от многих факторов: температуры пород, влагосодержания насыщенного воздуха, теплоусвоения, теплоотдачи, геотермического градиента и т.д.
Большинство из этих факторов учитываются в методиках расчёта температур воздуха.
Для подтверждения достоверности используемых в вентиляционных расчётах аналитических зависимостей по определению температур выполнены расчёты и результаты сравнены с фактическими замерами температуры горизонтальной выработки в железнорудной шахте. Расчёты проводились по разным формулам и дали отклонения от замеренных температур от 3,4 до 14 %.
В реальных условиях зачастую возникают постоянно (сезонно) повторяющиеся ситуации взаимодействия многочисленных естественных тяг. Например, при вскрытии месторождения группой стволов в центре, наличии сбоек на горизонтах между стволами возникают локальные (контурные) тяги, обусловленные разными температурами в стволах. При определённых условиях естественные тяги могут вызвать изменение направления движения воздуха и даже «опрокидывание» струи в одном или нескольких стволах. Изменение направления движения воздуха на обратное в период нормальной работы шахты приводит к нарушениям всей аэродинамической обстановки в шахте. В холодный период года наблюдается быстрое обледенение устьев стволов, что нарушает работу подъёма. Подобная ситуация имела место на шахте «Магнетитовая». Связь горных работ с поверхностью осуществляется через четыре ствола. Дополнительно стволы связаны ещё с обрушением. Стволы и обрушения в нормальном режиме вентиляции находятся в зоне действия нагнетательного вентилятора и выдают шахтный воздух. При определённых условиях движение воздуха меняется на обратное.
Для получения достоверной картины распределения температур и точных величин естественных тяг выполнены тепловые съёмки для различных периодов года (ежемесячно с июля по декабрь). Замеренные температуры вводились в расчётные формулы естественных тяг, определялись их величины и взаимодействие между стволами и обрушением. Они же являлись условием определения направления движения воздуха в стволах (включая момент «опрокидывания») струи в одном или нескольких стволах.
В повседневной практике для контроля устойчивости движения воздуха в стволах использование расчётных величин естественных тяг как показателя «опрокидывания» затруднительно. Удобнее в этой ситуации оперировать температурами в околоствольных дворах эксплуатируемых горизонтов или температурами потоков, исходящих из стволов. Для стволов шахты предвестником «опрокидывания» в зимний период (декабрь) является температура в руддворе нижнего горизонта ствола, где произойдёт изменение движения в первую очередь. Для условий шахты она составляет 8,28,5 оС. В устье этого же ствола температура исходящего потока 0,5 оС. Критические температурные условия являются основанием для подачи к стволам большого количества шахтного воздуха и предупреждения этого негативного явления.
3.Исследование теплового режима в шахте при подземных пожарах
К основным причинам подземных пожаров следует отнести большую насыщенность горных выработок горючими материалами, несоблюдение правил безопасности ведения сварочных и буровзрывных работ, эксплуатации электрооборудования, неудовлетворительную противопожарную защиту выработок и камер, организационную неподготовленность части рудников к ликвидации аварий такого рода.
Сложность борьбы с пожарами заключается в том, что каждому из них свойственны те или иные специфические особенности, зависящие от местных условий его возникновения и развития.
Высокая температура в очаге пожара приводит к нагреву воздуха и, как следствие, к появлению естественных тяг с большими значениями. Они, в свою очередь, изменяют количество движущихся потоков воздуха, что может вызвать нарушение вентиляции.
Величины естественных тяг не будут постоянными. В каждом отдельном случае для установления заданного вентиляционного режима требуется выполнение расчетов перераспределения воздуха под действием возникшей естественной тяги.
Естественная тяга будет зависеть от температуры движущегося газовоздушного потока и изменения её по мере удаления от очага пожара.
Имеющиеся в настоящее время методики определения температуры в запожаренном объёме в большей степени базируются на практических и экспериментальных данных и позволяют получить точные результаты для каких-то конкретных условий.
