Полный текст

Введение В Российской Федерации и в мире с каждым годом все более актуальным становится вопрос энергосбережения, в связи с чем во всех отраслях промышленности производится модернизация используемого оборудования, способов производства, технологии изготовления и иные мероприятия. Для горной промышленности, являющейся энерго- и ресурсоемкой, настоящий вопрос также является актуальным, и для его решения изыскиваются способы повышения энергоэффективности производства. Ввиду того что от 30 до 50 % всей потребляемой подземным горно-добывающим предприятием электроэнергии расходуется на проветривание [1], именно в этой области необходимо провести модернизацию с целью повышения энергоэффективности работы указанной отрасли промышленности. На подземных горнодобывающих предприятиях еще в 30-х гг. прошлого столетия предложено частичное повторное использование (рециркуляция) воздуха, когда определенная его часть, исходящая из шахты (рудника), снова отправляется на свежую струю [2-11]. В этом случае значительно снижаются затраты электроэнергии на работу главной вентиляторной установки (ГВУ). Также появляется возможность снизить затраты энергетических ресурсов при воздухоподготовке в холодное время года и избавиться в неглубоких шахтах и рудниках от необходимости применения в теплое время года системы кондиционирования воздуха, являющейся энергоемкой [12-14]. Ввиду того что в настоящее время все процессы в производстве стремятся перевести в автоматический или полуавтоматический (автоматизированный) режимы, именно в одном из них в работах [14-18] предложено управлять процессом проветривания с применением контура рециркуляции. С целью обеспечения энергосбережения при проветривании шахт и рудников, в которых применяется система рециркуляции, необходимо автоматизировать процесс управления воздухораспределением и осуществлять контроль работы всех элементов системы. Однако перед разработкой самого алгоритма управления необходимо рассмотреть все факторы, которые помимо энергосбережения будут влиять на самый главный - безопасность ведения горных работ. Осуществление проветривания рудника (шахты) с применением системы рециркуляции в нормальном и аварийном режимах В нормальном режиме проветривания при применении системы частичного повторного использования воздуха необходимо определить коэффициент рециркуляции, который согласно [19, 20] имеет зависимость где Qрец - объем рециркулирующего воздуха, м3/с; Qш - общий объем воздуха, поступающего в шахту (рудник), м3/с. В работе [15] поддерживать требуемый максимально допустимый коэффициент рециркуляции предлагается за счет управления скоростью вращения рабочего колеса рециркулирующего вентилятора (ωрец) в зависимости от текущего значения коэффициента рециркуляции (Kрец): где a и b - весовые коэффициенты уравнения. Для поддержания требуемых параметров рециркуляции в работе [15] также предлагается установить автоматические шахтные вентиляционные двери (АВД) в главных вентиляционных выработках. С точки зрения обеспечения энергосбережения эффективность подобного способа проветривания не вызывает сомнения. Однако в случае возникновения нештатной ситуации при применении указанного способа могут возникнуть определенные проблемы. Например, при пожаре в подземных горных выработках согласно [21] в течение 10 минут необходимо произвести реверсирование (смену направления) струи воздуха в шахте (руднике). В этом случае в течение указанного времени воздух продолжает двигаться в установившемся ранее направлении. После этого ГВУ включается в реверсивный режим, и воздух начинает по вентиляционному стволу поступать в шахту (рудник). Ситуация № 1. При реверсе струи в шахте (руднике), работающей по всасывающему способу проветривания с частичным повторным использованием воздуха, вышли из строя АВД, находящиеся в рециркуляционном контуре «горизонта» - остались в открытом положении (рис. 1, а). Рис. 1. Упрощенная схема проветривания рудника при применении системы рециркуляции: заклинивание АВД в открытом (а, б) и закрытом (в, г) положении: 1 - воздухоподающий ствол; 2 - выработанное пространство и добычные участки; 3 - главные вентиляционные выработки; 4 - рециркуляционный контур; 5 - рециркуляционный вентилятор; 6 - вентиляционный ствол; 7 - ГВУ; 8 - АВД; 9 - требуемое направление движения воздуха при реверсии; 10 - направление движения дымовых газов В этом случае до включения в реверсивный режим ГВУ, даже при выключенном рециркуляционном вентиляторе, часть исходящего из рудника воздуха будет поступать на свежую струю. Ввиду того что после возникновения пожара в исходящем воздухе могут присутствовать дымовые газы в опасной концентрации, подобная ситуация может стать опасной для жизни и здоровья горнорабочих, находящихся в шахте (руднике). Как уже было сказано, перевод ГВУ в реверсивный режим должен быть осуществлен не более чем за 10 минут, т.