Моделирование режимов работы систем вентиляции подготовительных выработок

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

УДК 622.44/.46-047.58:622.261

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Н.М. Качурин, С. А. Воробьев, А. Д. Левин, П.В. Васильев

Показаны результаты обработки данных по нескольким типам ВМП. Представленные аппроксимации аэродинамических характеристик и зависимостей мощности от производительности ВМП характеризуются весьма высоким значением корреляционного отношения, поэтому приведены его значения с восемью цифрами после запятой. Разработана программа для моделирования режимов работы ВМП. Программа позволяет визуализировать результаты расчетов, а также позволяет решать и обратную задачу определения производительности ВМП и депрессии ВС по величине потребляемой мощности. Предлагаемый подход к разработке индивидуальных, субъективно уникальных аэродинамических математических моделей проветривания подготовительных выработок существенно повысит безопасность горных работ по газовому фактору.

Ключевые слова: система вентиляции, подготовительная выработка, вентилятор местного проветривания, воздух, характеристика вентилятора, аппроксимация, производительность, моделирование, математическая модель.

В крупнейших обзорных международных работах последних лет, опубликованных О. Караканом и Т. Муром [1,2], которые затрагивают вопросы безопасности подземной угледобычи по фактору метановой опасности, подробно и глубоко анализируются научно-практические труды ученых по всему миру по эмиссии метана на различных участках и стадиях подземной разработки месторождения, дегазации разрабатываемых угольных пластов и наиболее эффективных практик бурения, информация дается в контексте изучения физических свойств и генезиса углей, влияющих на эмиссию метана. К сожалению, лучшие практики организации систем вентиляции для подземных выработок и ее элементов в обзоры не вошли, не смотря на большую значимость вопроса. Отдельные аспекты, связанные с повышением эффективности вентиляции в шахтах регулярно поднимаются зарубежных работах: например, в работе [3] моделируется система вспомогательной вентиляции в угольной шахте, полученные результаты имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов на одной из угольных шахт в Испании; группа других испанских исследователей отмечает значимость при проектировании вентиляции таких факторов как время года и температура поверхности обнажения массива в горных выработках [4]; опыт организации высокоэффективной, усиленной вентиляции в угольной шахте Лонгхуа (Китай), отличающейся сложным многоуровневым расположением выработок [5]; исследование [6] затрагивает вопросы аэрогазодинамики потоков частиц пыли в системах вентиляции горных

156

_Геомеханика_

выработок, представляя результаты численного моделирования в гибридной системе вентиляции шахты. Несмотря на то, что роль ключевых элементов систем вентиляции (к каковым относятся все виды вентиляторов) косвенно отражается во всех упомянутых исследованиях, целевых зарубежных работ научно-прикладного характера, отражающих описывающих значимость режимов работы вентиляторов для всей системы вентиляции не так много, но информация встречается в контексте изучения производительности и мониторинга режимов работы шахтных вентиляторов [7]. Оценка рисков и мониторинг для раннего предупреждения выхода из строя вентиляторов вызывает большой интерес на рудниках [8]. В предлагаемой статье рассматривается задача определения режима работы вентилятора на вентиляционную сеть (теоретические аспекты рассматриваются в [9]).

В России шахты Кузбасса, как правило, высоко газообильные шахты и, как показывает статистика взрывов метано-воздушной смеси, до настоящего времени нет эффективной системы предотвращения этого вида аварий [10, 11]. При этом большими темпами увеличивается глубина разработки, что влечет за собой рост природной газоносности разрабатываемых угольных пластов и вмещающих пород, угрозу динамических проявлений горного и газового давления. В этих условиях директивное ужесточение нормативных требований к производственным процессам по газовому фактору не даст существенного снижения реальной метаноопасности шахт.

Особую актуальность эта проблема приобретает для подготовительных выработок, проводимых по разрабатываемому угольному пласту с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя, существенно увеличивающей газовыделение из отбитого угля. Важнейшей системой обеспечения аэрологической безопасности работ в подготовительной выработке является система вентиляции. Эффективный контроль систем вентиляции в подготовительных выработках основывается на адекватном моделировании режимов их работы.

