СПОСОБ МОНИТОРИНГА РАСХОДОВ ВОЗДУХА В СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING AIR CONSUMPTION IN NETWORK OF MINES AND SYSTEM THEREFOR

Изобретение относится к рудничной вентиляции и может быть использовано для разработки систем мониторинга вентиляции рудников и оперативного контроля проветривания подземных рабочих зон как в штатных, так и в аварийных режимах работы шахт и рудников.
Контроль вентиляции горных выработок является залогом обеспечения безопасных и комфортных условий труда в подземных рабочих зонах и всегда представлял одну из важнейших эксплуатационных задач, решаемых в ходе разработки месторождений полезных ископаемых. Как правило, все мероприятия по контролю проветривания горных выработок можно разделить на две большие группы - периодические и оперативные [2, 4].
К первой группе относятся ручные инструментальные измерения расхода воздуха, его микроклиматических параметров и концентраций горючих и ядовитых примесей. Данные мероприятия регламентируются нормативно-методическими документами [1, 2, 3]. Согласно п. 144 ПБ 03-553-03 специалисты службы вентиляции ежемесячно должны производить замеры количества воздуха, подаваемого в различные участки шахтного поля, отборы проб на определение качественного состава воздуха, производить сопоставление фактических и допустимых норм. Согласно п. 145 на всех шахтах не реже одного раза в три года должна производиться воздушно-депрессионная съемка. Однако с помощью данных мероприятий периодического контроля невозможно оперативно оценить изменения в проветривании рудника как и оценить качество проветривания рудника в целом по руднику. Движение воздуха по горным выработкам подвержено влиянию целого ряда факторов, таких как изменения аэродинамического сопротивления горных выработок (например, по причине складирования в них пустой породы), параметров вентиляционных сооружений (открытие или закрытие шлюзов, дверей и т.д.), суточным и сезонным колебаниям естественной тяги [2, 7].
Ко второй группе относятся существующие системы оперативного мониторинга параметров проветривания горных выработок - это автоматические системы раннего обнаружения пожаров (АСОП) и системы аэрогазодинамического контроля (АГК) на угольных шахтах. Данные технические решения взяты нами за прототип для предлагаемого способа мониторинга. Но данные системы позволяют в оперативном режиме контролировать параметры воздуха только в тех горных выработках, в которых установлены датчики. Системы горных выработок современных шахт и рудников являются очень сложными, поэтому установка датчиков в горных выработках даже всех направлений является очень трудозатратным и капиталоемким мероприятием. Кроме того, при выходе какого-либо датчика из строя происходит полная потеря контроля параметров проветривания в выработке, в которой он установлен. Как показывает практика анализа работоспособности систем АСОП, большая часть датчиков в процессе эксплуатации выходят из строя, и функциональность всей системы практически отсутствует. Прототипом для устройства взята система автоматического контроля состояния атмосферы и локализации взрывов и пожара в горных выработках, включающая устройство контроля параметров атмосферы, соединенное с датчиками фиксации концентраций составляющих метанопылегазовой смеси до концентрации нижнего предела взрываемости, а также устройство подавления и локализации взрывов и пожаров, которое выполнено в виде водяной завесы, подсоединенное к сети пожарного водоснабжения (пат. РФ №74962, МПК E215/02, опубл. 20.07.2008 г.). Системе-прототипу присущи все вышеперечисленные недостатки известных систем АСОП и АГК.
