Оценка эффективности системы вентиляции шахт Подмосковного бассейна

Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем охраны труда на горнодобывающих предприятиях является борьба с газом, пылью и высокими температурами при подземной добыче полезных ископаемых. Основным средством борьбы с этими вредностями является вентиляция горных выработок и ее доля составляет в настоящее время 80−90%. В связи с этим значительно возрастают требования к эффективности и надежности работы шахтных вентиляционных систем для создания и Поддержания нормальных санитарно — гигиенических условий труда.

Благодаря работам ряда ученых и коллективов исследователей, проблема повышения эффективности работы шахтных вентиляционных с. истем, в настоящее время получила надежный теоретический фундамент. Однако, анализ фактического состояния вентиляционных систем на действующих шахтах и рудниках показывает, что значительное количество вентиляторов главного проветривания работают при низких значениях КПД, имеет место неустойчивая подача требуемого количества воздуха в шахтную вентиляционную сеть, так же остается актуальным вопрос утечек воздуха, подаваемого в шахтную сеть для проветривания.

От качества и непрерывности проветривания горных выработок в значительной мере зависит безопасность, а также производительность труда шахтеров. В тоже время процесс проветривания требует большого' количества электроэнергии. Вентиляторные установки угольных и рудных шахт потребляют примерно 1.5% общего количества вырабатываемой электроэнергии, в т. ч. вентиляторные установки угольных шахт — 1%. На проветривание каждой шахты расходуется до 30% всей расходуемой ею электроэнергии. Большие энергетические затраты связаны с большими производительностями вентиляторных установок, аколичество подаваемого в шахту воздуха в 3, в 3.5 раза больше, чем добывается угля. Большая энергоемкость вентиляционных установок предъявляет высокие требования, с одной стороны, к. их правильной эксплуатации и работе в оптимальном режиме, а с другой стороны, к экономичности этих машин. Повышение их КПД только на 1% экономит многие миллионы киловатт-часов электроэнергии и миллионы" рублей.

В результате обследования большого количества шахт было установлено, что утечки воздуха колеблются от 22,7% до 66,2% объема от /поступающего в шахту воздуха [4, 5, 12, 43, 53, 58, 62] .

Следовательно вопрос снижения энергоемкости проветривания шахт остается актуальным, и дальнейшее его исследование. является актуальной научно-технической задачей.

Целью работыявлялось установление новых и уточнение существующих закономерностей безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания (ВГП) на шахтные вентиляционные сети (ШВС) для разработки эффективных средств по снижению энергоемкости и повышений надежности проветривания шахт Подмосковного бассейна, обеспечивающих повышение уровня безопасности подземных горных работ.

Идея работы заключается в том, что эффективные средства по снижению энергоемкости и повышению надежности проветривания шахт Подмосковного бассейна, обеспечивающие повышение уровня безопасности подземных горных работ, основываются на адекватных математических моделях надежности функционирования системы вентиляции и взаимосвязи аэродинамических характеристик «ВГП-ШВС» с энергоемкостью процесса проветривания шахты.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы в следующем виде:

— показатели уровня аварийности и безопасности системы «ВГП-ШВС», характеризуются критериями надежности функционирования данной системы с учетом внешних утечек воздуха через поверхностных комплекс вентиляционного ствола, образующих параллельную ветвь, аэродинамическое сопротивление которой можно технологически изменять;

— надежность системы «ВГП-ШВС» с высоким уровнем нормативной достоверности можно оценивать с использованием экспоненциального закона распределения отказов в системе;

— степенные полиномы аппроксимируют характеристики ВГП с высоким уровнем тесноты связи и позволяют обеспечить переход от графоаналитического анализа работы ВГП на ШВС к численным моделям с использованием стандартных методов вычислительной математики;

— эффективность мероприятий по снижению внешних утечек воздуха целесообразно оценивать по энергоемкости функционирования системы «ВГП-ШВС» .