Основными элементами системы вентиляции подготовительных выработок любого назначения являются вентилятор местного проветривания (ВМП) и вентиляционный трубопровод или соединение нескольких вентиляционных трубопроводов, которые представляют собой вентиляционную сеть (ВС), имеющую конкретное значения аэродинамического сопротивления. Режим работы ВМП при проветривании подготовительной выработки определяется физическими характеристиками системы «ВМП -ВС». Характеристики ВМП, как правило, задают графически. Для определения режима работы ВМП графическим методом совместно решают следующие уравнения: Ру = Ру (2) и И = Я<2, где Ру - давление, развиваемое ВМП; 2 - количество воздуха; И - потери давления (депрессия) в ВС; Я -

аэродинамическое сопротивление ВС. Однако графоаналитический метод обладает существенными недостатками, главным из которых является отсутствие возможности аналитических расчетов и полной автоматизации вычислений при решении прямых и обратных задач функционирования системы «ВМП - ВС». Эта проблема сформулирована давно и предложены сравнительно простые зависимости для аппроксимации характеристик ВМП [12 -14]. Однако точность аппроксимации на всех интервалах устойчивой и экономичной работы не высока и не связана технологией заводских испытаний и подготовки рабочих паспортов вентиляторов. Хотя, например, Институт вычислительных технологий СО РАН отмечает необходимость разработки унифицированных математических моделей системы «ВМП - ВС», позволяющих расширить аэрологические возможности диспетчерских служб шахт и рудников. То есть диспетчеры должны контролировать режимы работы ВМП на подготовительных участках, оценивая, в том числе, и состояние вентиляционных трубопроводов. А это возможно только при точной аппроксимации всех характеристик ВМП.

Следовательно, необходимо найти формулы, описывающие аэродинамические характеристики ВМП. Аппроксимация может быть эффективно осуществлена с помощью комплекса программных средств AutoCAD и Eureqa Pro [15-16]. Алгоритм решения этой задачи рассмотрим на конкретном примере аппроксимации характеристик вентилятора ВМЭ-12А (рис. 1) [17]. На рис. 1 представлены следующие физические параметры ВМП: PV -давление вентилятора, даПа; Q - производительность (подача) вентилятора, м /с; 15°, 25°, 35°- углы поворота лопаток вентилятора; h - КПД; N -мощность вентилятора, кВт.

N ,кВт 80 60 40 20

Pv,

dan а 0 300

200

100

10 20 30 Q,m3/C

Рис. 1. Аэродинамические характеристики вентилятора ВМЭ-12А [15]

158

_Геомеханика_

Изображения аэродинамических характеристик вентилятора ВМЭ -12 переводим в электронный вид. При помощи графически заданной сетки, в программном комплексе AutoCAD осуществляем поиск пары чисел x и у, которые являются координатами линий и одновременно исходными данными, необходимыми для программы Eureqa Pro. Аппроксимация кривых производится ломаными линиями с помощью специализированной программы Eureqa Pro [17 - 18], общий вид программы представлен на рис. 2. Для расчета в программе Eureqa Pro необходимо задать критерии поиска аппроксимирующих функций. От заданных параметров зависит не только коэффициент корреляции и размер получившейся формулы, но и время необходимое на поиск функции. На рис. 2 показан процесс поиска функций. Необходимо найти аппроксимирующую функцию, ограниченную диапазоном заданных точек, при максимальном коэффициенте корреляции. Выбираем сортировку найденных функций по символьному размеру. Далее сравниваем коэффициенты корреляции и величину максимальной ошибки в заданном диапазоне поиска. Полученную функцию можно импортировать в текстовый документ для дальнейшей обработки.

Рис. 2. Общий вид программы и выбор аппроксимируемых функций

Результаты обработки данных по нескольким типам ВМП представлены в табл. 1 и 2.

В базу данных внесены ВМП, выпускаемые на российских заводах. Изменяя исходные данные можно проводить вычислительные эксперименты и моделировать режимы работы ВМП для различных ВС.

