Управление вентиляцией шахт и рудников

К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»

В

условиях повышения концентрации горных работ растет неравномерность выделения технологических вредностей в атмосферу рабочих пространств, что увеличивает вероятность загазований, число и длительность простоев очистных и подготовительных забоев. В результате предприятия несут значительные убытки из - за недоиспользования высокопроизводительного оборудования, значительного перерасхода электроэнергии на проветривание и ряда других причин. В этой связи разработка и внедрение экономичных и надежных систем автоматизированного управления проветриванием шахт и рудников становится одной из актуальных задач.

Неравномерность нагрузок мощных добычных и проходческих комплексов, переменные горнотехнические условия и ряд других причин увеличивают неравномерность выделения технологических вредностей (метана, продуктов сгорания ВВ, пыли и т.п.) в рабочую атмосферу. По указанной причине за последнее время значительно выросла неравномерность, например, метановыделения, обусловленная в том числе проявлениями суфляров, цикличностью посадки кровли (налегающего массива). На рудниках технологические и особенно массовые взрывы приводят к длительным простоям блоков, горизонтов или рудника в целом.

Характерный пример неравномерности метаносодержания на исходящей струе механизированной лавы 5а - 7 - 22 шахты «Распадская» приведен на рис. 1. Нетрудно видеть, что концентрация метана за сутки изменяется в 2,5 - 3,0 раза, а в разные периоды отработки в 4,0 - 4,5 раза.

Аналогично, например, по руднику «Абаканский», требуемое для разбавления и выноса технологических вредностей количество воздуха изменяется в течение недели в 1,5 - 2,0 раза (см. рис. 2) и обусловлено неравномерностью поступления продуктов сгорания ВВ, пылевыделения при бурении, погрузке и транспортировке руды и рядом других причин.

Фактором, определяющим требуемый диапазон изменения производительности главного вентилятора является (см. рис.2) выделение продуктов сгорания ВВ от технологических взрывов (340 м3/с), в рабочую смену - пылевыделение при бурении, погрузке и транспортировке руды (307 м3/с), а в промежуток между сменами и в выходные дни - выделение газовых вредностей из ранее отбитой руды (196 и 172 м3/с соответственно). Ежедневно в 7 часов утра на руднике «Абаканский» проводится технологический взрыв 0,5 - 1,0 т. ВВ. Несовершенство вентиляции приводит к тому, что рабочая смена начинается только в 9 часов, т. е. длительность непроизводственного простоя оборудования составляет 1,0- 1,5 часа.

Пример неравномерности метано-выделения в пределах продвигания очистного забоя из - за цикличности обрушения пород налегающей кровли, в зависимости от схемы проветривания выемочного участка показан на рис. 3, откуда видно, что текущее ме-тановыделение в пределах отработки лавы изменяется в 2,5 - 3,0 раза [1].

Указанные неравномерности выделения технологических вредностей диктует требуемый диапазон и темпы изменения производительности вентиляторов главного проветривания (ВГП) шахт и рудников. Существующее на практике помесячное или поквартальное изменение режимов вен-

тиляции приводит к значительному перерасходу тепловой и электрической энергии, простоям и к невозможности эффективного перераспределения воздушных потоков между потребителями (блоками, лавами, горизонтами и т.п.), а следовательно не обеспечивает требуемый уровень безопасности горных работ.

С конца 70-х годов в мире начали внедряться системы автоматизированного управления вентиляцией (ш. «Весола», Польша; рудник «Трепча», Югославия, шахты Германии и т.п.). В СССР был создан ряд подсистем диспетчерского контроля и управления проветриванием угольных шахт -«АТМОС» [2], опытный образец которой входил в состав АСУТП шахты № 8 «Великомостовская - Комсомольская» п/о «Укрзападуголь», шахты им. 50-летия Октябрьской революции п/о «Карагандауголь», а так же ряда других шахт. Указанные подсистемы не нашли дальнейшего распространения по ряду причин:

1 - отсутствие в СССР регулируемых на ходу ВГП потребовало применения регулируемого электропривода, имеющего низкие показатели экономичности и надежности [3], что привело к недопустимо низкой работоспособности АСУ проветриванием в целом;

2 - низкая концентрация горных работ, обусловившая большое число очистных и подготовительных забоев, что потребовало применения сложной системы контроля и управления воз-духораспределением, а так же усложнило математическое обеспечение и техническую реализацию;

3 - применение громоздкой, ненадежной вычислительной техники (АСВТ М6000, СМ и т.п.) еще более снизило общую надежность АСУ проветриванием;

4 - в АСУПШ использовались неэффективные алгоритмы и программы пропорционального управления воздухораспределением; и т.п.