Задачей создания изобретения является повышение информативности и надежности определения расходов воздуха за счет интеграции оперативных измерений расходов воздуха в отдельных горных выработках с методом расчета воздухораспределения на модели вентиляционной сети.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, таких как способ мониторинга расходов воздуха в сети горных выработок, предусматривающий установку датчиков скорости движения воздуха в отдельных выработках рудника, данные, с которых в режиме реального времени передают на сервер, на котором установлена аэродинамическая модель вентиляционной сети рудника, содержащая топологию сети горных выработок, их аэродинамическое сопротивление и места размещения вентиляционных установок, при этом данные скорости движения воздуха в выработках передают с датчиков по каналам передачи данных через контроллер на автоматизированное рабочее место специалиста, где с помощью компьютерной программы (свидетельство РФ №2006612154. Название «АэроСеть», зарегист. 21.06.2006) производят расчет распределения измеренных расходов во всех ветвях вентиляционной сети, причем аэродинамическое сопротивление ветвей вентиляционной сети задают как по проектным данным, при потере данных от одного из датчиков - отсутствия фиксированного расхода, так и по результатам эксплуатационных измерений.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных во 2-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как система мониторинга расхода воздуха в сети горных выработок, содержит наземный пункт слежения и подземную часть, и отличительных существенных признаков, таких как наземный пункт слежения, включает автоматизированное рабочее место специалиста службы автоматизации связанное каналами передачи данных с контроллером, который, в свою очередь, связан каналами передачи данных с шахтными контроллерами подземной части системы, обрабатывающими показания датчиков скорости движения воздуха, установленных в отдельных выработках, при этом контроллер по каналам передачи данных через сервер хранения и обработки данных, содержащий вентиляционную сеть рудника и систему управления базой данных, связан каналами передачи данных с автоматизированным рабочим местом специалиста.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков как по способу, так и по устройству позволяет получить следующий технический результат - повышение информативности и надежности определения расходов воздуха в сети горных выработок.
Предлагаемое решение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена схема системы мониторинга расхода воздуха в горных выработках; на фиг. 2 - результаты мониторинга расходов воздуха по всем выработкам вентиляционной сети на основе показаний ограниченного количества датчиков.
Система мониторинга расхода воздуха в сети горных выработок (фиг. 1) содержит наземный пункт слежения и подземную часть. Наземный пункт слежения включает автоматизированное рабочее место специалиста службы автоматизации 1, связанное каналами передачи данных 2 с контроллером 3, который, в свою очередь, связан каналами передачи данных 4 с шахтными контроллерами 5 подземной части системы, обрабатывающими показания датчиков скорости движения воздуха 6, установленных в отдельных выработках. Контроллер 3 по каналам передачи данных 7 через сервер хранения и обработки данных 8, содержащий вентиляционную сеть рудника 9 и систему управления базой данных 10, связан каналами передачи данных 11 с автоматизированным рабочим местом специалиста 12.
Процесс мониторинга осуществляется следующим образом. Способ мониторинга расходов воздуха в сети горных выработок предусматривает установку датчиков скорости движения воздуха в отдельных выработках рудника, данные с которых в режиме реального времени передают на сервер, на котором установлена аэродинамическая модель вентиляционной сети рудника, содержащая топологию сети горных выработок, их аэродинамическое сопротивление и места размещения вентиляционных установок. Данные скорости движения воздуха в выработках передают с датчиков по каналам передачи данных через контроллер на автоматизированное рабочее место специалиста, где с помощью компьютерной программы (свидетельство РФ №2006612154. Название «АэроСеть», зарегист. 21.06.2006) производят расчет распределения измеренных расходов во всех ветвях вентиляционной сети. Аэродинамическое сопротивление ветвей вентиляционной сети задают как по проектным данным, при потере данных от одного из датчиков - отсутствия фиксированного расхода, так и по результатам эксплуатационных измерений.
Структурные элементы системы (фиг. 1) взаимодействуют следующим образом. Данные о скорости движения воздуха в выработках передаются с датчиков 6 по каналам передачи данных через контроллеры 5, 3 на автоматизированное рабочее место специалиста 1. Эти данные считываются в вентиляционную сеть, и производится расчет воздухораспределения во всех выработках. При этом имеется модель вентиляционной сети необходимой детальности, аэродинамические сопротивления ветвей которой могут быть заданы как по проектным данным, так и по результатам экспериментальных измерений. Алгоритм решения задачи производит расчет распределения измеренных расходов во всех ветвях модели вентиляционной сети.
