Факторы влияющие на вентиляционной системы глубоких горизонтов рудных шахт и их анализ управления

Неравномерная нагрузка мощных горно-обогатительных комплексов, изменяющиеся условия добычи и ряд других причин увеличивают неравномерный выброс технологических опасностей (метан, продукты сгорания взрывчатых веществ, пыль и т.д.) в рабочую атмосферу. По этой причине неравномерность в последнее время значительно возросла, в частности, из-за проявления суфлеров циклическим характером кровли (вышележащий массив). В шахтах технологические, особенно массивные взрывы приводят к длительным простоям блоков, горизонтов или шахты в целом.

Типичный пример неоднородности содержания метана в исходящем потоке механизированной лавовой шахты показан на рис. 1. Легко видеть, что концентрация метана в день меняется в 2,5-3,0 раза, в разные периоды времени добыча полезных ископаемых в 4,0 - 4,5 раза.

Точно так же количество воздуха, необходимого для разбавления и устранения технологических опасностей, изменяется в течение недели в 1,5–2,0 раза и связано с неравномерным поступлением продуктов сгорания взрывчатых веществ, выбросов пыли при бурении, погрузке и транспортировке руды для ряда другие причины.

Фактором, определяющим требуемый диапазон изменения производительности основного вентилятора, является отделение продуктов сгорания взрывчатых веществ от технологических взрывов (340 м3/с), в течение рабочей смены - выброс пыли при бурении, погрузке и транспортировке руды. (307 м3/с) и в интервале между сменами выходных газовых выбросов из ранее выбитой руды (196 и 172 м3/с соответственно). Каждый день в 7 часов утра на шахте проводится технологический взрыв 0,5-1,0 тонн взрывчатых веществ. Несовершенство вентиляции приводит к тому, что рабочая смена начинается всего через 9 часов, т. е. Продолжительность простоя непроизводственного оборудования составляет 1,0-1,5 часа.

Пример неравномерности выброса метана при продвижении лица из-за циклического коллапса вышележащих пород в зависимости от схемы вентиляции на месте раскопок. Видно, что текущий выброс метана в пределах добычи лавы варьируется в 2,5-3,0 раза [1].

Указанные нарушения в распределении технологических опасностей обуславливают необходимый диапазон и скорость изменения производительности основных вентиляторов шахт. Существующее на практике ежемесячное или ежеквартальное изменение режимов вентиляции приводит к значительному перерасходу тепловой и электрической энергии, простоям и невозможности эффективного перераспределения воздушных потоков между потребителями (блоками, лавами, горизонтами и т.д.) и поэтому не обеспечивает требуемый уровень безопасности горных работ.

Указанные подсистемы не нашли дальнейшего распространения по ряду причин:

• 1    - отсутствие в зарубежных странах управляемых на ходу вентиляторов основной вентиляции потребовало использования управляемого электропривода, имеющего низкие показатели эффективности, что привело к недопустимо низким показателям работы автоматизированной системы управления вентиляцией в целом;

• 2    - низкая концентрация добычи полезных ископаемых, что обусловило большое количество очистных и подготовительных граней, что требовало использования сложной системы управления и распределения воздуха, а также сложной математической поддержки и технической реализации;

• 3    - использование громоздких, ненадежных компьютерных технологий еще больше снизило общую надежность автоматизированной системы управления вентиляцией;

• 4    - в автоматизированной системе управления вентиляцией шахты использовались неэффективные алгоритмы и программы пропорционального управления распределением воздуха и.т.д.

Увеличение концентрации в горнодобывающей промышленности, создание и внедрение основных вентиляционных вентиляторов на ходу, распространение надежных систем автоматического регулирования газа (в том числе иностранных) в практике вентиляции шахты и быстрый рост использования компьютерных технологий (особенно промышленных контроллеров).создали основу для внедрения современных шахт за рубежом эффективных автоматизированных систем управления вентиляцией.

Эти задачи решаются с помощью реверсивных осевых вентиляторов со сменными и вращающимися лопастями рабочего колеса, аэродинамические характеристики одного из которых приведены на рис. 1.

Рисунок 1. Аэродинамические характеристики вентилятора

Вентилятор для работы на А1 или А2 может быть выполнен с лопастной системой рабочего колеса согласно аэродинамической конструкции АМ-15 или АМ-17А [2].

