Системное проектирование вентиляции горных предприятий

© С.С. Кобылкин, 2015

УДК 622.42 С.С. Кобылкин

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ*

Системное проектирование вентиляции горных предприятий содержит технические решения по обеспечению безопасности ведения горных работ, выполнению санитарных норм и экономичному проветриванию с учетом взаимного влияния метеорологических, горно-геологических, технологических и физико-химических процессов на рудничную атмосферу. В статье рассказывается о принципе системного проектирования вентиляции горных предприятий, о результатах полученных с применением системного проектирования вентиляции и о дальнейших направлениях работы.

Ключевые слова: вентиляция, системное проектирование, горное предприятие.

Под системным проектированием вентиляции горных предприятий подразумевается раздел проекта горного предприятия, содержащий технические решения по обеспечению безопасности ведения горных работ, выполнению санитарных норм и экономичному проветриванию с учетом взаимного влияния метеорологических, горно-геологических, технологических и физико-химических процессов на рудничную атмосферу.

Для решения задач проветривания горных предприятий на кафедре «Аэрология, технологическая безопасность и горноспасательное дело», Горного института разрабатывается новый методологический подход, основанный на системном проектировании. В основе которого лежит впервые предложенный в 2011 году [1], способ проектирования вентиляции горных предприятий с использованием объемного моделирования шахт.

Данный способ активно используется для проведения научно-исследовательских работ в области аэрогазодинамики и термодинамики. Он позволяет с высокой точностью определять концентрации вредных газов в объеме горных выработок и в

Работа выполнена в рамках государственного контракта № 2014/97.

выработанном пространстве [2], температуру [3, 4], как воздуха, так и вмещающих пород, а также аэрогазодинамику. Сегодня данный способ применяется для расчета вентиляции горного предприятия (шахт и рудников) не только для отдельных элементов (участка, выработки), а для всего объекта с учетом выработанных пространств (рис. 1). Следует отметить сложность таких расчетов, связанную с необходимостью иметь высокопроизводительные компьютеры и с большим количеством затрачиваемого времени на проведение таких расчетов. Однако, результат таких расчетов позволяет подобрать оптимальные значения всех технологических параметров, что позволяет значительно снизить затраты на проветривания, в разы повысить производительность добычных и проходческих участков и повысить безопасность ведения горных работ по всем аэрологическим параметрам.

На угольных шахтах применяются различные способы управления газовыделением, одновременно с работой нескольких вентиляторов главного проветривания, используют дегазацию выработанного пространства и газоотсасывающие установки. Все эти виды источников тяги работают на одну шахтную

Pressure Contour 1 ц 8207.692

Я 7350.278

6492.863

5635.448

4778 033

3920.618

3063,203

2205.789

1348.374

_ 490.959

* -366.456 [Pa]

Рис. 1. Пример результатов объемного моделирования шахты-лавы с учетом выработанного пространства

вентиляционную сеть, при этом расчеты их совместной работы не производятся. Ярким примером служит шахта «Осин-никовская» — одно из старейших угольных предприятий области, основана в 1950 году. Шахтное поле филиала шахты «Осинниковская» объединяет поля шахт «Высокая», «Тайжи-на», «Кузбасская», «Капитальная1-2» связанные одной вентиляционной сетью. Шахта «Тайжина», созданная на горном отводе ликвидируемой шахты «Высокая», была закрыта в 2004г., после взрыва газовоздушной смеси, при котором погибли 41 горнорабочий, а четверо получили тяжелые травмы. Уже только по результатам этой аварии можно судить о несовершенстве схемы проветривания, и методов борьбы с газовыделением. Основными причинами взрыва были: неустойчивость проветривания, неисправность газодренажной сети, взрывы в выработанном пространстве, неисправность работы ВМП. На шахте применяют одновременно три вентилятора главного проветривания, две газоотсасывающие установки и дегазацию, при этом совместный расчет не производился, фактически проветривание выемочного участка осуществляется за счет газоотсасывающей установки, в таких случаях снижается эффективность как дегазации [5, 6], так и вентиляции.

