Оптимизация параметров систем управления проветриванием рудных шахт в условиях аварийных ситуаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат технических наук Коренной, Константин Николаевич

• Коренной, Константин Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коренной, Константин Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Состояние вентиляции рудных шахт.

1.2 Влияние аэродинамически активных обрушений на управление общешахтной вентиляцией.'.'.

1.3 Задачи исследований.

1.4 Выводы.-.

2. ОЦЕНКА РОЛИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ТЯГ В ОРГАНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИИ ПРОВЕТРИВАНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ РАБОТ.

2.1 Методы расчёта естественной тяги.

2.2 Методика определения температуры в шахтных выработках.

2.3 Исследование опрокидывания подземных потоков в группе стволов шахты «Магнетитовая» под действием естественных тяг.

2.4 Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ШАХТЕ ПРИ ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРАХ.

3.1 Характеристика подземных пожаров.

3.2 Методика расчёта температуры в горных выработках при подземных пожарах.

3.3 Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПЛАНА ЛИКВИДАЦИИ

АВАРИЙ.

4.1. Характеристика структуры плана ликвидации аварий и составляющих программных модулей.

4.2 Моделирование процессов воздухораспределения в шахтной вентиляционной сети.

4.3 Реализация программы на компьютере.

4.4 Выводы. Ill

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров систем управления проветриванием рудных шахт в условиях аварийных ситуаций»

При подземной разработке месторождений всё большее значение приобретает задача создания в шахтах и рудниках нормальных атмосферных условий. От решения этой задачи зависит возможность сохранения здоровья рабочих и обеспечения необходимого роста производительности труда. Современное состояние шахтной аэрологии позволяет обоснованно решать преобладающее большинство задач практической вентиляции. Однако наряду со значительными успехами в решении ряда вопросов вентиляции на практике приходится сталкиваться с явно неудовлетворительным состоянием проветривания.

На протяжении сорока лет в структуре ВГСЧ Урала существует служба воздушно-депрессионных съёмок, проводящая обследование проветривания всех рудных шахт Урала. Результаты обследований дают основание утверждать, что существующая вентиляция зачастую не удовлетворяет предъявляемым требованиям. В связи с большими утечками обеспеченность очистных и подготовительных забоев потребным количеством воздуха недостаточна. Поэтому наблюдается увеличение продолжительности проветривания. При слабой принудительной вентиляции на общий режим проветривания существенное влияние оказывает естественная тяга. В ряде случаев она уменьшает количество проходящего воздуха, а иногда определяет направление его движения. При значительных колебаниях температуры воздуха на поверхности направление движения воздуха в части выработок меняется на обратное. Вентиляция соответствующих участков шахт оказывается неуправляемой.

Недостаточно интенсивное проветривание ряда участков, зависящее от температуры воздуха на поверхности, создаёт предпосылки для накопления вредных газов в рудничном воздухе со всеми вытекающими отсюда последствиями. Простои на время проветривания и неблагоприятные атмосферные условия отрицательным образом влияют на производительность труда рабочих и снижают производственную мощность шахт.

Особенно заметное влияние естественной тяги проявляется на шахтах при совмещённой системе отработки (открытым и подземным способом) месторождения и шахтах, имеющих связь горных работ с поверхностью через обрушения.

Обрушения являются весьма активными ветвями шахтной вентиляционной сети. Поэтому при проектировании вентиляционных систем и налаживании проветривания на шахтах их наличием пренебрегать нельзя.

Процессы, происходящие при проветривании подобных шахт с наличием внутришахтных естественных тяг, в достаточной мере изучены и освещены в научной литературе. Однако, в условиях чрезвычайных ситуаций, особенно связанных с эндогенными и экзогенными пожарами, когда дополнительно, кроме учтённой общешахтной естественной тяги, возникают локальные внут-ришахтные тепловые побудители движения воздуха, появляются проблемы с воздухораспределением в выработках, обеспечении безопасности горноспасательных работ, спасении людей и т.д. Вентиляция может стать неконтролируемой, трудно предсказуемой и даже опасной.

В настоящей работе в соответствии с необходимостью коренного улучшения и создания эффективной управляемой вентиляции при нормальных и чрезвычайных ситуациях рассматриваются следующие главные вопросы:

1.Влияние дополнительных побудителей движения воздуха, проявляющихся в виде естественных тяг через обрушения, а также возникающих при подземных пожарах на управление общешахтным проветриванием.

2. Методы моделирования вентиляционных сетей шахт с несколькими дополнительными побудителями движения воздуха.