В результате созданные системы оказались неработоспособными.

Повышение концентрации горных

рование вентиляционной струи при авариях и пожарах с максимально возможной производительностью обратного режима; возможность форсирования вентиляции; адаптивность параметров вентиляционного режима к изменению требуемого количества воздуха при развитии топологии вентиляционной сети и росте удельного метановыделения, изменении технологии ведения горных работ и т.п.

Указанные задачи решаются при-

Рис. 1. График метановыделения лавы 5А - 7 - 22 шахты «Распадская» а - ремонтно - добычная смена; б -добычная смена; 1, 2 - метаносодержание (СН4) на исходящей струе лавы в разные периоды ее отработки, 3 - возможный расход воздуха ^) при регулировании на ходу вентилятора поворотом лопаток рабочего колеса в соответствии с фактическим мета-новыделением, 4 - производительность нерегулируемого вентилятора QмAx, 5 - возможное суточное сокращение подачи воздуха

работ, создание и внедрение регулируемых на ходу ВГП [4, 5], распространение в практике проветривания шахт надежных систем автоматического газового контроля (в том числе зарубежных) и бурный рост использования вычислительной техники (особенно промышленных контроллеров) создали основу для внедрения на шахтах России современных эффективных автоматизированных систем управления проветриванием.

Из вышесказанного следует, что современные системы управления проветриванием шахт и рудников должна обеспечивать надежность и маневренность вентиляции, а именно: регулирование количества подаваемого воздуха в требуемом диапазоне; перераспределение воздушных потоков между горными выработками для устранения опасных скоплений вредностей; быстрое и надежное реверси-

менением реверсивных осевых вентиляторов со сменными и поворотными на ходу лопатками рабочего колеса, аэродинамические характеристики одного из которых показаны на рис. 4. Вентилятор для работы на сеть Аі или А2 может быть изготовлен с лопаточной системой рабочего колеса (РК) по аэродинамической схеме АМ - 15 или АМ - 17А. Регулирование производительности, например, по метановыде-лению (см. рис. 1), для характеристики сети А2, поворотом лопаток рабочего колеса от ©1 до ©2 вентилятора обеспечит изменение его производительности от Q1 до Q2 за время 120 -180 с. Адаптация таких вентиляторов к возросшей потребности в воздухе (см. рис. 4) или изменениям сопротивления вентиляционной сети (например от А2 до А3) возможна путем замены лопаток РК схемы АМ - 17А на лопатки по схеме АМ - 19А, при

4Í ^ 1 / \

"А \ І / \ \ \/ АМ- \ 15

а ^Jy^0.82} У^/о.82\ \ / / у0.75/ V\ А 2

/ YA \ ы ^ у\/ Ал \ ч ''“У7 °-7s \л / \ >

\ V \ \ V/ х АА 0.65/У Ja \ ' \ \ АМ - 1 7А

\ AÍ A. vV у V У^у^

. ~Т^ ч / ^ \ 0.75 Л У у \ °А х5 Аз

в -і \ ~А\ TF '

\ // '4^ ••' \ У, -А 0.65-'  0.6 / /А л 45°

z'1 / ' / \ " \ s-y \ АМ - ! 9 А.

/ 0=75° 20° __ -л" 25° \ 30° 35°

- - - "

50 100 150 200 250

О ,

500 550

О ,

V —

этом поворот лопаток на ходу РК в пределах ö = 150 - 450 может обеспечивать изменение производительности вентилятора в пределах 180 -410 м3/с за 120 - 180 с.

Выполнение требований по маневренности вентиляции невозможно без разработки и

внедрения АСУ проветриванием. Подобные АСУ, построенные по иерархическому принципу [6, 7] состоят из необходимого числа локальных систем управления воздухораспределе-нием нижнего уровня иерархии, АСУ главными вентиляторными установками (ГВУ) (второй уровень) и информационно - управляющей подсистемы высшего уровня (см. рис. 5).

