Программа расчета вентиляционных режимов в шахтах и рудниках

Д.Ю. Палеев, д.т.н., О.Ю. Лукашов, к.ф-м.н., Институт Угля и Углехимии СО РАН

От правильно выбранного режима проветривания шахты зависит производительность очистных и подготовительных участков, эффективность всех профилактических мероприятий, осуществляемых для предотвращения самонагревания угольных скоплений в выработанных пространствах и предотвращение формирования взрывоопасных концентраций метана в горных выработках. Для расчета нормальных и аварийных вентиляционных режимов разработан программный комплекс «Рудничная аэрология (Вентиляция)».

Входе ведения горноспасательных работ грамотно выбранный аварийный режим может содействовать успеху спасательных операций и тушению пожара, или, наоборот, вентиляционная струя, проходя через очаг горения, будет переносить ядовитые и удушливые газы и отравлять рудничную атмосферу, блокируя выход людей за пределы аварийного участка.

Программный комплекс «Рудничная аэрология (Вентиляция)», в основе которого лежит пространственная математическая модель топологии сети горных выработок, позволяет рассчитывать распределение расхода воздуха, депрессию и вентиляционное давление в сети горных выработок любой сложности, с учетом произвольного количества источников движения воздуха (рис. 1).

В качестве источников движения воздуха выступают:

- главные поверхностные вентиляторные установки;

- вспомогательные подземные вентиляторные установки;

- вентиляторы местного проветривания;

- естественная тяга (гравитационные источники).

Можно задавать и другие источники движения: воздушные завесы, эжекторы, генераторы газов, воздушные компрессоры, вакуумные насосы. Для этого предусмотрено несколько способов задания рабочих характеристик источников движения воздуха. Разработан оригинальный графический редактор, позволяющий добавлять, изменять и генерировать графические модели вентиляторов и помещать их в базу данных для внедрения в расчетную математическую модель вентиляционной сети. Можно просматривать и производить анализ пространственной сети выработок, решать задачи планов ликвидаций аварий и т.д.

Программный комплекс «Вентиляция» обеспечивает:

- формирование пространственной топологии горных выработок;

- формирование графической базы данных характеристик вентиляторов;

- установку в сети выработок вентиляторных установок главного и местного проветривания, вентиляционных и взрывозащитных сооружений, людей и условных обозначений с указанием параметров, характерных для каждого типа объектов;

- установку очага пожара и расчет тяговых характеристик очага с учетом возможности распространения в смежные выработки и формирования пожарной зоны (рис. 2);

- формирование специализированных групп выработок по принадлежности к пластам, позициям планов ликвида-ций аварий, типам выработок и группам выработок;

- комплексный анализ целостности сети выработок и проверку параметров установленного оборудования и сооружений;

- объединение вентиляционных сетей нескольких шахт в единую сеть;

- просмотр сети горных выработок на топологической (трехмерной) схеме;

- просмотр и редактирование технологической схемы, представляющей проекцию сети выработок на произвольную плоскость и максимально приближенной к плану горных работ;

- печать технологической схемы в произвольном масштабе на носителях любых типоразмеров, включая широкоформатные графопостроители;

- печать исходных данных, результатов вычислений и текстовой части плана ликвидации аварий. Программный комплекс «Вентиляция» решает задачи потокораспределения по трем основным направлениям:

1. Моделирование нормальных вентиляционных режимов, в том числе прогнозирование состояния проветривания шахты без учета аварийной ситуации. Все расчеты можно вести с учетом тепло- и газопереноса по горным выработкам.

2. Моделирование аварийных вентиляционных режимов, предусматриваемых планом ликвидации аварии. С помощью этих режимов, вводимых в действие в момент возникновения аварии, обеспечивается безопасный вывод людей из аварийного участка или всей шахты на поверхность, предотвращение или уменьшение распространения продуктов горения в другие выработки шахты, выполнение первоочередных мер по тушению пожара.

Реализованы следующие режимы:

- аварийное воздухораспределение при возникновении пожара с учетом тепло- и газопереноса;
- общешахтное или местное реверсирование проветривания с включением, отключением или реверсирования одного или нескольких вентиляторов;

- нулевой режим проветривания (все вентиляторы остановлены) с учетом тепло- и газопереноса;

- расчет устойчивости проветривания при изменении сопротивления в заданных выработках при открытии или закрытии дверей (шлюзов);

- пакетный расчет устойчивости проветривания наклонных выработок при пожаре;

- расчет времени движения людей в свежей и задымленной среде при ведении горноспасательных работ и выходе горнорабочих из аварийного участка с возможностью автоматического поиска кратчайших путей.

3. Моделирование вентиляционных режимов, предусматриваемых оперативным планом ликвидации аварии. Назначение этих режимов - способствовать успешным действиям горноспасателей, не допускать распространения пожара на соседние участки выработок, содействовать эффективному применению средств пожаротушения и быстрейшему завершению работ по ликвидации аварии.

В дополнение к режимам, перечисленным в п. 2, программный комплекс «Вентиляция» позволяет моделировать:

- закорачивание вентиляционных потоков, содержащих пожарные газы;

- инертизацию выработок аварийного участка;

- движение горноспасателей по кратчайшим маршрутам
при разведке, транспортировке пострадавших и при ликвидации аварии с учетом временного фактора, задымлен-ности, угла наклона и проходимости горных выработок. Моделирование вышеперечисленных аварийных вентиляционных режимов позволяет выполнять целый комплекс исследований по обеспечению аэрологической безопасности в ходе ведения аварийно-спасательных работ. Можно проверять эффективность принятых в плане ликвидации аварии вентиляционных режимов и рассчитывать устойчивость проветривания подземных выработок с учетом прогрева/остывания пожарных газов по пути их следования. Можно проводить расчет минимально допустимого расхода воздуха для проветривания изолируемого участка, исключающего взрыв в процессе возведения перемычек.

