Решение задачи оперативного расчета распределения продуктов горения в сети горных выработок

© Л.Ю. Левин, Д.С. Кормщиков, М.А. Семин, 2013

УДК 622.4

Л.Ю. Левин, Д.С. Кормщиков, М.А. Семин

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПЕРАТИВНОГО РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ В СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК*

Б рамках данной работы поставлена математическая задача и создан алгоритм расчета аэродинамических сопротивлений вентиляционной сети на основе минимального набора натурных данных для расчета и визуализации распространения продуктов горения по сети горных выработок в программном комплексе «План ликвидации аварий».

Ключевые слова: рудник, шахта, план ликвидации аварий, пожар, рудничная вентиляция, воздухораспределение, газораспределение, модель, моделирование, вентиляционная сеть.

Прогнозирование газораспределения в сети горных выработок при пожарах является актуальным не только в России [1, 2], но и за рубежом [3, 4]. Стандартные методы расчетов газораспределения, которые используются в большинстве программных комплексов, например таких как «АэроСеть» [5, 6], основаны на точном математическом моделировании. Они требуют большого объема входных данных и специфических знаний для работы с программой.

В соответствии с требованиями правил безопасности на каждой шахте должен составляться план ликвидации аварий [7]. Схема плана ликвидации аварий хранит в себе достаточное количество информации для качественной оценки газораспределения в сети горных выработок. Поэтому в отделе аэрологии и теплофизики Горного института Уральского отделения Российской академии наук

создан программный комплекс «План ликвидации аварий» [8], позволяющий проводить оперативные расчеты газораспределения, разрабатывать и задействовать план ликвидации аварий.

В программе реализован алгоритм расчета воздухораспределе-ния, который позволяет определить направление движения воздуха на основе данных, внесенных при построении схемы плана ликвидации аварии. При расчете аэродинамического сопротивления выработок учитываются их размеры, взятые со схемы с учетом масштаба и добавочное сопротивление регуляторов добавленных на схему. Таким образом, для автоматического определения направлений движения воздуха в сети горных выработок необходимо построить схему рудника или шахты с учетом масштаба и задать некоторые аэродинамические свойства объектов схемы, такие как депрессия,

*Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований проект № 13-05-96013 «Разработка комплексной технологии повышения энергоэффективности, обеспечения ресурсосбережения и промышленной безопасности в горнодобывающей промышленности».

выработки 1 — место аварии, выработки 2 — задымленные, выработки 3 Рис. 1. Отображение зоны задымления при пожаре

— незадымленные, выработки 4

— пути выхода людей с места аварии.

создаваемая главной вентиляторной установкой, аэродинамическое сопротивление вентиляционных сооружений и т.д.

На основе результатов данного расчета программа отображает зоны распространения продуктов горения, что позволяет рассчитать наиболее безопасные запасные пути выхода (рис. 1).

Для определения концентрации и скорости распространения газовых примесей необходимо знать расходы воздуха во всех выработках. С целью их нахождения была поставлена следующая математическая задача.

Вентиляционная сеть участка рудник представлена в виде произвольного ориентированного графа

имеющего заданное множество ветвей Е и вершин V.

Каждой ветви е е Е приписывается набор свойств:

- Аэродинамическое сопротивление

- Модельный расход

- Фактический расход ^

- /Депрессия Щ

Набор модельных расходов ч = 1 ч: ' ч .-. является решением системы уравнений первого и второго законов Кирхгофа для вентиляционной сети

Т(ВД10|) - во = о,

где EVj — множество ветвей, инцидентных ]-й вершине графа, ЕСк — множество ветвей, входящих в к-й независимый контур графа.

Набор фактических расходов

5= .....

может формироваться либо в результате натурных замеров, полученных в ходе проведения воз-

душно-депрессионных съемок, либо при помощи датчиков контроля скорости воздуха, расположенных непосредственно в подземных горных выработках.

Набор фактических расходов Ф удовлетворяет первому закону Кирхгофа в вершинах графа.

В связи с тем, что в ходе воздушно-депрессионной съемки расходы воздуха замеряются не во всех выработках, фактические расходы Ф сушест-вуют не для всех ветвей графа.