3.Методы и способы расчёта вентиляционных систем шахт при возникновении пожаров.

Решение перечисленных вопросов позволит значительно облегчить выбор наиболее целесообразных путей моделирования вентиляционных систем при выработке оптимальных решений управления проветриванием в условиях чрезвычайных ситуаций, связанных с подземными пожарами.

Заключение диссертации по теме «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика», Коренной, Константин Николаевич

Основные результаты исследований, выводы и рекомендации работы заключены в следующем.

1. 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 15-К20% ниже проектных и т.д.

2. Одной из причин подобной ситуации является наличие в шахтах не в полной мере учтённых в проектах дополнительных связей горных работ с поверхностью через провалы, пустоты обрушения над отработанными частями месторождений. Их появление приводит к увеличению эквивалентного отверстия и снижению аэродинамического сопротивления шахт, что сказывается на аэродинамических параметрах работы главных вентиляторных установок, дополнительным трудностям воздухораспределения, снижению степени управляемости как при нормальном так и аварийном проветривании, возникновению многочисленных естественных тяг с их сложным взаимодействием и направленностью, возможному загрязнению ядовитыми газами от взрывных работ обрушений и выработанных пространств и пр.

3. При хорошей изученности аэродинамических параметров дополнительных вентиляционных связей через обрушения и провалы, заполненных кусковым материалом, учёт их как вентиляционных ветвей шахтной системы при организации управления проветриванием сложен и трудоёмок. Это объясняется тем, что отличительными от выработок специфическими особенностями. А именно: фильтрация воздуха по громадным площадям с различными скоростями, закон сопротивления движению воздуха отличается от квадратичного, на путь фильтрации оказывают влияние многочисленные естественные тяги, в одной горизонтальной плоскости могут двигаться чистые и загрязнённые объёмы воздуха, возникают благоприятные условия для образования застойных зон.

4. 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 до глубины отработки месторождений 1500-^-2000 м свою аэродинамическую активность.

5. 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 взаимодействия 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.

6. В планах ликвидации аварий (ПЛА) учёт постоянно действующих (общешахтным и локальных) и вновь возникающих при пожарах естественных тяг производится для определённых стационарных периодов. Изменение 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.

7. Выполнен анализ существующих методов определения величин естественных тяг. Показана простота и рациональность на основе законов гидростатики. Достоверность и точность методов зависит, в основном, от температуры и высоты столба воздуха.

8. 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 сравнения расчётных величин температур с фактическими данными на шахте «Естюнинская». Фактические данные получены по результатам тепловой съёмки. Отклонения расчётных величин от фактических по разным методикам находятся в интервалах допустимых ошибок для инженерных расчётов. Рассмотренные методики не могут быть использованы в условиях подземных пожаров.

9. Сложное взаимодействие локальных естественных тяг показано на примере опрокидывания воздушных потоков в группе стволов шахты «Магнетито-вая» 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.

Ю.Рассмотрены факторы, способствующие возгоранию и развитию подземных пожаров. Дана характеристика возникающих локальных естественных тяг в районе пожаров.

11. 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.

12. Обоснована рациональность и эффективность использования при возникающих авариях программного комплекса планов ликвидации аварий. Предложена структура электронной формы ПЛА, включающая в себя три модуля:

- «План ликвидации аварий»;

- «Фиксирование мероприятий ПЛА»;

- «Вентиляционная модель».

13. Разработан программный комплекс расчёта воздухораспределения в шахтах, включающий в себя создание вентиляционной модели с дополнительными побудителями (естественными тягами) движения воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная вентиляция рудных шахт позволяет обеспечивать требуемые санитарно - гигиенические условия труда в подземных выработках.

Однако, постоянно имеющее место усложнение горно - геологических и технико-технологических условий эксплуатации горных предприятий выдвигает новые проблемы. Ряд вопросов в общешахтном и местном проветривании связаны с трудностями воздухораспределения, доставки свежего воздуха к рабочим местам, учёта в вентиляционных системах дополнительных побудителей движения воздуха, снижения непроизводительных утечек и т.д. Эти вопросы, в конечном итоге, определяют степень эффективности управления проветриванием. Особые условия, которые могут привести к неконтролируемой и даже неуправляемой вентиляции, чаще всего связаны с подземными пожарами.