Для любых ситуаций может быть принята модель распределения температуры после пожара по времени и длине выработки при использовании одномерного процесса диффузии тепла в движущемся потоке с заданными постоянными граничными условиями и с учётом потерь на теплообмен со стенками выработки (рис. 1).
Рис. 1. Расчётная модель распространения температуры в шахте:
- температура стенок выработок; Т – температура в очаге пожара; Tатм – температура воздуха на поверхности; L1 = l1 + l2 – длины выработок.
Распределение температуры 
после пожара по времени и длине выработки описывается одномерным уравнением процесса теплопереноса в движущемся потоке с учетом потерь на теплообмен со стенками шахты:
, 
, 
, (1)
где 
- коэффициент температуропроводности; 
- коэффициент теплопроводности среды (в данном случае воздуха шахты); с, 
- удельная теплоемкость и плотность массы воздуха; V - скорость вентиляционного потока; 
- коэффициент проницаемости тепла через стенки выработки, 
; 
- коэффициент теплообмена между потоком среды и окружающими стенками; 
- периметр поперечного сечения выработки; 
- площадь поперечного сечения выработки.
Начальные и краевые условия процесса распределения температуры по длине шахты, описываемого уравнением (1), выражаются следующим образом. В точке возникновения пожара при 
температура среды равна температуре пожара: 
. На выходе из шахты при 
поддерживается температура, равная атмосферной: 
. В начальный момент времени при 
температура в шахте постоянна по всей ее длине: 
.
Решение краевой задачи представляется в виде суммы функций, описывающих стационарный режим распределения температуры по длине шахты и временные отклонения от него:
= 
+ 
+
, (2)
где 
,
, 
, константы 
и 
удовлетворяют системе уравнений:
, 
,
а величины 
являются коэффициентами разложения функции начального условия в ряд Фурье по системе функций 
, 
на отрезке 
:
= 
, 
.
Следует отметить, что программная реализация точной модели распространения температуры в горизонтальных выработках после возникновения пожара весьма затруднительна и применение ее при оперативном управлении средствами по ликвидации пожара затруднительно. Вместе с тем достаточно точные оценки распространения температуры могут быть получены при рассмотрении установившихся режимов.
Если в исходной модели пренебречь диффузионной составляющей переноса температуры по сравнению с переносом тепла вместе с вентиляционным потоком, то установившийся режим распределения температуры после пожара по длине выработки описывается уравнением
, (3)
где параметры V, 
, 
имеют тот же смысл, что и в исходной модели.
В результате решения уравнения, описывающего стационарный режим распределения температуры (3), получена достаточно простая формула для расчета температуры в горизонтальной выработке после возникновения пожара:
, 
, (4)
где x - расстояние от первоначальной точки возникновения очага пожара; 
- скорость перемещения фронта пожара; 
- время пожара.
На рис. 2 показаны результаты расчетов распределения температуры по длине выработки в зависимости от скорости вентиляционного потока. Принято: с = 0,24 ккал/кг°С; 
= 1,22 кг/м3; Тп = 1000 °С; Тст = 20 °С, р = 10 м;
S = 10 м2;
, где V- скорость вентиляционного потока, м/с; 
- скорость перемещения фронта пожара, м/ч.
Методика расчета стационарного распределения температуры при возникновении эндогенного пожара в обрушении основывается на уравнении теплового баланса. В стационарном режиме поступление элементарного количества тепла из очага пожара в некоторый объём обрушенной среды равно потере тепла в окружающее пространство через ее внешнюю поверхность. Поскольку при потере тепла происходит уменьшение температуры, тепловой баланс запишем в виде:
= -
, (5)
где 
- приведенный радиус шарообразного очага пожара; Т - температура среды на границе обрушения; 
- радиус шара, эквивалентного объёму обрушения; 
- температура стенок породы и воздуха в шахте до пожара; с , 
- удельная теплоемкость и плотность обрушенной породы; 
- коэффициент теплоотдачи среды.
