Использование САУП для управления микроклиматическими

Казаков Б.П., Зайцев А.В.
Использование систем автоматического управления проветриванием
рудников для управления микроклиматическими параметрами атмосферы горных
выработок
Разработке теоретических и технических основ построения систем
автоматического управления проветриванием (САУП) посвящены работы
Абрамова Ф.А. [1], Пучкова Л.А. [2], Цоя С.В. [3], Казакова Б.П., Круглова Ю.В.,
Левина Л.Ю. [4,5]. В цикле представленных работ доказано, что наиболее
эффективные и надежные системы вентиляции шахт и рудников разрабатываются
на базе систем автоматического управления. Однако на сегодняшний день
разработка систем автоматического управления проветриванием имеет
концептуальную направленность на повышение оперативности контроля и
управления проветриванием подземных рабочих зон и, соответственно,
повышение безопасности ведения горных работ с одновременным снижением
энергетических затрат на обеспечение вентиляции рудника.
На сегодняшний день разработаны и апробированы на практике горных
работ технические средства систем автоматического управления проветриванием
— вентиляторные установки с одно- и двухпараметрическим регулированием
производительности, системы частичного повторного использования воздуха,
автоматические вентиляционные двери. Построена теория и алгоритмическая
база, разработаны соответствующие программные модули, позволяющие
регулировать работу элементов САУП и обеспечивать оптимальные режимы
проветривания, характеризующиеся такими параметрами работы средств
управления вентиляцией, что все рабочие зоны рудника получают необходимое
количество воздуха при одновременной минимизации мощности, потребляемой
вентиляторными установками вентиляционной сети [5].
Несмотря на то, что средства САУП обладают широкими возможностями
управления аэродинамическими характеристиками движения воздушных потоков
в горных выработках, до сегодняшнего не рассматривалась возможность
использования средств САУП для улучшения микроклиматических параметров
рудничного воздуха. В тоже время имеется непосредственная зависимость между
аэродинамическими
параметрами
вентиляции
и
формированием
микроклиматических параметров рудничной атмосферы [6,7]. В статье на двух
отдельных примерах рассмотрено применение средств и возможностей САУП для
управления термодинамическими процессами в атмосфере шахт и рудников и
нормализации микроклиматических параметров в горных выработках.
Первый пример связан с решением задачи осушения горных выработок. На
неглубоких рудниках, расположенных в регионах с теплым и влажным климатом,
остро стоит проблема выпадения большого количества влаги из воздуха при его
охлаждении в выработках в теплый период времени. Выпадение влаги в рудниках
на главных воздухоподающих (транспортных) выработках влечет за собой целый
ряд нежелательных последствий, среди которых можно выделить: коррозию и
аварийность оборудования, нарушение систем автоматики и энергоснабжения,
трудности проезда автотранспорта из-за выпадения и накопления
конденсационных рассолов. Количество влаги, выпадающее в единицу времени,
определяется выражением [8]
dm
 K Q
dt
где K — коэффициент, зависящий от горнотехнический условий рудника,
кг/м3.
Q — расход воздуха, м3/с.
На сегодняшний день, подачу воздуха осуществляют с некоторым запасом,
определяемым на этапе расчета количества воздуха через коэффициенты утечек и
неравномерности. Коэффициент неравномерности определяется погрешностью
управления аэродинамическими параметрами средствами системы вентиляции.
При известной относительной погрешности средств отрицательного
регулирования необходимый коэффициент запаса будет определяться следующим
образом:
k  1 

2
где  — погрешность регулирования расходами воздуха, в долях.
В итоге в подземные выработки рудника будет подаваться избыточное
количество воздуха в объеме
Q 

