автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Обоснование эффективных режимов оперативного автоматического управления вентиляцией газовых шахт

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Актуальность автоматического управления воздухораопределением на выемочном участке.

1.2. Состояние вопроса автоматизации и управления проветриванием. Обзор математических моделей участков и алгоритмого управления.

1.3. Анализ существующих методов и средств непрерывного контроля концентрации метана.

1.4. Постановка задачи исследования.

Выводы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА.*.

2.1. Факторы, влияющие на инерционность датчиков.

2.2. Анализ динамических характеристик датчиков.

2.3. Экспериментальное исследование динамических характеристик серийно выпускаемых датчиков концентрации метана.

2.4. Моделирование динамических характеристик датчика ДМТ-3 на ЭВМ.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА МОДЕЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ

АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИТУАЦИЕЙ С УЧЕТОМ

ИНЕРЦИОННЫХ СВОЙСТВ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ.

3.1. Подход к моделированию

3.2. Выбор адекватной аналитической модели описания аэрогазодинамики выемочного участка.

3.3. Оценка диапазонов изменения инерционности средств контроля при моделировании.

3.4. Разработка алгоритма моделирования процесса управления расходом воздуха.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНЕРЦИОННОСТИ СРЕДСТВ

КОНТРОЛЯ МЕТАНА НА ПРОЦЕСС УПРАВЛЕНИЯ

АЭРОГАЗОДИНАМИКОЙ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА. ПО

4.1. Методика исследования. ПО

4.2. Анализ результатов моделирования.

4.3. Установление зависимости приращения расхода воздуха от интервала регулирования и инерционности средств контроля.

4.4. Обоснование эффективных режимов регулирования расходами воздуха.

4.5. Экономическая эффективность использования рекомендаций по изменению инерционности датчиков концентрации метана.

Выводы.

В отчетном докладе ЦК ЬКП перед ХП съездом партии был поставлен вопрос о решительном курсе интенсификации народного хозяйства, которая базируется на ускоренном внедрении современных достижений научно-технического прогресса.

Внедрение комплексной механизации и автоматизации производственных процессов обеспечивает постоянное повышение производительности труда, эффективности и качества производства, что особенно важно .для угольной промышленности, развитие которой определяет успешную работу важнейших отраслей народного хозяйства.

Совершенствование технологии:выемки угля, применение мощных высокопроизводительных машин и механизмов обуславливает значительное повышение темпов ведения горных работ и, следовательно, увеличение поступления в рудничную атмосферу различных вредных примесей: пыли, метана, газообразных продуктов взрывных работ и т.д. В связи с этим одним из основных факторов, определяющих безопасность и комфортность условий труда подземных рабочих в угольной промышленности, является проветривание шахт.

На настоящем этапе существуют три качественно различных подхода к решению задачи повышения эффективности проветривания. Первый предусматривает регулирование расхода воздуха шахтной вентиляционной сети с целью установления требуемого вентиляционного режима на выемочных участках с помощью системы управления проветриванием .

Второй подход ориентирован на безлюдную выемку полезного ископаемого в условиях инертной среды при значительной концентрации метана в шахтной атмосфере.

Третий рассчитан на нейтрализацию СН^ биохимическими и физико-химическими методами.

На основе выполненных исследований аэрогазодинамических процессов в шахтных вентиляционных сетях, разработанных методов, алгоритмов, технических средств централизованного контроля параметров рудничной атмосферы и регулирования расхода воздуха осуществляется поэтапное внедрение систем управления проветриванием шахт.

Имеющиеся к настоящему времени алгоритмы отличаются подходом исследователей к математическому описанию выемочных участков как объектов управления вентиляцией и характеризуются различной оперативностью изменения расходов воздуха. С другой стороны,вопрос влияния технических характеристик средств контроля концентрации метана на работу алгоритма оперативного управления вентиляцией является неизученным.

В связи с этим задача по обоснованию режима оперативного управления вентиляцией, обеспечивающего своевременную ликвидацию загазований технологического характера и позволяющего наряду со снижением средних расходов воздуха обеспечить рациональное их использование на выемочных участках, является актуальной и имеет большое социальное и экономическое значение.

Целью настоящей работы является обоснование эффективных режимов оперативного управления вентиляцией выемочных участков газовых шахт в зависимости от динамических характеристик средств контроля концентрации метана.