В соответствии с описанной структурой, первый уровень представляется локальными системами автоматического управления блоков очистной выемки и подготовительных работ. АСУ данного уровня осуществляет перераспределение воздушных потоков между горными выработками путем воздействия на регуляторы расхода воздуха (РРВ), положение которых контролируется соответствующими датчиками, а так же проводит автоматический контроль концентрации метана и расхода воздуха на исходящих струях. Собранная информация поступает к диспетчеру управления проветриванием.

Возмущающее воздействие в локальной подсистеме в виде повышения метаносо держания ликвидируется (подавляется) на первом уровне самой локальной подсистемой путем плавкие. 2. График требуемого количества воздуха QтpЕБ (t) по руднику «Абаканский»; 1 - требуемый расход воздуха по фактическому выделению вредных примесей, 2 - максимальный расход С)воздуха при нерегулируемой вентиляции, 3

- возможная экономия

ного (для предотвращения «всплесков» метановыделения) открывания собственной вентиляционной двери. Локальные системы стабилизации ме-таносодержания на очистных и подготовительных участках (блоках или отдельных выработках) работают автономно по специальным алгоритмам, которые разрабатываются на основе информации об аэродинамических характеристиках участка как объекта управления и его газодинамических характеристиках (см. рис. 1 - 3).

Второй уровень иерархии представлен САУ главной вентиляторной установкой (ГВУ), которая осуществляет регулирование производительности ВГП на ходу поворотом лопаток рабочего колеса, управление возбуждением приводного синхронного двигателя, а так же автоматический контроль состояния ГВУ (температуры подшипников двигателя и вентилятора, вибрация вала и т.п.). При значительном метановыделении в выработках, когда возможности локальной

подсистемы воздухораспределения исчерпаны начинает работать САУ ГВУ, которая увеличивает количество подаваемого в шахту воздуха. Взаимодействие САУ ГВУ с диспетчером управления проветриванием осуществляется по радиоканалу.

Полная картина состояния проветривания шахты доступна на третьем уровне управления, который представлен несколькими подсистемами, взаимодействующими между собой и управляющими работой систем нижних уровней. На управляющую ЭВМ поступает информация о параметрах воздушных потоков в горных выработках от подсистемы управления воздухораспределением, данные о ме-таносодержании исходящих струй очистных и подготовительных выработок от подсистемы контроля мета-носодержания, а так же информация о параметрах работы ВГП по радиоканалу и данные о метановыделении из выработанного пространства, предос-

Рис. 35 .ГрФфгащшннвнвняя схема новынялмыяуврпвмнчиогоправет-ривав>ием)шяинвыщ есхемах про-ВВУри ванияя иеіеіі/і>-о.рчяіячусібаиовврот ВГОой- скемыюпрю^трзэшшда^ВГЩця-нешіиліани^кениеіивівйіїдухаїриветранваїнсяй ссти -очшганиа) авт«штйчяшяяяїуирйвв ленхнеГВУти,СО длуиробвнвфояаннрй обмыгомроВИЗиванирьерс инкршщВИм ИМПВием возяу^хаитё-йййытнойехшйзмы перераспределения воздуха; РРВ0, РРВП

- регулируемые двери, соответственно, очистных и подготовительных блоков; ПУ - преобразовательное устройство; ПРо, ПРп - датчик положения РРВ, соответственно, очистныгх и подготовительны« блоков; ^ Оп - датчики расхода воздуха, соответственно очистных и подготовительных блоков; СН4 - датчик ме-таноконтроля исходящих струй очистных и подготовительных блоков; СН4Г - датчик метаноконтроля системы газоот-вода; Ог - датчик расхода воздуха системы газоотвода

Рис. 6. Осциллограмма реверсирования вентилятора ВО - 21 ВК(н): 0 - угол установки лопаток рабочего колеса; ТРВ - время реверсирования вентилятора; ТР - время реверсирования расхода воздуха в сети; р - производительность вентилятора; рН - расход воздуха в нормальном режиме; р Р - расход воздуха в реверсивном режиме; р Р = 0,94 рн

тавляемые подсистемой обособленного газоотвода.

Снижение вероятности и длительности простоев при автоматизации управления проветриванием обеспечивается непрерывным измерением, передачей и обработкой результатов измерения метаносодержания во всех метаноопасных исходящих струях с помощью подсистемы контроля мета-носодержания, которая создается на базе применения средств метанокон-троля. Подсистема управления возду-хораспределением посредством устройства связи с объектом (УСО), содержащим барьер искрозащиты (БИЗ) управляет исполнительными механизмами перераспределения воздуха (ИМПВ), которые выполняются в виде управляемых вентиляционных дверей (например типа ИУ РРВ).