е. рассматриваемая ситуация не должна вызвать существенную опасность. Однако в работах [22, 23] установлено, что после реверса ГВУ изменяется направление движения воздуха только в вентиляционном стволе и главных вентиляционных выработках. Связано это с тем, что выработанные пространства в это время начинают играть роль источников тяги и в воздухоподающих стволах и выработках главных направлений воздух продолжает двигаться в том же направлении, установившемся ранее (см. рис. 1, б). Нетрудно заметить, что при заклинивании АВД в рециркуляционном контуре в открытом положении воздух из вентиляционного ствола будет поступать в выработанное пространство. Подобная ситуация будет способствовать увеличению времени перевода режима проветривания в реверсивный режим. В это время дымовые газы не только не будут выходить из подземной части горнодобывающего предприятия, но и в результате продолжения процесса горения будут в ней накапливаться [24-29]. Подобная ситуация возникает и в штатном режиме работы АВД. При попытке их закрыть на определенный угол увеличивается аэродинамическое сопротивление главных вентиляционных выработок, что станет препятствием в работе ГВУ. Исходя из этого следует, что при заклинивании АВД в открытом положении предложенная система автоматизации проветривания не защищает горнорабочих от возникновения нештатной ситуации (пожара в подземных горных выработках). Ситуация № 2. При реверсе струи в шахте (руднике), работающей по всасывающему способу проветривания с частичным повторным использованием воздуха, вышли из строя АВД в закрытом положении. Как было указано ранее, заклинивание АВД в открытом положении, по сути, является штатным режимом работы и как не препятствует режиму реверсирования струи, так и не способствует ему. Куда более опасная ситуация возникает при заклинивании АВД в закрытом положении. В этом случае через рециркуляционный контур воздух из вентиляционного ствола напрямую начнет поступать в выработки главных направлений и воздухоподающий ствол (см. рис. 1, в). При этом до смены направления движения воздуха в воздухоподающих стволах за счет заполнения выработанного пространства очаг пожара в горных выработках будет снабжаться свежим воздухом. При смене направления движения струи воздуха в воздухоподающих стволах дымовые газы пойдут через них на поверхность (см. рис. 1, в), т.е. заполнят все горные выработки, в которых будут находиться люди. Еще более опасная ситуация возникает, когда пожар образуется в околоствольном дворе воздухоподающего ствола или в нем самом. В этом случае шанса, что под землей останутся горные выработки, изолированные от попадания в них дымовых газов, в которых отсутствуют горнорабочие, практически не остается. Ситуация заклинивания АВД в закрытом положении опасна и в нормальном режиме проветривания, так как в этом случае будет перекрываться доступ к основному, а иногда единственному источнику проветривания - ГВУ, осуществляющей подачу воздуха в рудник (шахту). При этом воздух из воздухоподающих стволов через рециркуляционный контур начнет поступать напрямую в вентиляционный ствол, минуя добычные участки с горнорабочими. При реверсе ГВУ также через рециркуляционный контур воздух направится в воздухоподающий ствол, нарушив воздухораспределение в выработках (см. рис. 1, г). После выхода воздуха из выработанного пространства направить в выработки свежий воздух будет невозможно, так как он в любом случае при включении ГВУ в нормальном (нереверсивном) режиме пойдет по кратчайшему пути из воздухоподающих стволов в вентиляционный через рециркуляционный контур либо в обратном направлении. Рассмотренные ситуации указывают на то, что при использовании АВД в главных вентиляционных выработках и системы рециркуляции воздуха можно добиться снижения затрат энергоресурсов на проветривание за счет уменьшения производительности ГВУ и общего объема поступающего в шахту (рудник) воздуха (на воздухоподготовку). При возникновении нештатной ситуации, например пожара, указанная система проветривания в некоторых случаях создаст опасные условия для жизни и здоровья горнорабочих. Предлагаемый способ автоматизации проветривания с использованием системы рециркуляции Как было указано ранее, обеспечению безопасности при возникновении нештатной ситуации (при пожаре) в системе с использованием рециркуляции препятствует два фактора: выработанное пространство в подземной части горно-добывающего предприятия, начинающее играть роль источника тяги при реверсии