Интегрирование дифференциального уравнения теплового баланса проводится с краевым условием на границе пожара: при 
температура Т равна заданной температуре пожара 
. В результате получена формула для упрощенного расчета температуры на границе условного шарового объёма обрушения после возникновения пожара в центре обрушения:
. (6)
Формулы (4) и (6) являются основополагающим параметром естественных тяг.
4.Разработка программного комплекса плана ликвидации аварий
Безопасность функционирования горного предприятия во многом определяется эффективностью противоаварийной системы защиты подземных работ.
Система слагается из многих факторов. Одним из них является надёжное проветривание, возможность регулирования и управления вентиляционными потоками в условиях аварий (в первую очередь, при подземных пожарах).
Основным документом системы, в котором присутствуют практически все элементы обеспечения безопасности, является ПЛА.
В ПЛА особо следует выделить необходимость проработки оперативной части, в позициях которых отражается вентиляционный режим.
Основой этих позиций являются результаты воздушно-депрессионных съемок (ВДС).
Использование результатов съемок дает возможность рассмотрения большого количества аварийных режимов вентиляции.
Очевидно, задача управления вентиляцией в аварийных режимах усложняется при появлении в системе вентиляции дополнительных побудителей движения воздуха в виде естественных тяг, особенно при подземных пожарах.
Здесь важно закладывать в расчеты вентиляционных сетей обоснованные и достоверные данные об аэродинамических параметрах этих побудителей.
В настоящее время решение задач воздухораспределения практически невозможно без использования специализированного программного обеспечения для ЭВМ. Решение задач воздухораспределения обычно базируется на первоначально вложенном в алгоритм стационарном воздухораспределении (по результатам ВДС) с использованием программ моделирования сетей.
Задачи воздухораспределения являются только частью оперативной составляющей ПЛА.
В то же время современная организационно-вычислительная техника позволяет в полном объеме компьютеризировать весь ПЛА.
Наличие компьютерной разработки ПЛА и ее использование при аварии позволит повысить оперативность решения большинства вопросов, связанных с ликвидацией аварий на рудных шахтах.
В работе выполнен и успешно реализуется на практике программный комплекс ПЛА, включающий в себя три самостоятельных программных модуля:
- «План ликвидации аварий»;
- «Фиксирование всех мероприятий и команд на командном пункте ликвидации аварии»;
- «Вентиляционная модель шахты с программой возможного оперативного расчета воздухораспределения при изменении условий проветривания для нормального и аварийных режимов.
Модуль «План ликвидации аварий» включает в себя «бумажную» форму ПЛА со всеми позициями аварий, планом мероприятий по их ликвидации, пути и время выхода людей из шахты, маршруты и задания горноспасателям. Реализация модуля производится с помощью программы «PLA 2.1». Алгоритм реализации представлен на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм реализации программного модуля «План ликвидации аварий»
Программный модуль «Фиксирование мероприятий по ликвидации аварий состоит из текстового редактора и программы записи звука (Sound PLA – цифровой диктофон) с помощью звуковой карты компьютера, с внесением данных в журнал записи команд. Алгоритм реализации этого модуля показан на рис. 4.
Рис. 4. Алгоритм реализации программного модуля ПЛА
«Фиксирование мероприятий по ликвидации аварии»
Моделирование процессов воздухораспределения в электронной разработке ПЛА выполняется в рамках модуля «Вентиляционная модель». Расчёты основываются на модели вентиляционной системы. Программа реализации модуля включает в себя создание расчётной схемы, сортировку аэродинамических сопротивлений ветвей схемы, построение независимых контуров, определение искомого потокораспределения, проверку полученных решений. Модуль реализуется с помощью программы «Vent 2». Алгоритм программы модуля показан на рис. 5.