Важным звеном АСУ проветриванием шахт является подсистема авто-

Рис. 4. Аэродинамические характеристики вентилятора ВО - 30 ВК(н) со сменными и поворотными лопатками, выполненными по аэродинамическим схемам АМ - 15, АМ - 17А или АМ - 19А; где Аі, А2, Аз - возможные характеристики вентиляционной сети

матического управления ГВУ (см. следующий доклад ИГД СО РАН), которая должна выполнять перечисленные выше требования по маневренности вентиляции.

Реверсирование и регулирование (в т.ч. форсирование) вентиляционного режима осуществляется на ходу вентилятора разворотом лопаток рабочего колеса (РК) в пределах 15 - 135° и 15 -

45°, соответственно, при этом натурный эксперимент по реверсированию вентилятора ВО - 21ВК(Н) на стенде показал, что за время 40...70 с. производительность ВГП может меняться от 100 % в нормальном режиме до 94 % в реверсивном (см. рис. 6).

Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации систем управления вентиляцией и га1 юного котроля по-

1. Лаврик В.Г., Ногих С.Р., Лудзиш В.С., Радиковский М.И., Стекольщиков Г.Г. Исследование схем проветривания высокопроизводительных выемочных участков с использованием газоотсасывающих вентиляторов. «Метан угольных шахт: прогноз, управление, использование», препринт метанового центра, N° 2 (вып. 10), 1997, 14 - 17 с.

2. Лазукин В.Н., Крайнов Е.А., Егоров В.Г. Структура и основные принципы функционирования АСУПШ, ж. Уголь 1985, № 7, с 32 - 34.

3. Верейский В.А., Крайнов Е.А. Промышленные испытания регулируемого ЭП шахтного вентилятора. «Совершенствование автоматизации на угольных предприятиях», М., Недра 1983 г.

4. Попов Н.А., Петров Н.Н. Теория и результаты разработки реверсивных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса. Труды международной научно - практической кон-

казывает, что автоматизированное управление вентиляцией обеспечивает значительный экономический и социальный эффект за счет: 1 - сокращения простоев очистного и подготовительного оборудования из - за загазований; 2 - снижения расхода тепловой и электрической энергии; 3 - повышения безопасности подземных горных работ по фактору вентиляции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности», Кемерово, 1999 г., с. 122 -124.

5. Петров Н.Н., Попов Н.А., Батяев Е.А., Новиков ВА. Теория и проектирование реверсивных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса. ФТПРПИ, №5, 1999 г., с. 79 -91.

6. Петров Н.Н. Автоматизация проветривания шахт и разработка систем регулирования главных вентиляторов. ФТПРПИ, №4, 1987 г., с. 79-88.

7. Шишкин М.Ю., Зима ММ., Шорников Ю.В. Использование принципа локализации в системах автоматического управления проветриванием шахт. «Управление газодинамическими явлениями в шахтах», Новосибирск, 1986 г. с. 60 - 66.

:-•£ ✓ У

4^ у / / Петров Нестер Никитович —профессор, доктор технических наук, зав. лабораторией рудничной аэродинамики, Институт горного дела Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск. Зедгенизов Дмитрий Владиленович - мл. научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики, Институт горного дела Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Г-1 .

РУКОПИСИ, ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОМ ЦЕНТРЕ ГОРНЫХ НАУК

1. Пирогов Г.Г. Основные' математический положения сравнительной оце'нки модемных обогатительных комплексом - 4 с. (№ 379).

2. Пе'тросов А.А.. Кулечпова А.Ю. Инвестиционные' риски и методы их оце'нки - 9 с., (№ 380). '

3. Смирнов Д.К. Язык для реквизитной модели базы данных - 7 с.(№ 381).

4. Смирнов Д.К. Реквизитная модель представления баз данных и работа с ней - 4 с. (№ 382).

5. Козырев Е.Н., Погодин М.А., Шилкова О.С. Разработка технологии глубокой очистки стоков на мембранных фильтрах - 4 с. (№ 383).

6. Белова А.Г. Исследование инвестиционных возможностей по проекту комплексной переработки низкосортных бокситов Иксинского месторождения - 8 с. (№ 384).

7. Козырев Е.Н., Погодин М.А., Шилкова О.С. Разработка технологии извлечения оставшихся металлов из жидких отходов горного комплекса - 13 с. (№ 385).