ГВУ, и наличие изолирующих устройств (АВД) в главных вентиляционных выработках в случае выхода их из строя. Эти же факторы, но в меньшей степени, будут влиять на безопасность в системе проветривания без частичного повторного использования воздуха. Кроме того, наличие в главных вентиляционных выработках АВД, которые в процессе выхода из строя могут преградить путь для подачи воздуха в рабочие зоны, делает опасным их применение и в штатном режиме проветривания. Повысить степень безопасности при обеспечении энерго- и ресурсосбережения процесса проветривания и воздухоподготовки за счет системы рециркуляции можно, если АВД располагать не в главных вентиляционных выработках, а в выработках главных направлений (рис. 2) [30]. Рис. 2. Схема проветривания рудника при использовании системы рециркуляции по предлагаемому способу: 1 - ГВУ; 2 - вентиляционный ствол; 3 - здание шахтной калориферной установки (ШКУ); 4 - вентилятор ШКУ; 5 - теплообменник ШКУ; 6 - рециркуляционный вентилятор; 7 - главные вентиляционные выработки; 8 - автоматические вентиляционные двери; 9 - датчик расхода воздуха; 10 - датчики состава воздуха; 11 - датчики давления и температуры (или плотномер); 12 - выработки главных направлений; 13 - калориферный канал; 14 - воздухоподающий ствол; 15 - поступающий воздух; 16 - выдаваемый воздух; 17 - рециркуляционный воздух; 18 - добычные участки; 19 - требуемое направление движение воздуха при реверсе ГВУ В штатном режиме система будет осуществлять частичную подачу воздуха, исходящего из рудника (шахты) обратно на свежую струю. Объемный расход рециркулируемого воздуха будет зависеть от степени его загрязненности (определяется датчиками состава воздуха 10 на рис. 2). В отличие от рассматриваемой ранее системы проветривания, производительность ГВУ будет регулироваться с учетом действия общерудничной (общешахтной) естественной тяги (тепловой депрессии), возникающей между шахтными стволами. Как было установлено в работах [31-34], при подобном способе управления можно добиться сокращения затрат на проветривание от 11 до 32 % (для калийных рудников). В этом случае АВД находятся в открытом положении, а управление воздухораспределением осуществляется за счет использования вентиляторов или изолирующих устройств на участках. Режим работы системы и необходимость реверса ГВУ определяются заранее в зависимости от места возникновения пожара в период проведения плана ликвидации аварий. Соответствующая информация заносится в память программируемого контроллера (ПЛК), который (которые) будет управлять процессом проветривания. Сигнал на закрытие АВД поступает с ПЛК в момент, когда необходимо в руднике (шахте) обеспечить реверсивный режим проветривания. С целью предотвращения пневмоудара АВД закрываются плавно, преграждая тем самым путь движению воздуха в выработанное пространство через воздухоподающие стволы. Рециркуляционная установка в это время продолжает работать. При этом включаются (в реверсивном режиме) отключенные в теплое время года либо переводятся в реверсивный режим включенные в холодное время года нагнетательные вентиляторы шахтных калориферных установок. Указанные мероприятия позволяют изменить направление движения воздуха в воздухоподающих стволах и в выработках главных направлений (до АВД) в требуемую сторону (см. рис. 2). После закрытия АВД за ними образуется зона пониженного давления и возникнет депрессия, действующая встречно направлению движения воздуха, поступающего в выработанное пространство и добычные участки. При этом выработанное пространство будет наполняться воздухом, поступающим со стороны ГВУ, т.е. в главных вентиляционных выработках воздух будет двигаться в требуемом направлении, после чего отключится рециркуляционная установка. Как только в воздухоподающих стволах и выработках главных направлений будет обеспечен реверс струи, АВД начнут открываться, в результате чего возникнет тяга, действующая в требуемом направлении, т.е. в сторону воздухоподающих стволов. Угол открытия рассчитывается заранее и определяется уровнем сигнала с ПЛК. В этом случае влияние выработанных пространств на процесс проветривания при реверсе ГВУ будет сведено к минимуму, в результате чего в руднике (шахте) воздух в кратчайший срок начнет двигаться в требуемом направлении. Безопасные условия труда для горнорабочих в случае использования предлагаемого способа, при штатном режиме работы АВД и системы автоматизации рециркуляции, будут обеспечены как в нормальном, так и аварийном режимах работы системы проветривания шахты (рудника). Энергосбережение при проветривании будет обеспечиваться не только за счет использования рециркуляции, но и в процессе регулирования режима работы