Идея работы заключается в учете инерционности датчика концентрации метана при обосновании режима управления вентиляцией, являющегося эффективным в плане нормализации атмосферы по метану и рационального использования подаваемого на выемочные участки воздуха.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

- установлена инерционность датчиков концентрации метана, работащих в режиме оперативного контроля в системе автоматического управления проветриванием;

- установлено методом математического моделирования процесса управления вентиляцией выемочного участка, что динамика расходов воздуха существенно определяется взаимосвязью инерционности датчика и временем регулирования: при времени регулирования, исчисляемом порядком десятка минут и часами, влияние инерционности практически не проявляется, при уменьшении времени регулирования до пяти минут и менее влияние инерционности датчика велико и должно обязательно учитываться в процессе управления;

- установлены впервые статистические зависимости распределения расходов воздуха на выемочном участке и зависимость среднестатистического расхода воздуха от величины инерционности датчика концентрации метана.

Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, обоснована:

- использованием большого объема статистических данных .для определения законов распределения параметров колебаний концентрации метана в исходящих струях выемочных участков ш. "Коммунист";

- удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования процесса оперативного управления вентиляцией выемочных участков с практическими данными оценки газодинамической ситуации в исходящих струях участков.

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей распределения расходов воздуха на выемочном участке и среднестатистического расхода воздуха от величины инерционности датчиков концентрации метана.

Практическое значение работы заключается в разработке требований к характеристикам средств контроля концентрации метана в различных технологических условиях при автоматическом оперативном управлении вентиляцией, обеспечивающих эффективное управление вентиляцией выемочных участков газовых шахт.

Результаты .диссертационной работы использованы в "Техническом задании на проектирование системы автоматического управления вентиляцией ш. "Коммунист" ПО "Октябрьуголь" и "Техническом проекте системы автоматического управления вентиляцией ш. "Коммунист" ПО "Октябрьуголь", на основе которых институтом "Гипроуглеавтома-тизация" и Московским горным институтом разрабатывается опытно-промышленный образец указанной системы.

Расчетный экономический эффект по фактору сокращения простоев добычных забоев при оперативном управлении вентиляцией выемочных участков составляет 137,9 тыс.руб. в год.

Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и были одобрены на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов" (г.Кохтла-Ярве, 27-30 июня 1983 г.).

По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи.

Автор выражает особую благодарность проф., докт. техн.наук Л.А.Пучкову за консультации и большую методическую помощь в течение всего периода выполнения диссертационной работы, а также признательность сотрудникам лаборатории газовой защиты ИГД имени А.А.Скочинского и кафедры Автоматизированных систем управления Московского горного института за помощь в выполнении экспериментальных работ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЫВОДЫ

1. Проведено моделирование регулирования расходов воздуха на выемочном участке при различных значениях коэффициентов, определяющих приращение расходов воздуха и зависящих от интервала регулирования и инерционности средств контроля концентрации метана.

2. Установлена зависимость приращения расходов воздуха от величин основных влияющих параметров, зависящих от интервала регулирования и инерционности средств контроля.

3. Установлена зависимость приращения расходов воздуха на выемочном участке от интервала регулирования и инерционности средств контроля.

4. Определены требуемые значения интервала регулирования и инерционности средств контроля концентрации метана, обеспечивающие максимально эффективные режимы управления вентиляцией выемочных участков.

5. Разработаны требования к значениям интервала регулирования и инерционности средств контроля в зависимости от динамики газовыделения на выемочном участке.

6. Разработаны рекомендации, предназначенные .для использования при разработке технических средств контроля и регулирования газового режима угольных шахт.

7. Произведен ориентировочный расчет экономической эффективности использования разработанных рекомендаций и показано, что экономический эффект .для шахты с производительностью 980,9 тыс. тонн в год составляет 137,9 тысяч рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи обоснования эффективных режимов оперативного автоматического управления вентиляцией выемочных участков газовых шахт в зависимости от динамических характеристик средств контроля концентрации метана.

Основные научные выводы и результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано, что существующие алгоритмы управления вентиляцией выемочного участка не имеют системной завершенности, так как не учитывают взаимного влияния технологических условий отработки пластов и технических средств в системе автоматического управления проветриванием.

2. Установлена инерционность датчиков концентрации метана, работающих в режиме оперативного контроля в системе автоматического управления проветриванием.

3. Методом математического моделирования процесса управления вентиляцией выемочного участка показано, что динамика расходов воздуха существенно определяется взаимосвязью инерционности датчика и временем регулирования: при времени регулирования, исчисляемого порядком десятка минут и часами, влияние инерционности практически не проявляется, при уменьшении времени регулирования до пяти минут и менее, влияние инерционности датчика велико и должно обязательно учитываться в процессе управления.

4. Установлены статистические зависимости распределения расходов воздуха на выемочном участке и зависимость среднестатистического расхода воздуха от величины инерционности датчика концентрации метана.