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем: произведено обобщение информации по схемам вентиляции шахт Подмосковного бассейна, — и уточнено физическое происхождение внешних утечек воздуха и факторы влияющие на их интенсивностьадаптирована модель оценки показателей уровня аварийности и безопасности на основе теории надежности к системе «ВГП-ШВС» и получены аналитические зависимости эксплуатационных характеристик вентиляторовч., ¦ .-И.,.—'." :. /V усовершенствована методика определения подачи ВГП по его характеристикам в зависимости от изменения сопротивления шахтной сети из-за .возникновения как внешних, так и внутренних утечек воздухаусовершенствована методика оценки функционирования системы «ВГП-ШВС» /.

Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности возникновения внешних утечек воздуха повышают достоверность прогноза распределения шахтного воздуха в выработках и дают возможность предварительного анализа воздухо-распределения при различных аварийных ситуациях и, таким образом, позволяют оценить их безопасность. Разработанная методика для анализа воздухораспреде-ления в горных выработках позволяет оценить уровень безопасности газовой ситуации и существенно облегчить решение задачи газовой динамики. Математическое обеспечение задач прогноза воздухораспределения ориентировано на использование существующей базы данных и позволяет оценить эффективность применения различных способов и средств управления воздухораспределе-нием в шахте. Установленные закономерности позволяют оценивать эффективность мероприятий по борьбе с внешними утечками по фактору энергоемкости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной техникиудовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонения не превышают 20%) и большим объемом вычислительных экспериментов — значительным объемом базы данных по шахтным наблюдениям (газовоздушные съемки 11 шахт Подмосковного бассейна) — непротиворечивостью с фундаментальными физическими законамисоответствием полученных результатов и установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами и методами.

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении федеральной целевой программы «Интеграция», хоздоговорных и госбюджетных НИР Тульского государственного университета, а так же используются в учебном процессе для подготовки горных инженеров специальности 0902.

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении федеральной целевой программы «Интеграция», хоздоговорных и госбюджетных НИР Тульского Государственного Университета, а так же используются в учебном процессе для подготовки горных инженеров специальности 0902.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1996;1999 гг.) — ежегодных научно — практических конференциях профессорскопреподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1996;1998 гг.) — 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.) — 2-й Международной конференции по экологическому образованию «Между школой и университетом» (г. Тула, 1996 г.) — 1-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Наука и экологическое образование. Практика и перспективы» (г. Тула, 1997 г.) — 2-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы» (г. Тула, 1998 г.)-" Известия Тульского Государственного Университета", серия: «Экология и безопасность жизнедеятельности», выпуск 5(Москва-Тула 1999 г.).

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 10 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 17 6 страницах машинописного текста, содержит 29 иллюстраций, 15 таблиц, список литературы из 109 наименований и приложения.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э. М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследованийк. т.н., доц. P.A. Ковалеву, а также всем преподавателям и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды за большую организационную и методическую помощь.

Выводы.

1. Усовершенствована методика оценки эффективности систем вентиляции шахт Подмосковного бассейна, отличающаяся тем, что подача ВГП оценивается по его аналитическим рабочим характеристикам в зависимости от изменения сопротивления шахтной сети, обусловленного возникновением внешних и внутренних утечек воздуха. Обработка данных по характеристикам вентиляторов на «STATISTICAL позволила получить аналитические выражения кривых, отображающих зависимость количества воздуха и депрессии от угла поворота лопаток (корреляционное отношение для установленных закономерностей более 0,9).

2. Получены аналитические зависимости эксплуатационных характеристик семи вентиляторов главного проветривания., применяемых в Подмосковном бассейне, отличающиеся тем, степенные полиномы, аппроксимирующие характеристики ВГП с высоким уровнем тесноты связи, позволяют обеспечить переход от графоаналитического анализа работы ВГП на ШВС к численным моделям с использованием стандартных методов вычислительной математики.

3. Разработаны методические положения оценки эффективности технических средств борьбы с внешними утечками воздуха в вентиляционной системе, позволяющие ранжировать предлагаемые мероприятия по фактору энергоемкости на основе прогнозируемого изменения аэродинамического сопротивления системы «ВГП — ШВС» .