Алгоритм решения задачи воздухораспределения, на основе которого функционирует разработанная система мониторинга, работает следующим образом. На первом этапе работы алгоритма осуществляется корректировка исходных данных по расходам на их соответствие первому закону Кирхгофа:
1.1. Из сети удаляются все выработки с известными расходами, а затем осуществляется поиск всех связных подграфов получившейся сети (подсетей).
1.2. Для каждой подсети определяется, граничат ли с ней узлы, соединенные с атмосферой (атмосферные узлы).
1.3. Для каждой подсети формируется список выработок, расходы на которых учитываются в балансе расходов по подсети. В этот список попадают все выработки с известным расходом, которые граничат с текущей подсетью одним узлом, а вторым узлом связаны с выработкой с неизвестным расходом из другой подсети. Кроме того, формально учитывается ситуация, когда две подсети соединены двумя последовательно идущими выработками с известными расходами, что можно без особого вреда запретить.
1.4. Происходит итерационная увязка балансов расходов на тех подсетях, которые не связаны напрямую с атмосферными узлами.
Представленный этап предварительной обработки некорректного набора исходных данных согласно представленному алгоритму имеет важное прикладное значение. В случае с системой мониторинга воздухораспределения в реальном времени это позволяет нивелировать показания одного или нескольких датчиков расхода воздуха, работающих с погрешностью или вышедших из строя.
На втором этапе работы алгоритма происходит расчет расходов во всех ветвях вентиляционной сети на основе известных фактических расходов, топологии сети и аэродинамических сопротивлений вентиляционной сети:
2.1. На первом этапе в систему уравнений подставляются известные расходы, таким образом, количество неизвестных в задаче снижается и возникает переопределение задачи.
2.2. На втором этапе снижается количество уравнений согласно следующему принципу последовательности. Первоначально исключаются все контурные уравнения, содержащие источники тяги, далее происходит исключение оставшихся контурных уравнений до тех пор, пока система уравнений не будет полностью определена.
2.3. Полученная система нелинейных алгебраических уравнений решается в два этапа следующим образом. На первом этапе подбирается набор расходов воздуха, удовлетворяющих первому закону Кирхгофа, для этого система уравнений первого типа дополняется линейно независимым базисом расходов, остальные расходы определяются при помощи метода Гаусса. На втором этапе, данный набор балансовых расходов используется в качестве начального приближения для итерационного алгоритма решения исходной системы нелинейных алгебраических уравнений методом Ньютона.
Пример мониторинга расходов воздуха по всем выработкам вентиляционной сети на основе показаний ограниченного количества датчиков приведен на фиг. 2.
Важным аспектом прикладного значения разработанной системы мониторинга является то, что система базируется на использовании аэродинамической модели вентиляционной сети рудника, которая позволяет дополнять показания датчиков расхода воздуха и даже прогнозировать показания тех датчиков, которые вышли из строя. Функциональные возможности разработанной системы мониторинга позволят вывести на качественно новый уровень мониторинг вентиляции горных выработок в штатных и аварийных режимах проветривания рудников.
Работающая таким образом система мониторинга имеет следующие преимущества:
- расходы воздуха определяются во всех ветвях вентиляционной сети шахты (рудника);
- при потере данных от одного из датчиков (отсутствии фиксированного расхода) алгоритм продолжает расчет на основе оставшихся данных, прогнозируя расход воздуха, в том числе, в той выработке, в которой произошла потеря данных.
- в сочетании с алгоритмами расчета газораспределения система мониторинга может в оперативном режиме на основе фактических расходов прогнозировать задымленные участки вентиляционной сети.
Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения, данное описание, схемы и пример рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.
Источники информации
1. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. - М.: Углетехиздат, 1949. - 443 с.
2. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. - М.: Недра, 1987. - 421 с.
3. ПБ 03-553-03 Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом.
4. McPherson M.J. Subsurface ventilation and Environmental engineering. - Chapman & Hall. - 2009. - 824 p.
5. Brake D.J. Mine Ventilation. A Practitioner′s Manual - Mine Ventilation Australia, Brisbone. - 2012. - 686 p.
6. Круглов Ю.В. Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников: дис... канд. техн. наук. - Пермь, 2006. - 170 с.