159

Таблица 1

Аппроксимации характеристик ВМП

№ п/п Угол поворота лопаток Характеристика вентилятора Корреляционное отношение

ВЦГ-7М

1 0 Ру (0) = 953,516+ 2,52102 - 22,7660 - 5,765 8ш (0) --0,40103 -1,008 • 10"9 • ехр (1,9960) 0.99990665

2 20 Ру (0) = 1037,555+25,5650+8,6798т(0)+О,ООО805 --144,385^0-О,54303-О,3150 8т(2,1470) 0.99999181

3 40 Ру (0) = 795,656+0,lO6tg(3,5630)-40,3930--3,49-Ю-6 -08 -О,28503 0.99998316

4 60 Ру (0) = 603,716+62,15102 +4,209СО8 (-7,71103) --183,6520-7,84103 0,9999228

В1М

5 Ст. Ру(0) = 220,551 + 77,0348И1 (02) - 23,5458111 (0) + +0,324 03 -13,1138Ш (0) • со8 {со8 [2,5790 • вш (0)]] 0.99970259

В2М

6 Ст. (£?) = 378,863 + 0,16602 +21,309СО8 (02) --41,487С08(0) - 0,95802 • С08(0) -1,ЗО702 • С08 (02) 0.99977914

ВО-11

7 15 Рг( 0) = 90,988 + 4,9730 + 0,056tg (0) - 2,728со8 (0) --1,26402 - 0, ООО904 • соз{со8 [0 + 0,056tg (0)]] 0,9999714

8 20 Ру(д) = 0,04420 ^(0,559^2)-1,710503 + 0,04104 + +485,453 + 24,93202 -161,0530 -0,558tg (0,55902) 0.99998448

9 25 Ру(0) = 0,807вт(02) - 38,635 - 0,0820 • 8т(02) + +0,071вт (02) • tg (28,6910) -1,49702 + 28,5610 0.99998161

10 30 Ру(0) = 129,217 + 0,0004£ -О,12502-О,О190 8И1 >3 —1,647-10~5 -05 -\§(125,33602)] 0.99997822

11 35 ^ (0) = 74,495 + 5,0380 - 0, ООО604 - 0,00102 --0,318 8т (5,786 • 10"5 • 04 - 5,24М О"11 • 06) 0.99997547

12 40 Ру{д) = 19,9120 + 0,ОО202 • С08(0,068-0)--7,693- 0,7О802 -0,558 соз(0,068 - 0)2 0,99997725

13 45 Ру (0) = 66,2520 + 0,00104 +15,0430 • БШ (0, ОО202) + +6,496-10"18 • ехр (7,729 • 10"5 • 04) - 254,611 - 3,45202 0.99998444

Таблица 2

Аппроксимации зависимостей мощности вентиляторов

местного проветривания от их производительности

№ п/п Угол поворота лопаток Характеристика вентилятора Корре-ляцион-ное отношение

ВЦГ-7М

1 0 N(0) = 64,676+3,3580+0,30202 -0,03303 + +0,907 ^ (0,417 -1,0210) 0,99991

4 60 N(0) = 156,003+1,4010 - 0,01002 • ^(2,4340)2+5758,599• • [^ (0)-58,658]-1 + 3,266 ^ (0) +0,114 0 • ^ (2,4340) 0,99998

В1М

5 Ст. N(0) = 2,120 + 0,6780 +1,465х • ^п (02) +1,15202 + 0,06103 • (02) -1,069 ^п (02) - 0,55402 • мп (02) 0,99998

В2М

6 Ст. N (0) = 13,74902 + 0,03205 - 6,033 - 3,5090 --3,16003 - 0,06702 • ^ (0) +13,404 ^ (0) 0,99998

ВО-11

7 15 N (0) = 10,322 - 0,0210 • со (5,6610 )2 - 0,00403 --0,3170 - 0,0460 • ^ (5,6610) + 0,362 ^ (5,6610) 1

8 20 N (0) = 0,6960 - 4,198 10-7 • 06 - 0,03102 --3,547•Ю-5 • 03 • мп(2,792•Ю-5 • 07) + 5,894 1

9 25 N (0) = 2,938 + 2,3520 + 0,024 tg (0,11004) + +0,002 tg(0)-1,936•Ю-5 • 04 -0,12002 0,99997

10 30 N (0) = 28,632 + 0,1640 • sin (3,603 + 0) --0,8480 - 2,812 ^п (3,528 + 0) 0,99990

11 35 N(0) = 7,3950 + 3,414•Ю-6 • 05 -0,28602 -24,951 --1,139 10-7 • 04 • tg (-7,182 10-7 • 02 - 0,08703) 0,99998

Представленные аппроксимации аэродинамических характеристик и зависимостей мощности от производительности ВМП характеризуются весьма высоким значением корреляционного отношения, поэтому приведены его значения с восемью цифрами после запятой. Такая точность ап-

проксимации позволила разработать компьютерную программу для моделирования режимов работы ВМП на всех этапах проведения подготовительных выработок.