В общем случае в сети возникает ситуация, когда фактические расходы

не совпадают с соответствующими

модельными расходами а , что объясняется недостаточностью данных для расчета аэродинамических сопротивлений К.

Требуется разработать алгоритм управления (калибровки) аэродинамическими сопротивлениями ^ вентиляционной сети, позволяющий минимизировать функционал

характеризуюший интегральное отклонение модельных расходов Ч от замеренных $ [9].

Для расчета аэродинамических сопротивлений ^ по известным коэффициентами аэродинамического сопротивления ^ и геометрических параметров выработки, используется формула

где Ц — длина выработки, соответствующей 1 -й ветви, ^ — периметр выработки, соответствующей 1-й ветви, Б} — площадь поперечного сечения выработки, соответствующей 1-й ветви, к! — коэффициент аэродинамического сопротивления 1-й ветви.

Для компонент к;, являющихся управляемыми параметрами алгоритма, вводятся следующие ограничения:

е (крЧ к]"ах)г

11г 1Г>111 1-ШОХ

___с и " — минимально возможный и максимально возможный коэффициенты аэродинамического сопротивления.

Как известно, одно и то же поле расходов в вентиляционной сети может быть получено с помощью различных комбинаций аэродинамических сопротивлений. Данный факт делает поставленную задачу недооп-ределенной и требует введения дополнительных гипотез или ограничений, накладываемых на множество управляемых параметров с целью получения единственного решения задачи управления.

Пусть необходимо определить такое решение задачи

, которое бы было ближайшим из множества других ре-ь»

шении к точке ь , представляющей собой коэффициенты аэродинамического сопротивления, рассчитанные из проектных данных по способу проходки выработки и т.п. Таким образом, имеется дополнительный функционал

который также требуется минимизировать.

Алгоритм основывается на уравнении управления коэффициентами аэродинамическими сопротивлениями ^ = и^ЛТ

В модели используется параметр

релаксации т , который можно понимать как некое фиктивное время, внутреннее время алгоритма управления.

N

где 'ч — матрица влияния, е1 — ошибка управления расходом в 1 -й выработке.

Матрица влияния характеризует то, как аэродинамическое сопротивление в ]-й выработке влияет на величину расхода в 1-й выработке.

= СЬ -

— ошибка управления расходом в 1-й выработке.

Нормирующий множитель характеризует реагирование коэффициента к; на ошибку управления . При значениях коэффициента к1; близких к ^тпах и Ьщь, множитель стремится к нулю, в то время как при значениях к, лежащих в центральной области

интервале 0^т1п/ ^-тах), коэффициент максимален.

Уравнение управления аэродинамическими сопротивлениями позволяет рассчитать приращение коэффициента аэродинамического сопротивления в 1 -й выработке за промежуток фиктивного времени ^х .

Далее по известным коэффициентам аэродинамического сопротивления и геометрическим свойствам выработок рассчитываются аэродинамические сопротивления

И 1

и решается задача поиска стационарного воздухораспределения [10].

В итерационных алгоритмах поиска минимума функции, имеющей множество условных минимумов, существенное значение имеет формулировка начальных условий.

В данном алгоритме в качестве начального условия предлагается выбрать точку фазового пространства коэффициентов аэродинамических

ных плана ликвидации аварий и вентиляционного журнала. Разработанный алгоритм позволил усовершенствовать программный комплекс «План ликвидации аварий» в плане возможности оперативного прогнозирования распределения воздуха, тепла и продуктов горения по горным выработкам рудника с отображением результатов на графической части плана ликвидации аварий.

На сегодняшний день, на А — начальное условие, наиболее вероятные значе- базе созданного расчетного

ния коэффициентов аэродинамического сопротив- модуля программы, ведется ления. АВ — итерационная процедура. В — первое

приближение решения задачи 'управления. разработка аналитических

Рис. 2. Поверхность фазового пространства К, вспомогательных инструментов образованная всевозможными решениями за- определения безопасных путей дачи поиска стационарного воздухораспреде- выхода горнорабочих при ава-ления риях, путей подхода горноспа-

сателей и наиболее эффективных мероприятий по локализации и ликвидации аварий (оперативное управление системой вентиляции рудника, в том числе с помощью средств автоматизации, и использование данных измерений систем аэрогазодинамического контроля рудничной атмосферы).

k." — .,,,

сопротивлении " 1™»' '•чи, , рассчитанных из проектных данных по способу проходки выработки и т.п. (рис. 2).