Рис. 5. Алгоритм реализации программного модуля
«Вентиляционная модель»
Методика расчёта естественной тяги при подземном пожаре и воздухораспределении в сети выработок заключается в следующем:
- определяется тепловая нагрузка от пожара 
м3 /мин
где Q – расход воздуха в выработке с пожаром, м3 /с; q – количество горючих материалов на 1 м выработки, м3;
- в зависимости от тепловой нагрузки находится температура в очаге горения:
, 0 С
- рассчитывается скорость распространения пожара, м/ч;
- определяется температура воздуха на любом удалении от очага пожара формула (4). Для расчётной схемы вентиляции температура определяется в узлах на концах выработки (в формуле 4 значение «х»).
Для расчётов естественной тяги принимается средняя температура ветви (среднеарифметическая величина).
Для учёта высоты столба воздуха с поверхности до геодезической отметки ветви определяется приведённое давление в ветви.
По средней температуре и приведённому давлению определяется тепловая депрессия как дополнительный побудитель движения воздуха.
Заключение
В диссертации дано решение актуальной научно-практической задачи - совершенствование систем управления проветриванием рудных шахт на основе учёта распределения температур и появляющихся естественных тяг при подземных пожарах, имеющее существенное значение для повышения эффективности работ по ликвидации аварий.
Основные результаты диссертации состоят в следующем.
- Дана оценка состояния вентиляции рудных шахт. Анализ результатов многолетних натурных наблюдений позволяет констатировать незначительное улучшение современного общешахтного проветривания, по сравнению с периодом 70 - х годов прошлого века.
Остаётся недостаточная обеспеченность горных работ свежим воздухом, велики внешние и внутришахтные утечки, низок коэффициент полезного действия вентиляторов главного проветривания на 1520 % ниже проектных и т.д. - Выполнен анализ разработанных к настоящему времени способов и средств по исключению дополнительных связей из системы вентиляции. В полной мере их исключение за счёт изоляции вентиляционными перемычками, засыпкой и заиловкой провалов и воронок, применением наиболее эффективного комбинированного общешахтного проветривания невозможно. Они сохранят свою аэродинамическую активность до глубины отработки месторождений 15002000 м.
- Установлено, что для эффективной и управляемой вентиляции наличие движения воздуха по дополнительным путям должно учитываться в вентиляционных расчётах, как при нормальных условиях регулирования распределения воздуха, так и при аварийных режимах. Особое внимание должно уделяться локальным естественным тягам и их взаимодействию с работой главных вентиляторных установок. В частности, при авариях, связанных с подземными пожарами, возникающие достаточно большой величины тепловые депрессии (тяги) способны привести к полной дезорганизации вентиляции.
- Установлено, что в планах ликвидации аварий (ПЛА) учёт постоянно действующих (общешахтных и локальных) и вновь возникающих при пожарах естественных тяг производится для определённых стационарных периодов. Изменения ситуации в вентиляционной системе шахты в процессе ликвидации аварии должны прослеживаться в любой момент времени. Поэтому ПЛА должен содержать модель вентиляционной системы, способной обеспечить с помощью современного технического оснащения (ЭВМ) расчёты воздухораспределения в шахте для любого этапа аварии.
- Выполнен анализ существующих методов определения величин естественных тяг. Показана простота и рациональность методов на основе законов гидростатики.
- Выполнена оценка достоверности существующих методик расчёта температур в подземных выработках (горизонтальных, наклонных, вертикальных) при нормальных режимах вентиляции. Для установления точности и достоверности используемых методик проведено сравнение расчётных величин температур с фактическими данными на реальной шахте. Фактические данные получены по результатам тепловой съёмки. Отклонения расчётных величин от фактических по разным методикам находятся в интервалах допустимых ошибок.
- Исследовано сложное взаимодействие локальных естественных тяг на примере опрокидывания воздушных потоков в группе стволов шахты «Магнититовая» в осеннее - зимний период при нормальном функционировании общешахтной вентиляции. Условия опрокидывания определяются температурами воздуха в стволах и обрушении. Изменение температур, а следовательно, величин и направлений действия естественных тяг связано с метеорологическими параметрами поверхностной атмосферы.