Программа позволяет определить режим работы вентилятора для конкретной сети. На рис. 3 показана форма этой программы с исходными данными и результатами расчета для вентилятора ВМЭ-12А.

Рис. 3. Окно ввода информации в программе для моделирования

параметров работы ВМП

Программа позволяет визуализировать результаты расчетов, для этого достаточно нажать кнопку «Строить графики» и пользователь получает результаты расчета с графическим сопровождением (рис. 4). Далее результаты сохраняются в отдельный файл - «result.txt». Программа также позволяет решать и обратную задачу определения производительности ВМП и депрессии ВС по величине потребляемой мощности. При этом информацию о потребляемой мощности, как правило, получают режиме реального времени путем прямых измерений.

Производительность ВМП определяется из решения алгебраического уравнения: NП = / (0ВМП), где NП - зафиксированная потребляемая мощность; 0ВМП - производительность ВМП. В явном виде функция / (0ВМП) задана полученной аппроксимацией зависимости мощности ВМП от его производительности (см. табл.2). Решение алгебраического уравне-

ния осуществляется численным методом. Депрессия ВС определяется прямым расчетом по формуле: Иф = Н = Ру (0вмп ) = /(0вмп ), где Иф -

фактическая депрессия ВС (т.к. в РТ депрессия ВС и давление, развиваемое ВМП, равны между собой); Н - давление, развиваемое ВМП при данном значении угла установки лопаток рабочего колеса и производительности равной 0ВМП. Затем рассчитывается КПД ВМП по следующей формуле:

Я

вмп

^0вмп

100 N

п

где ЯВМП - расчетное значение КПД ВМП.

И Результаты расчетов - 1=1

50

Благодарим, что воспользовались услугами нашей программы Тип вентилятора: Осевой одноступенчатый вентилятор (Вентиляторы местного проветривания] ШкВт1 Модель: ВМЭ-12А Результаты расчета: СМ7.13мЗЛ; N=39.6211510842177 кВт Н=146.718450000016даП; 'Ч КП Д=0.63432Э626721815 Результаты расчета записаны в Файл гезиК.М здд

* - - N

е. •• Г я \

\

4 25

Благодарим за внимание... Н

7

¡а г

2

2

5 2

2

— ?

— — — — — —  г \

£ и

1

с: Т

7 1 _

£

**

4 25 0, мЗ/с

Рис. 4. Результаты расчета параметров работы ВМП

Таким образом, предлагаемый алгоритм моделирования режимов работы ВМП при проведении подготовительных выработок позволяет решать прямые и обратные задачи местного проветривания в шахтах и рудниках как на стадии проектирования, так и в шахтных условиях. Следовательно, для каждой подготовительной выработки необходимо создавать математическая модель аэродинамического режима работы ВМП с использованием точных аппроксимаций аэродинамических характеристик конкретного вентилятора. Эту математическую модель дополняют аппрокси-

163

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

мациями потребляемой мощности от производительности вентилятора. Следует отметить, что методика аппроксимации аэродинамических характеристик ВМП и зависимостей потребляемой мощности от производительности вентилятора позволяет получать необходимые аналитические зависимости еще на стадии заводских испытаний ВМП. Предлагаемый подход к разработке индивидуальных, субъективно уникальных аэродинамических математических моделей проветривания подготовительных выработок существенно повысит безопасность горных работ по газовому фактору.

Список литературы

1. Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction / C. Ozgen Karacan, Felicia A. Ruiz, Michael Cote, Sally Phipps // International Journal of Coal Geology. 2011. 86. Р. 121-156.

2. Tim A. Moore. Coalbed methane: A review // International Journal of Coal Geology. 2012. 101. Р. 36-81.

3. Models of methane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining / Javier Tora^, Susana Torno, Mario Menendez, Malcolm Gent, Judith Velasco // International Journal of Coal Geology. 2009. 80. Р. 35-43.