При системном проектировании вентиляции угольных шахи и рудников решаются задачи учета совместной работы вентиляторов главного проветривания, дегазации выработанного пространства и газоотсасывающих установок. Это также является одной из основных задач системного проектирования вентиляции. Традиционными способами провести расчет совместной работы всех установок невозможно, что, например, в первую очередь связано с отсутствием данных по сопротивлениям выработанного пространства действующих шахт.

Важной задачей при системном проектировании вентиляции является учет топологии шахтной вентиляционной сети, расчеты местных сопротивлений и утечек воздуха. Из имеющихся в справочниках эмпирических коэффициентов не всегда возможно подобрать нужные для существующих горных предприятий, так как изменились условия ведения горных работ, используется совсем другое по техническим характеристикам оборудование. При использовании объем-

ного моделирования при расчете уже не требуется вводить коэффициенты, объемные модели в реальном масштабе полностью учитывают все виды местных, лобовых сопротивлений и топологию сети, что продемонстрированно на рис. 2.

Рис. 2. Распределение давления на участках местных сопротивлений

Также важной задачей при системном проектировании вентиляции горных предприятий является учет физико-химических факторов, таких как температура вмещающих пород, постоянно изменяющийся состав рудничной атмосферы (например, при непрерывном газовыдлении, при взрывных работах или при использовании машин с двигателями внутреннего сгорания), влажность и т.п. Эти все факторы в значительной степени влияют на проветривание, и при этом только объемное моделирование позволяет полностью учесть все протекающие явления. Так при проветривании стволов большой протяженности распределение температуры воздуха и вмещающих пород является определяющим для учета естественной тяги, при этом распределение температур вмещающих пород совсем неравномерно (рис. 3) и зависит от схемы проветривания, места расположения вентиляционного трубопровода и параметров воздуха поступающего к забою.

Использование дополнительных технических устройств для увеличения интенсивности проветривания (установка ВМП),

также можно исследовать в рамках уже единой мульти-сплитсистемы (рис. 3 справа), что дает возможность уже на стадии проектирования определить все необходимые параметры (например, производительность, депрессию, место установки и т.п.).

При этом на сегодняшний день отсутствует единая теоретическая база, которая должна лечь в основу всех расчетов по системному проектированию вентиляции горных предприятий. Также для получения правильных результатов необходимо точно задавать начальные и граничные условия, что требует полного представления всех протекающих процессов. Сегодня при обследовании и реконструкции вентиляции горных предприятий наиболее оптимальным является использование процесса верификации разрабатываемых моделей с работающими элементами горных предприятий (например, выемочными или проходческими участками). После процесса верификации подбираются наиболее эффективные параметры проветривания как на весь период работы, так и на любой конкретный момент времени.

Рис. 3. Распределение температуры вмещающих пород на поверхности ствола (слева) и линии тока при проветривании с учетом уста новки ВМП

Безусловно данный способ системного проектирования вентиляции горных предприятий в будущем будет основным, он позволит снизить все возможные аэрологические риски [8, 9] и повысит как безопасность ведения горных работ, так и их эффективность.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Моделирование процессов вентиляции шахт для обеспечения метанобезопасности горных работ // Горный журнал №7. 2011. - 101-103 с.

2. Пучков Л.А., Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Аэродинамический метод предупреждения эндогенной пожароопасности выработанных пространств угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). № 12, 2012. - C. 307-311.

3. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Объемное моделирование как метод исследования и управления термо- и аэрогазодинамическими процессами на горных предприятиях // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка -2013», 2013. - C. 149-156.

4. Казаков Б.П., Левин Л.Ю., Зайцев A.B. Современные подходы к разработке способов управления тепловым режимом рудников при высокой температуре породного массива // Горный журнал №5. 2014, 22-25 с.

5. Малашкина B.A., Мамедова И.Х. Анализ методов оценки эффективности использования дегазационных установок угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень, отдельный выпуск №7 (тематический), «Аэрология, метан, безопасность», 2011.

6. Малашкина B.A. Особенности проектирования систем дегазации угольных шахт // Уголь, Москва, Минэнерго РФ, №1, 2009.