Контроль производительности, например, по выбросу метана, для характеристики сети А2 путем поворота лопастей рабочего колеса с 1 до 2 вентиляторов обеспечит изменение его производительности с Q1 на Q2 за время 120-180 с. Адаптация таких вентиляторов к повышенной потребности в воздухе (см. Рис. 1) или изменениям сопротивления вентиляционной сети (например, от А2 до А3) возможна путем замены лопастей рабочего колеса контура АМ-17А лопастями.согласно схеме AM-19A, в то время как лопасти вращаются при работе крыльчатки в течение 15-45, можно обеспечить изменение производительности вентилятора в диапазоне 180-410 м3 / с в течение 120180 с.

Выполнение требований вентиляционной маневренности невозможно без разработки и внедрения автоматизированной системы управления вентиляцией. Такая автоматизированная система управления, построенная на иерархической основе, состоит из необходимого количества локальных систем управления воздухораспределением нижнего уровня иерархии, автоматизированной системы управления основными вентиляторами и информационно-управляющей подсистемы высшего уровня.

В соответствии с описанной структурой первый уровень представлен локальными системами автоматического управления очистными сооружениями и подготовительными работами. Автоматизированная система управления этим уровнем перераспределяет воздушные потоки между горными выработками, воздействуя на регуляторы воздушного потока, положение которых контролируется соответствующими датчиками, а также автоматически контролирует концентрацию метана и воздушный поток на выходящих струях. Собранная информация отправляется менеджеру управления вентиляцией.

Беспокоящий эффект в локальной подсистеме в виде увеличения содержания метана на первом уровне устраняется самой локальной подсистемой путем плавного открытия собственной вентиляционной двери. Локальные системы стабилизации содержания метана на участках обработки и подготовки работают автономно в соответствии со специальными алгоритмами, разработанными на основе информации об аэродинамических характеристиках объекта как объекта управления и его газодинамических характеристик.

Второй уровень иерархии представлен системой автоматического управления установкой основного вентилятора, которая регулирует производительность основных вентиляторов на лету, поворачивая лопасти рабочего колеса, управляет возбуждением двигателя синхронного привода, а также автоматически управляет состояние установки основного вентилятора (температура двигателя и подшипников вентилятора вибрация вала и т.д.).

При значительных выбросах метана в горных выработках, когда возможности локальной подсистемы распределения воздуха исчерпаны, начинает работать система автоматического управления установкой основного вентилятора, что увеличивает количество воздуха, подаваемого в шахту. Взаимодействие между системой автоматического управления основным вентиляторным блоком и диспетчером управления кондиционером осуществляется по воздуху.

Полная картина состояния вентиляции шахты доступна на третьем уровне управления, который представлен несколькими подсистемами, которые взаимодействуют друг с другом и управляют работой систем более низкого уровня. Управляющий компьютер получает информацию о параметрах воздушных потоков в выработках шахты от подсистемы управления распределением воздуха, содержания метана в исходящих струях очистных и подготовительных выработок от подсистемы контроля содержания метана, а также информацию о работе Параметры основных вентиляционных вентиляторов по радиоканалу и данные о выбросах метана из выработанного пространства предоставлены подсистемой отдельного выхода газа.

Реверсирование и регулирование режима вентиляции осуществляется, когда вентилятор поворачивает лопасти крыльчатки между 15-1350 и 15-450, соответственно, в то время как полномасштабный эксперимент по реверсированию вентилятора VOD-21В на стенде показал, что для 40. ..70 с. производительность основных вентиляторов может изменяться от 100% в обратном направлении (рис. 2).

Снижение вероятности и продолжительности простоя при автоматизации управления вентиляцией обеспечивается непрерывным измерением, передачей и обработкой результатов измерения содержания метана во всех отходящих от метана струях с использованием подсистемы мониторинга содержания метана, которая создается на основе средств контроля метана.

Рисунок 2. Осциллограмма реверса вентилятора ВОД-21В

Подсистема управления распределением воздуха с помощью устройства связи с объектом, содержащим искробезопасный барьер, управляет исполнительными механизмами перераспределения воздуха, которые выполнены в виде управляемых вентиляционных дверей [3].

Важным звеном в автоматизированной системе управления вентиляцией шахты является подсистема автоматического управления установкой основного вентилятора, которая должна удовлетворять вышеуказанным требованиям для маневренности вентиляции.

Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации систем вентиляции и газового контроля показывает, что автоматизированное управление вентиляцией обеспечивает значительный экономический и социальный эффект благодаря: 1-сокращению времени простоя оборудования обработки и подготовки из-за загрязнения газом; 2-снижение потребления тепловой и электрической энергии; 3-повысить безопасность подземных горных работ по коэффициенту вентиляции.