4. Адаптированы системные принципы оценки надежности технических объектов к условиям эксплуатации системы «ВГП — ШВС» на основе уточненных закономерностей возникновения функциональных отказов в системе и усовершенствована методика оценки показателей уровня аварийности и безопасности применительно к условиям Подмосковного бассейна. Доказано, что надежность системы «ВГП-ШВС» с высоким уровнем нормативной достоверности можно оценивать с использованием экспоненциального закона распределения отказов в системе.

5. Рассмотрена оригинальная техническая структура АСУ ШВС, включающая в себя подсистемы: адаптации, идентификации и прогнозирования технологических параметров шахтной атмосферы и состояния образования ШВСлогического управления технологическим и организационно-производственным процессами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследование различных способов оценки снижения, энергозатрат на проветривание, применительно к условиям Подмосковного бассейна указывает на • актуальность данной работы. Непроизводительные затраты на проветривание (как показал анализ фактического состояния проветривания на многих шахтах Подмосковного бассейна) достигают большой величины, поэтому оценка эффективности систем вентиляции по факторам безопасности и энергоемкости остается весьма актуальной.

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности безопасной эксплуатации шахтных вентиляционных систем и работы вентиляторов главного проветривания на шахтные вентиляционные сети, позволившие разработать эффективные средства оценки энергоемкости функционирования системы «ВГП — ШВС» и надежности проветривания шахт Подмосковного бассейна, обеспечивающие повышение уровня безопасности подземных горных работ, что имеет важное социальное значение для «угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты диссертации сводятся к следующему:

1. Усовершенствована методика оценки эффективности систем вентиляции шахт Подмосковного бассейна, отличающаяся тем, что подача ВГП оценивается по его аналитическим рабочим характеристикам в зависимости от изменения сопротивления шахтной, сети, обусловленного возникновением внешних и внутренних утечек воздуха. Обработка данных по характеристикам вентиляторов на «ЗТАТЧБИСА» позволила получить аналитические выражения кривых, отображающих зависимость количества воздуха и депрессии от угла поворота лопаток (корреляционное отношение для установленных закономерностей более 0,9).

2. Получены аналитические зависимости эксплуатационных характеристик семи вентиляторов главного проветривания, применяемых в Подмосковном бассейне, отличающиеся тем, степенные полиномы, аппроксимирующие характеристики ВГП с высоким уровнем тесноты связи, позволяют обеспечить переход от графоаналитического анализа работы ВГП на ШВС к численным моделям с использованием стандартных методов вычислительной математики.

3. Разработаны методические положения оценки эффективности технических средств борьбы с внешними утечками воздуха в вентиляционной системе, позволяющие ранжировать предлагаемые мероприятия по фактору энергоемкости на основе прогнозируемого изменения аэродинамического сопротивления системы «ВГП — ШВС» .

4. Адаптированы системные принципы оценки надежности технических объектов к условиям эксплуатации системы «ВГП — ШВС» на основе уточненных закономерностей возникновения функциональных отказов в системе и усовершенствована методика оценки показателей уровня аварийности и безопасности применительно к условиям-: Подмосковного бассейна. Доказано, что надежность системы «ВГП-ШВС» с высоким уровнем нормативной достоверности можно оценивать с использованием экспоненциального закона распределения-: отказов в системе.

5. Доказано, что показатели уровня аварийности и безопасности системы «ВГП-ШВС», характеризуются критериями надежности функционирования данной системы с учетом внешних утечек воздуха через поверхностный комплекс вентиляционного ствола, образующих параллельную ветвь, аэродинамическое сопротивление которой можно технологически изменять;

6. Выполнено обобщение информации по схемам вентиляции шахт Подмосковного бассейна, и установлено физическое происхождение внешних утечек воздуха и факторы влияющие на их интенсивность. Основные научные и практические результаты апробированы в учебном процессе Учебно-научного центра по рациональному природопользованию в Тульской области.