Данная работа посвящена совершенствованию способов и средств управления вентиляцией шахт при аварийных ситуациях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коренной, Константин Николаевич, 2009 год

1. Токмаков В.В., Бурмистренко В.А. и др. Разработка способов интенсификации проветривания рудных шахт с обрушениями: отчет / Свердловский горный ин-т; руководитель работы В.А. Ярцев. Свердловск, 1998.- 61 с. ГР№ 01960003691

2. Состояние проветривания рудных шахт Урала / К.Н.Коренной, Г.М. Мокрецов, Н.Н.Коренной и др. // Изв. вузов. Горный журнал. -2006. №4.

3. Лапшин А.Е. Исследование аэродинамических параметров обрушений и повышение эффективности проветривания рудников Кривбасса: дис.канд. техн. наук. Свердловск, 1976. -180 с.

4. Проветривание рудников с аэродинамическими активными обрушениями / В.А.Ярцев, В.В. Токмаков, В.А.Бурмистренко, В.В.Пойкин // Безопасность труда в промышленности. 1988. - №7. - С. 54-55.

5. Ярцев В.А., Токмаков В.В., Пойкин В.В. Интенсификация общешахтного проветривания после массовых взрывов // Безопасность труда в промышленности. 1983. - №3. - С. 41-42.

6. Пути сокращения простоев после массовых взрывов / В.В.Пойкин, В.А. Ярцев, А.Ф.Оконевский и др. // Горный журнал. 1983. - №4. - С. 55-57.

7. Токмаков В.В., Ладыничев Л.В. Исследование и разработка мероприятий по повышению эффективности проветривания шахт с обрушениями: отчет / Свердловский горный институт; руководитель работы В.А. Ярцев. Свердловск, 1983. - 82 с. ГР № 01827000747

8. Крохалев Б.Г., Гладков В.А. Опыт ликвидации аварий на горнодобывающих предприятиях. М.: Полимедиа, 2003. -311 с.

9. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. ПБ 03553-03.

10. Коэффициенты полезного действия главных вентиляторных установок Уральских рудников / В.А.Ярцев, А.Н.Корзон, Ю.А.Чудов, В.В.Токмаков // Сборник научных работ институтов охраны труда ВЦСПС. — Свердловск, 1968, вып.55.

11. Ковалёв В.И., Космин Е.Д. Разработка рекомендаций по улучшению проветривания шахт НТМК: отчёт / Свердловский горный институт, руководитель работы В.Я. Ярцев Свердловск, 1975. - 57 с. ГР № 71062649

12. Проветривание шахт СУБРа / В.А.Ярцев, В.В.Токмаков, В.Г.Сафронов, А.С.Корнилов // Горный журнал. -1977. №6.

13. Пойкин В.В., Ярцев В.А., Токмаков В.В. Интенсификация общешахтного проветривания после массовых взрывов // Безопасность труда в промышленности.-1983. №3. - С. 41-43.

14. Ярцев В.А. Проблемы проветривания рудных шахт с аэродинамически активными обрушениями: дис. . д-ра техн. наук. Свердловск, 1967. - 168 с.

15. Состояние и пути улучшения пылевого режима на рудниках Восточно-Казахстанского совнархоза / Л.С.Гребенщиков, С.Л.Иофин, В.П.Прокофьев и др. // Цветная металлургия. -1961. №12.

16. Прокофьев В.П., Лапин И.П. Основные пути улучшения проветривания рудников Казахстана // Научные труды Всесоюзного научно-исследовательского горно-металлургического института цветных металлов. Усть Каменогорск. - №6.

17. Прокофьев В.П., Пустовалова А.И. О применении нагнетательного способа проветривания на рудниках цветной металлургии // Безопасность труда в промышленности. 1962. - №9.

18. Луговский С.И., Дымчук Г.К., Короленко П.Н. Рациональные схемы проветривания очистных блоков при разработке мощных рудных залежей / Криворожский горнорудный институт // Сб. научных трудов. М.: Госгортех-издат, 1961. - Вып. 10.

19. Алёхичев С.П., Пучков Л.А. Аэродинамика зон обрушения и расчёт блоковых утечек воздуха / АН СССР. Л.: Наука, 1968.

20. Вассерман А.Д. О расчётах общего динамического сопротивления вентиляционных сетей и воздухораспределения в них при наличии зон обрушений

21. Проветривание карьеров и рудников с большими зонами обрушения: сб./АН СССР. М.; Л.: Наука, 1966.

22. Токмаков В.В. Выбор энергетически обоснованного способа проветривания шахт с аэродинамически активными обрушениями: дис. . канд. техн. наук. Свердловск, 1969.