Полученные результаты позволяют производить расчет аэродинамического сопротивления ветвей вентиляционной сети рудника на основе дан-

1. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов A.B. К моделированию сложных аэрогазотермодинамических процессов в атмосфере рудников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых — 2008. — № 6. — С. 105-111.

2. Гришин Е.Л., Киряков A.C., Кормщиков Д. С. Моделирование аэротермодинамических процессов в программном модуле «План ликвидации аварий» // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) — 2012. — № 5. — С. 312-315.

3. McPherson Subsurface M.J. ventilation engineering. 2nd edition — Chapman & Hall, 2009. — p. 824

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Dziurzynski W., Tracz J., Trutwin W. Simulation of mine fires. — 4th Int. Mine Ventilation Congress, Brisbane, Australia. — 1988. — p. 357-363.

5. Разработка программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников / Б.П. Казаков, Ю.В. Круглов, Л.Ю. Левин, А. Г. Исаевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. — 2006. — с. 21-32.

6. Разработка единой информационно-аналитической системы вентиляции рудников на основе программно-вычислительного комплекса «Аэросеть» / Е.Л. Гришин, А.В. Кашников, Д.В. Курилов, А.В. Репин

// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2010. Т. 5. — № 12. — С. 71-74.

7. ПБ 03-553-03. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. — М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. — 199 с.

8. Кормщиков Д. С. Разработка и совершенствование программного продукта «Электронный план ликвидации аварии» //

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Стратегия и процессы освоения георесурсов: сборник научных трудов. Выпуск 10. — 2012. — с. 278-280.

9. Черноусько Ф.Л., Баничук Н.Б. Вариационные задачи механики и управления. М.: Наука, 1973 — 238 с.

10. Круглов Ю.Б., Исаевич А.Г., Левин Л.Ю. Сравнительный анализ современных алгоритмов расчета вентиляционных сетей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал — 2006. — № 5. — С. 3237. ВШИ

Левин Лев Юрьевич - доктор технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, профессор кафедры РМПИ, aerolog_lev@mail.ru, Кормщиков Денис Сергеевич - аспирант отдела аэрологии и теплофизики; denis@kormshchikov.ru,

Семин Михаил Александрович - младший научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики, mishkasemin@gmail.com,

Горный институт Уральского отделения Российской академии наук.

- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

ФОРМИРОВАНИЕ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

НОВОГО ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Кулецкий Валерий Николаевич, исполнительный директор ОАО «Разрез Тугнуйский»,

pelihkn@suek.ru

Даны методические подходы и принципы формирования угольного разреза нового технико-технологического уровня, реализация которых обеспечивает существенное повышение эффективности и безопасности производства. Определены основные технико-технологические параметры и представлены результаты формирования разреза нового уровня в ОАО «Разрез Тугнуйский». Для руководителей и специалистов предприятия, как руководство по организации труда и производства.

Ключевые слова: угольный разрез, технико-технологический уровень, разрез нового уровня, технико-технологические параметры, эффективность и безопасность, методические подходы и принципы, технологические схемы, стандарты процессов.

FORMATION OF A NEW COAL MINE'S TECHNOLOGICAL LEVEL

Kuletskoy V.N.

Methodical approaches and principles of the coal mine of the new technical and technological level, the implementation of which provides a significant increase in efficiency and safety. The main technical and technological parameters and the results of the formation of a new level in the section of "Section Tugnuisky." For managers and specialists of the enterprise as a guide to the organization of work and production.

Key words: coal mine, technical and technological level, the cut of a new level of technical and technological parameters, efficacy and safety, methodological approaches and principles, process cal schemes, standards processes.