Определять рациональные пути выхода в безопасную зону людей, застигнутых аварией, и маршруты движения аварийно-спасательных формирований (рис. 3).

Объем вычислений, проводимых в ходе ликвидации аварии, зависит от ситуации, особенностей изолируемых выработок, количества возводимых перемычек и технической оснащенности ВГСЧ. Возможности программного комплекса «Вентиляция» позволяют быстро проводить многовариантные расчеты для выбора наиболее эффективных в конкретной аварийной ситуации способов и средств пожаротушения, выбора последовательности изоляции аварийного участка, его инертизации и т.д. На основании проведенных расчетов можно делать прогноз развития событий и вырабатывать последовательность действий ВГСЧ для быстрого и безопасного завершения работ по ликвидации аварии.

В основу программного комплекса положены отображаемые на дисплее компьютера два варианта схем графического отображения сети горных выработок: топологическая и технологическая схемы, каждая из которых решает свой круг задач.

Топологическая схема представляет собой трехмерную модель сети горных выработок шахты (рис. 4). Схему можно масштабировать и вращать для выбора необходимого ракурса и изучения структуры сети выработок.

Поддерживается несколько режимов раскраски ветвей (цветовые подсветки): стандартный режим, по пластам, по позициям ПЛА, по типам выработок, по категориям реверса, свежая/исходящая и свежая/задымленная. С помощью инструментов главного окна любая ветвь может быть отнесена к тому или иному пласту (позиции ПЛА, типу выработки, категории реверса).

Каждая группа выработок может быть создана и названа пользователем самостоятельно, ей может быть присвоен собственный цвет и заданы дополнительные параметры, влияющие на отображение ветви на схемах или результаты расчетов. При включении на схеме определенного режима раскраски каждая выработка окрашивается в цвет соответствующей группы. При необходимости любая группа может быть временно скрыта.

При включении режимов «свежая/исходящая» и «свежая/задымленная» пользователь оперативно может провести анализ участков со свежими, исходящими или задымленными струями воздуха, т.к. все эти участки будут выделены определенными цветами.

Технологическая схема представляет собой проекцию пространственной сети горных выработок на плоскость. По умолчанию таковой является горизонтальная плоскость, параллельная поверхности земли. Проекция строится автоматически в заданном топографическом масштабе на основе введенных ранее координат X, Y. (рис. 5).

Технологическая схема представляет собой мощный редактор сети горных выработок, который предоставляет следующие возможности:

- просмотр сети горных выработок в проекции на любую плоскость (по умолчанию на плоскость XY) в соответствии с заданным топографическим масштабом;

- опциональный показ оборудования, сооружений и их параметров: вентиляторов, перемычек, условных обозначений, направления движения воздуха, номеров, названий, результатов вычислений и т.д.;

- раскраска ветвей в соответствии с их принадлежностью к специализированным группам: пластам, позициям ПЛА, типам выработок, категориям реверса;

- временное скрытие групп выработок (пластов, позиций ПЛА, типов выработок, категорий реверса);

- раскраска ветвей по признаку свежая/исходящая и свежая/задымленная;

- редактирование объектов схемы;

- редактирование текстовых блоков;

- поиск любых объектов;

- поддержка произвольного количества вариантов схемы;

- интеллектуальная разбивка схемы на страницы при печати на носителя малых типоразмеров;

- печать отдельных страниц схемы, всей схемы или выделенных объектов схемы с предварительным просмотром;

- экспорт технологической схемы в графический файл;

- настройка и сохранение цветовых схем технологической схемы.

В программном комплексе «Вентиляция» реализована поддержка нескольких вариантов технологических схем для шахты. Схемы могут различаться видом, раскраской, набором выводимых параметров, но топология (связи ветвей и узлов) для всех вариантов всегда одинакова. Вариант схемы создается посредством проекции пространственной топологии горных выработок на плоскость или самостоятельным формированием вида. Варианты схем помогают упростить обзор сети шахты в разных ситуациях (нормальная эксплуатация шахта, аварийная ситуация и т.д.), оперативно выбирая проекции и настройки вида и параметров.

На технологической схеме можно быстро производить поиск любых объектов: ветвей, узлов, вентиляторных установок, вентиляционных и взрывоустойчивых сооружений, позиций ПЛА, очага пожара, текстовых блоков, людей, условных обозначений. При поиске область просмотра технологической схемы перемещается к искомому объекту, изображение которого начинает мигать.

Программный комплекс позволяет распечатать или сохранить (экспортировать) изображение двухмерной сети горных выработок в графический файл одного из трех стандартных форматов: BMP, JPEG или EMF.

При нормальных технологических процессах можно осуществлять проверки устойчивости проветривания в результате разрушении вентиляционных сооружений, выявлять «узкие места» в проветривании и разрабатывать мероприятия по их устранению, разрабатывать мероприятий по обеспечению проветривания выработок шахты с учетом программы развития горных работ, пополнять и корректировать базу данных аэродинамических показателей элементов вентиляционной сети.

По совокупности функциональных возможностей и решаемых задач программный комплекс «Вентиляция» является уникальной разработкой, направленной на повышение безопасности жизнедеятельности горнодобывающих предприятий. Расчетный блок комплекса обеспечивает решение широкого набора вентиляционных задач, функциональные возможности упрощают работу, используемые пространственные подходы дают высокую степень информативности.

Программный комплекс «Вентиляция» установлен и используется на всех угольных шахтах России, в ВГСЧ угольной промышленности, рудниках компании «АЛРОСА» и проектных институтах.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2007, стр.20