ГВУ с учетом действия общерудничной (общешахтной) естественной тяги. Работа предлагаемой системы проветривания в случае возникновения отказов оборудования Ввиду того что АВД в предлагаемой системе автоматизации проветривания в штатном режиме находятся в открытом положении, они не могут оказать какого-либо влияния на процесс воздухораспределения между выработками. Если предположить, что по причине отказа АВД закроются, то подобная ситуация не вызовет угрозу для горнорабочих при определении следующего алгоритма работы системы. При заклинивании АВД в закрытом положении воздух будет продолжать двигаться в требуемом направлении до тех пор, пока не будет полностью заполнены пустоты выработанного пространства. Для увеличения продолжительности периода проветривания в подобном режиме ГВУ можно перевести на пониженную производительность (соблюдая условия безопасности по обеспечению рудника свежим воздухом), а рециркуляционную установку отключить. До тех пор, пока датчик расхода воздуха в рециркуляционном контуре не покажет смену направления движения воздуха в сторону воздухоподающих стволов, ГВУ может работать в установленном режиме. Изменение (снижение скорости движения воздуха до 0) направления движения воздуха в рециркуляционном контуре будет свидетельствовать о том, что все запасы воздуха, содержащиеся в выработанном пространстве, были выданы на поверхность, т.е. о ситуации, когда воздух в вентиляционный ствол начинает поступать из воздухоподающих стволов, минуя добычные участки. В этом случае ГВУ и рециркуляционную установку необходимо перевести в реверсивный режим, в результате чего свежий воздух направится в горные выработки. Наиболее вероятная ситуация, представляющая наибольшую опасность, возникнет, если АВД заклинит в закрытом положении во время перевода системы вентиляции в реверсивный режим. В этом случае движение свежего воздуха навстречу горнорабочим будет осуществляться до заполнения выработанного пространства в течение от 40 мин до 2 часов [22, 23]. За данный промежуток аварийная ситуация (с АВД и/или возгоранием) может быть полностью устранена. Однако ввиду того что АВД в предлагаемом способе используются только для создания аэродинамического сопротивления на участке поступления воздуха из воздухоподающих стволов в выработанное пространство, их конструкция может быть выполнена таким образом, чтобы закрывающиеся части двери не перекрывали полностью горную выработку. В этом случае влияние выработанного пространства на процесс проветривания также будет снижено, но будут полностью обеспечены условия для безопасного ведения горных работ в случае выхода из строя АВД. Заключение Предложенный способ автоматизации позволит осуществлять проветривание в энерго- и ресурсосберегающем режимах за счет частичного повторного использования воздуха (рециркуляции) и положительного действия общерудничной (общешахтной) естественной тяги, но при соблюдении условий безопасности ведения горных работ. Расположение АВД в выработках главных направлений позволит избежать влияния выработанных пространств на проветривание в момент реверсии струи. Заклинивание АВД в открытом положении как в штатном, так и в аварийном режимах проветривания практически не окажет влияния на безопасность работы в руднике (шахте). Единственная угроза - заклинивание АВД в закрытом положении при осуществлении реверса. Для обеспечения безопасности условий труда при подобной неисправности достаточно обеспечить условия неполного перекрытия АВД сечения выработки либо создать условия, при которых подобная авария будет устраняться за время заполнения выработанного пространства свежим воздухом (40 мин - 2 часа).

Об авторах

Александр Викторович Николаев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikolaev0811@mail.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

Николай Иванович Алыменко

Горный институт Уральского отделения Российской академии наук

Email: nik.alymenko@yandex.ru
614007, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

Михаил Чехлар

Технический университет Кошице

Email: michal.cehlar@tuke.sk
04200, Словакия, г. Кошице, ул. Летна, 9

Юрай Яночко

Технический университет Кошице

Email: juraj.janocko@tuke.sk
04200, Словакия, г. Кошице, ул. Летна, 9

Даниил Николаевич Алыменко

АО «ВНИИ Галургии»

Email: mail@gallurgy.ru
614002, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 94

Виктор Александрович Николаев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: nikolaev.va.pstu@mail.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский пр., 29

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 235

PDF (Russian) - 144

PDF (English) - 28

Ссылки

• Ссылки не определены.