7. Кобылкин С.С. Требования к системному проектированию вентиляции шахт и рудников // Научно-технический и методический журнал Рациональное освоение недр - ISSN 2219-5963, № 2, 2013. - C. 56-59.

8. Баловцев С. В. Количественная оценка аэрологического риска на угольных шахтах и алгоритм принятия управленческих решений // Уголь. 2011. № 5. - 107 с.

9. Скопинцева О.В., Баловцев С.В. Интегральная оценка аэрологического риска аварий для выемочных участков угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 4, 2013. С. 193-195. ШИВ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Кобылкин Сергей Сергеевич - кандидат технических наук, горный инженер, доцент, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», sergev@kobylkin.ru.

UDC 622.42 SYSTEMS DESIGNING OF VENTILATION OF MINE

Kobylkin S.S., Mining engineer, PhD (D.eng), Associate Professor of the Department «Aerology, mine safety and rescue work,» Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia, sergey@kobylkin.ru.

System design of the ventilation of mining enterprises contains technical solutions to ensure the safety of mining operations, the implementation of sanitary norms and economical ventilate considering the mutual influence of meteorological, geological, technological and physical-chemical processes in the mine atmosphere. This article describes the principles of system design ventilation mining, on the results obtained with the ventilation system design and the way forward.

Key words: ventilation, systems designing, mine.

REFERENCES

1. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Modelirovanie processov ventiljacii shaht dlja obe-spechenija metanobezopasnosti gornyh rabot (Modeling of ventilation of mines to ensure MetroEthernet mining) // Gornyj zhurnal, no.7, Moscow, 2011, pp. 101-103.

2. Puchkov L.A., Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Ajerodinamicheskij metod pre-duprezhdenija jendogennoj pozharoopasnosti vyrabotannyh prostranstv ugol'nyh shaht (Aerodynamic method for preventing endogenous risk of fire worked-out areas of coal mines) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (GIAB), no 12, 2012, pp. 307-311.

3. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Ob'emnoe modelirovanie kak metod issle-dovanija i upravlenija termo- i ajerogazodinamicheskimi processami na gornyh pred-prijatijah (Volumetric modeling as a method of study and control thermal and aerogasdynamic processes at mining enterprises). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (GIAB). Trudy mezhdu-narodnogo nauchnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2013», 2013, pp. 149-156.

4. Kazakov B.P., Levin L.Ju., Zajcev A.V. Sovremennye podhody k razrabotke spo-sobov upravlenija teplovym rezhimom rudnikov pri vysokoj temperature porod-nogo massiva (Modern approaches to the development of ways to control thermal conditions of the mines at a high temperature of the rock mass). Gornyj zhurnal, no.5, 2014, pp. 22-25.

5. Malashkina V.A., Mamedova I.H. Analiz metodov ocenki jeffektivnosti is-pol'zovanija degazacionnyh ustanovok ugol'nyh shaht (Analysis of methods of assessing the efficiency of degasification plants coal mines). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', ot-del'nyj vypusk, No. 7 (tematicheskij), «Ajerologija, metan, bezopasnost'», 2011.

6. Malashkina V.A. Osobennosti proektirovanija sistem degazacii ugol'nyh shaht (Design features of the systems in underground coal mines). Ugol', no.1, 2009.

7. Kobylkin S.S. Trebovanija k sistemnomu proektirovaniju ventiljacii shaht i rudnikov (Requirements for the system design of ventilation of mines). Nauchno-tehnicheskij i metodicheskij zhurnal Racional'noe osvoenie nedr, no. 2, 2013, pp. 56-59.

8. Balovcev S.V. Kolichestvennaja ocenka ajerologicheskogo riska na ugol'nyh shahtah i algoritm prinjatija upravlencheskih reshenij (Quantitative assessment of aerological risk in coal mines and managerial decisions). Ugol', 2011, no. 5, 107 p.

9. Skopinceva O.V., Balovcev S.V. Integral'naja ocenka ajerologicheskogo riska avarij dlja vyemochnyh uchastkov ugol'nyh shaht (Integral assessment aerological risk of accidents for excavation sites of coal mines). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', no. 4, 2013, pp. 193-195.