2
Q
где Q — расчетной количество воздуха, подаваемое в рудник, м3/с.
Соответственно в рудник в единицу времени будет заносится
дополнительное количество влаги в объеме:
m  K 
R
2
Q
Согласно результатам последних исследований, традиционные средства
отрицательного и положительного управления воздухораспределением создают
фактические коэффициенты неравномерности в интервале от 1,3 до 1,6. Даже
несмотря на этот факт, нормативные коэффициенты неравномерности на
калийных рудниках колеблются в интервале от 1,1 до 1,25. На практике это
приводит к выпадению от 10 до 25 % избыточной влаги в рудник в теплый период
времени.
Одна из основополагающих идей использования систем автоматического
управления проветриванием заключается в том, что средства контроля и
управления воздушными потоками позволяют в разы увеличить точность
(соответственно
снизить
погрешность)
регулирования.
Погрешность
регулирования воздухораспределения при помощи АВД и рециркуляционных
установок составляет 8-10 %, что позволяет обеспечивать коэффициент запаса не
более 1,05.
На рисунке 1 приведена схема комплексной системы осушения воздуха,
разработанной на базе САУП, применяемая на руднике 3 РУ ОАО
«Беларуськалий». Использование возможностей САУП позволило снизить подачу
избыточного количества воздуха и увеличить эффективность применения систем
частичного повторного использования воздуха для осушения горных выработок
рудника.
Вентиляционный
ствол
Воздухоподающие
стволы
Рециркуляционная
установка
Рециркуляционная
установка
Рециркуляционная
установка
Комплекс камер
служебного назначения
- обводненные участки
- АВД
Рисунок 1. Осушение камер служебного назначения и главных транспортных
выработок с помощью средств САУП на руднике 3 РУ ОАО «Беларуськалий»
Кроме того, использование САУП позволило уменьшить подачу избыточного
количества воздуха и, соответственно, выпадение конденсационной влаги в
воздухоподающие выработки рудника.
Второй пример связан с использованием возможностей САУП для снижения
температуры воздуха в горных выработках глубоких рудников. Специфика
теплообменных процессов между рудничным воздухом и нагретым породным
массивом такова, что от объема подаваемого воздуха и скорости его движения
существенным образом зависит результирующее поле температур [9]. В качестве
примера на рисунке 2 приведены графики распределения температуры воздуха по
длине выработке спустя месяц после начала проветривания. Чем выше скорость
движения воздуха, тем ниже результирующая температура воздуха, но выше
затраты на вентиляцию выработки.
2 м/с
4 м/с
6 м/с
8 м/с
Рисунок 2. Графики распределения температуры воздуха в выработке спустя 1
месяц после начала проветривания при различной скорости движения воздуха
При использовании САУП в целях перераспределения воздушных потоков
целесообразна интенсификация проветривания проходческих участков,
характеризующихся худшими микроклиматическими условиями. При этом
происходит незначительное увеличение затрат на вентиляцию, но исключаются
значительные капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с
использованием подземных систем кондиционирования воздуха. Далее, после
первичных процессов растепления окружающего породного массива вновь
пройденных выработок, необходимо снижение подачи воздуха до расчетных
величин.
Таким образом, наиболее эффективное горнотехническое регулирование
теплового режима возможно осуществлять с помощью систем автоматического
управления проветриванием. При этом САУП сохраняет свою основную функцию
— формирование и контроль требуемого воздухораспределения в горных
выработках при обеспечении минимальных энергетических затрат на
вентиляторных установках рудника.
В перспективе планируется развитие направления использования САУП для
управления теплофизическими процессами в рудничной атмосфере за счет
разработки и интеграции дополнительных технических средств контроля
микроклиматических параметров воздуха и совершенствования алгоритмов
работы управляющих элементов.
Список литературы
1. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. — Киев:
Наукова думка, 1967.
2. Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического
управления проветриванием угольных шахт. — М.: Недра, 1992.
3. Цой С.В. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт.
Алма-Ата: Наука, 1975.
4. Совершенствование ресурсосберегающих систем вентиляции рудников
Верхнекамского месторождения калийных солей / Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин,
Ю.В. Круглов, А.Г. Исаевич, А.В. Шалимов // Горный журнал, №8, 2010. — с. 8183.
5. Круглов Ю.В. Теоретические и технологические основы построения
систем оптимального управления проветриванием подземных рудников: дисс… дра тех. наук. — Пермь: 2012.
6. Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по
регулированию теплового режима шахт: Изд-во 3-е, перераб. и доп. — М.: Недра,
1977. — 359 с.
7. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Основы теории и методы тепловых расчетов
рудничного воздуха. — Углетехиздат: 1953.
8. Казаков Б.П. Применение частичного повторного использования воздуха
для снижения количества выпадающей влаги в калийных рудниках / Б.П. Казаков,
Н.А. Трушкова, А.В. Зайцев // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное
дело. — Пермь: Изд-во ПНИПУ. — №3, 2012. — с. 126-130.
9. Зайцев А.В. Разработка способов нормализации микроклиматических
условий в горных выработках глубоких рудников: дисс… канд. техн. наук. —
Пермь: 2013.