- Рассмотрены факторы, способствующие возгоранию и развитию подземных пожаров. Дана характеристика возникающих локальных естественных тяг в районе пожаров.
- Предложена математическая модель распределения тепла в выработке по длине и во времени. Разработана методика определения температуры в выработках или в обрушении на любом удалении от очага пожара. Расчётные величины температур позволяют определить значения естественных тяг и конкретизировать границы работ горноспасателей при ликвидации пожара.
- Обоснована рациональность и эффективность использования при возникающих авариях программного комплекса планов ликвидации аварий. Программный комплекс ПЛА включает в себя три модуля:
- «Плана ликвидации аварий»;
- «Фиксирование мероприятий ПЛА»;
- «Вентиляционная модель».
- Разработан программный комплекс расчёта воздухораспределения в шахтах, включающий в себя создание вентиляционной модели
с дополнительными побудителями (естественными тягами) движения воздуха.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- статьи в ведущем рецензируемом научном журнале, определённом ВАК:
1. Гульпа В.К., Коренной К.Н., Степанов Б.А. Горноспасатели Урала на страже предприятий горно-металлургического комплекса // Безопасность труда в промышленности. – 2007. - №7. – С. 77;
2. Гульпа В.К., Коренной К.Н., Подвысоцкий К.С., Минцев А.И. Опыт внедрения на горнорудных предприятиях электронной версии плана ликвидации аварий // Безопасность труда в промышленности. - 2008. - №1.- С. – 29;
- статьи, опубликованные в других изданиях:
3. Казаков Ю.М., Коренной К.Н., Токмаков В.В., Ермолаев А.И. Методика определения величины локальной тепловой депрессии при экзогенном пожаре в шахте // IV Международный научно – практический форум. Материалы научно-практической конференции «Обеспечение безопасности при угрозе чрезвычайных ситуаций», г. Екатеринбург, 13 – 14 ноября 2007 г. – Екатеринбург: Изд-во АНБОП Уральский филиал, 2007.- С. 35.
4. Гребёнкин С.М., Токмаков В.В., Коренной К.Н. Математическое моделирование шахтных вентиляционных сетей при создании плана ликвидации аварий подземных сооружений в электронной версии // Труды II Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», г. Екатеринбург, 22 – 24 мая 2007 г. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. – С. 156.
5. Гульпа В.К., Коренной К.Н., Минцев А.И. Математическое моделирование шахтных вентиляционных сетей при составлении ПЛА горнодобывающих предприятий // Горное дело. Оборудование. Технологии: труды II Уральского горнопромышленного форума, г. Екатеринбург, 9 – 12 октября 2007 г. - Екатеринбург: Издательский Дом «Филантроп», 2007.- С. 120.
6. Коренной К.Н., Мокрецов Г.М., Коренной Н.Н., Панов И.С., Юдин С.И., Токмаков В.В. Когда воздух расходуется неэффективно // журнал Технадзор. – 2007. - №10. – С. 66.
7. Коренной К.Н., Коренной Н.Н. Контроль состояния проветривания шахт и рудников. Обзор проветривания рудников Урала // Горное дело. Оборудование. Технологии: труды II Уральского горнопромышленного форума, г. Екатеринбург, 9 – 12 октября 2007 г. - Екатеринбург: Издательский Дом «Филантроп», 2007.- С. 119.
8. Подвысоцкий К.С., Коренной К.Н. Роль военизированных горноспасательных частей в обеспечении безопасных условий труда и техники безопасности на горнорудных предприятиях // Горное дело. Оборудование. Технологии: труды II Уральского горнопромышленного форума, г. Екатеринбург, 9 – 12 октября 2007 г. - Екатеринбург: Издательский Дом «Филантроп», 2007.- С. 119.
Подписано в печать 11.11.2009 г. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печ.л.1,0.
Тираж 100 экз. Заказ №
Отпечатано с оригинал - макета в лаборатории множительной техники изд-ва ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.