23. Ладыничев Л.В., Шеляков А.П. и др. Исследование эффективности проветривания глубоких горизонтов Тайского подземного рудника: отчёт / Свердловский горный институт; руководитель работы В.А. Ярцев — Свердловск, 1985. 80 с. ГР № 01840015697

24. Агрикола Г. О горном деле и металлургии в двенадцати книгах. Книга пятая / АН СССР. М. 1962. - С. 118-119.

25. Ломоносов М.В. О вольном движении воздуха в рудниках // Труды по физике и химии 1738-1746. Том 1. -М.: АН СССР, 1950. С.315-333.

26. Воропаев А.Ф. Тепловая депрессия шахтной вентиляции. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950.

27. Борисов Д.Ф. Определение депрессии естественной тяги методом пересчёта // Записки Ленинградского горного инженера. Т. 14. Л., 1941. — С. 83 — 109.

28. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. — М.: Углетех-издат, 1959.-С. 332-345.

29. Комаров В.Б., Килькеев Ш.Х. Рудничная вентиляция. М.: Недра, 1969.-С. 175-189.

30. Мустель П.М. Рудничная аэрология. М.: Недра. - 1970. - С. 96-101.

31. Игнатенко К.П., Брайцев А.В., Эйнер Ф.Ф. Вентиляция, подземные пожары и горноспасательное дело. -М.: Недра, 1975. -С. 91-93.

32. Алёхичев С.П., Калабин Г.В. Естественная тяга и тепловой режим рудников.-М.: Недра, 1974.-С. 45-51.

33. Гращенков Н.Ф. Учёт естественной тяги при производстве депрессион-ных съёмок в шахтах с несколькими рабочими горизонтами // Труды КПТИ. -Караганда, 1960. Вып. 4. - С. 111-113.

34. Абрамов А.Ф. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра, 1972. - С. 240-246.

35. Сухан Л., Байер М. Термодинамика рудничной атмосферы. М., 1978. -С. 105-114.

36. Щербань А.Н., Кремнёв О.А., Журавленко З.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. М.: Недра, 1977.

37. Ярцев В.А. Общая конфигурация характеристик естественной тяги // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1975. - № 9.

38. Скочинский А.А., Огиевский В.М. Рудничные пожары. М.: Углетех-издат, 1954.

39. Быков Л.Н. Рудничные пожары. М.: Госгортехиздат, 1963. -158 с.

40. Аэрология горных предприятий: учебник для вузов / К.З.Ушаков и др.. -3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1987.- 421 с.

41. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело: учебник для вузов / К.З. Ушаков, Н.О. Каледина, Б.Ф. Кирин и др.; под ред. К.З Ушакова. М.: Изд. Академии горных наук, 1999. - 487с.

42. Борисов Д.В. Определение депрессии естественной тяги методом подсчёта // Записки Ленинградского горного института. Том 14. — 1941.

43. Осипов С.Н., Жадан В.М. Вентиляция шахт при подземных пожарах. М.: Недра, 1973.

44. Шевяков Л.Д. Вывод формулы распределения воздуха в горных выработках из условий наименьшей работы // Горный журнал. -1929. -№1.

45. Цой С., Рогов Е.Н. Основы теории вентиляционных сетей. Алма-Ата: Наука, 1965.

46. Рязанцев Г.К. Разработка единого метода расчета шахтных вентиляционных сетей на основе принципа минимума энергии: дис. . канд. техн. наук. Алма-Ата, 1967.

47. Цой С., Цхай С.М. Электронно-вычислительная техника в вентиляционной службе шахт. Алма-Ата: Наука, 1966.

48. Цой С., Рязанцев Г.К. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями. — М.: Наука, 1968.

49. Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. — М.: Сов. законодательство, 1932.

50. Лобачев В.Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей // Сан. техника. -1934. -№2. -С. 8-12.

51. Меренков А.П. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.

52. Круглов Ю.М. Моделирование систем оптимального управления воз-духораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников: дис. . канд. техн. наук: 25.00.20: защищена 04.02.06. -Пермь, 2006. -170 с.

53. Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. -М.: Недра, 1992.

54. 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.

55. Опыт внедрения на горнорудных предприятиях электронной версии плана ликвидации аварий / В.К.Гульпа, К.Н.Коренной, К.С.Подвысоцкий, А.И.Минцев // Безопасность труда в промышленности. 2008. - №1.- С. - 29

56. Когда воздух расходуется неэффективно / К.Н.Коренной, Г.М.Мокре-цов, Н.Н.Коренной, И.С.Панов, С.И.Юдин, В.В.Токмаков // Технадзор. 2007. -№Ю. -С. 66.