4. Fernando R. Mazarroin, Cesar Porras-Amores, Ignacio Canas-Guerrero. Annual evolution of the natural ventilation in an underground construction: Influence of the access tunnel and the ventilation chimney // Tunnelling and Underground Space Technology. 2015. 49. Р.188-198.

5. Wang Gang, Xie Jun, Xue Sheng, Wang Haiyang. Mining a coal seam below a heating goaf with a force auxiliary ventilation system at Longhua underground coal mine // International Journal of Mining Science and Technology. 2015. 25. Р. 67-72.

6. Numerical study on dust movement and dust distribution for hybrid ventilation system in a laneway of coal mine / Yingchao Wang, Gang Luo, Fan Geng, Yabo Li, Yongliang Li // Journal of Loss Prevention in the Process Industries 2015. 36. Р. 146-157.

7. Li Man, Wang Xue-rong. Performance evaluation methods and instrumentation for mine ventilation fans // Mining Science and Technology 19. 2009. P. 819-823.

8. Xing Yunfeng, Li Chengwu, Huang Huang. Study on ventilators monitoring and early fault warning system in non-coal mines // Procedia Engineering. 2011. 26. 2239 - 2245.

9. Theoretical substantiation and practical results of underground workings ventilation simulation / N.M. Kachurin, S.A. Vorobev, A.D. Levin, F.M. Botov // Eurasian mining. 2015. 2.

164

_Геомеханика_

10. Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метано-выделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С. 70-73.

11. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Н. Качурин, И.В. Сарычева // Обогащение руд. 2014. №6. С.16-19.

12. Аппроксимация аэродинамических вентиляторов местного проветривания при многоцелевом моделировании их работы / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Горный журнал. 2015. №12. С. 76-79.

13. Расчет системы «вентилятор-трубопровод» для современных средств проветривания подготовительных выработок шахт / С.П.Казаков, Б. А. Гриценко, К.Х. Ли, В.Б. Попов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. №2. С. 68-72.

14. Алгоритм паспортизации аэродинамических сопротивлений вентиляционных трубопроводов / С.П. Казаков, Б.А. Гриценко, К.Х. Ли, А.М. Ермолаев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2013. №1. С. 95-97.

15. Математические модели шахтных вентиляционных трубопроводов / С.П. Казаков, В. А. Федорин, В.В.Аксенов, Н.В. Трубицына // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. №1. С. 98-103.

16. AutoCAD 2015 (Academic license). http://www.autodesk.com/ products/autodesk-autocad/.

17. Eureqa Pro (Academic license). http://www.nutonian.com/ prod-ucts/eureqa/.

18. Каталог продукции Артемовского завода ОАО «Вентпром». http: // ventprom .com/products/item/vme/.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Воробьев Сергей Александрович, науч. сотр., vorohjov@ rudmet.ru, Россия, Белгород, Белгородский национальный исследовательский университет,

Левин Александр Дмитриевич, асп., ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Васильев Павел Валентинович, канд. техн. наук, ген. директор, 8гЬ EO@bk.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Сибирская экспертная организация»

165

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

OPERA TING REGIME OF SYSTEM VENTILA TION IN DEVELOPMENT WORKINGS

N.M. Kachurin, S.A. Vorobev, A.D. Levin, P.V. Vasiliev

Results of data handling by several types of the LVV are submitted. Proposed approximations of aerodynamic characteristics and dependences of electrical energy consumption by LVV are characterized by very high value of correlation ratio therefore there are eight numerals after decimal point in it. Computer program for modeling LVV operating conditions was created. The program allows visualizing calculation results and solving inverse problem of defining LVV productivity and VN depression by value of electrical energy consumption. Proposed approach to creation of subjectively unique aerodynamic mathematical models of development workings ventilation will improve mining safety by gas factor very much.

Key words: ventilation system, preparation production, local ventilation fan, air blower characteristic approximation-tion, productivity, simulation, mathematical model.

Kachurin Nikolai Michailovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vorobev Sergei Aleksandrovich, Scientific Associate, vorobjov@rudmet.ru, Russia, Belgorod City, Belgorod National Researching University,

Levin Alexander Dmitrievich, postgraduate, vadim_gribanov@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Vasiliev Pavel Valentinovich, candidate of technical sciences, General Director, Sib_EO@bk.ru, Russia, Prokopievsk, OOO «Siberian Expert Organization»