5. Показано, что характеристики существующих средств контроля удовлетворяют требованиям ОУВ в ограниченных технологических условиях при относительно низких уровнях и невысокой динамике газовыделения на выемочном участке.

6. Разработаны требования к характеристикам средств контроля концентрации метана в различных технологических условиях при автоматическом оперативном управлении вентиляцией.

7. Практическое использование разработанных рекомендаций позволяет увеличить эффективность регулирования вентиляцией на выемочном участке и повысить на этой основе эффективность вентиляции как средство борьбы с метаном в угольных шахтах.

8. Рекомендации по обоснованию эффективных режимов автоматического оперативного управления вентиляцией выемочных участков газовых шахт приняты к использованию при создании системы автоматического управления вентиляцией шахты "Коммунист" ПО "Октябрьуголь"

1. Метод оценки аэродинамических условий пожароопасности выработанных пространств. (Л.А.Пучков, К.З.Ушаков), доклад на международной конференции по безопасности работ в горной промышленности (Донецк, 1971 г.)

2. А.А.Мясников. Проветривание горных выработок при новых способах выемки угля. М., Недра, 1966г.

3. А.Т.Айруни, Ю.И.Бессонов. Экономическая эффективность борьбы с рудниковыми газами методом вентиляции и дегазации. Москва, 1971 г.

4. Л.А.Пучков. Аэродинамические основы оперативного управления вентиляцией высокопроизводительных газовых шахт. Дисс. докт.техн.наук. -М., 1973, 386 с.

5. Создать систему диспетчерского управления проветриванием шахт (отчет) /МакНИИ Шифр темы 2-72 Макеевка - Донбасс 1972-210с/

6. Н.Н.Петров, П.Н.Ермолаев, П.Т.Пономарев. Электронные модели системы автоматического модуля проветриванием шахт (ВУГП)

7. В кн.: Автоматическое управление в горном деле Новосибирск: Б.И., 1971, с. 23-49.

8. В.А.Бойко, А.А.Литвиненко. Перспективы и принципы построения систем диспет. и авт. у-я проветривания рудников Кривбасса и их матем. обеспечение. Днепропетровск, 1976 с.28.

9. Автоматическое управление в горном деле. Об экономической эффективности улучшения режимов работы шахтн. вент, установок. Н.Н.Петров Новосибирск: Б.И. -1971, с.85-89.

10. Г.Л.Питида. Анализ совместно работы шахтных вентиляторов: М.: Недра, 1976 206 с.

11. Автоматизация шахтных вентиляторных установок. Б.Х.Богополь-ский и др. Москва: Недра, 1976, 360с.

12. Разработка автоматизированной системы управления производством (АСУП) шахты: Этап I (отчет) ДЛИ Шифр темы х/т 73-70;73064245 Донецк 1973, - 338с.

13. Опытно-промышленная эксплуатация и экспериментальные исследования системы диспетчерского контроля шахты "Молодогвардейская" (отчет ДЛИ. Шифр темы х/т 76-133; 76038309 Донецк* 1976, 93с.

14. Разработка типового технического задания на создание АСУП шахты (отчет). Донецкий угольный институт. Шифр темы •№ 26, подтема 5 Донецк, 1973 г.

15. Ф.С.Клебанов. Научные основы аэродинамического управления газовым режимом в вентиляционных сетях угольных шахт. Автореф. дис. . докт.техн.наук. -М., 1971, - 40 с.

16. Ф.С.Клебанов. Аэродинамическое управление газовыми режимами в шахтных вентиляционных сетях. М., Наука, 1974, 135 с.

17. Ф.А.Абрамов, В.А.Бойко. Автоматизация проветривания шахт. Киев; Наукова думка, 1967, 310 с.

18. Ф.А.Абрамов, В.А.Бойко, Б.Е.Грецингер, Г.А.Шевелев. Изменение концентрации метана в исходящей струе из участка при регулировании подачи воздуха. В сб.: Аэрогазодинамические процессы на выемочных участках угольных шахт. - Киев, 1965, с.12-14.

19. Р.Э.Капиев. Исследование выемочного участка как объекта контроля и управления метановыцелением. Дисс. . канд.техн. наук. - Макеевка, 1968, - 198 с.

20. И.О.Касимов, И.А.Попов. Физическая сущность и некоторые за** кономерности переходных газодинамических процессов на выемоч~ ных участках шахт Донбасса. В ст.: Аэрогазоцинамические процессы на выемочных участках угольных шахт. - Киев, 1965, с. 3 - 8.

21. Л.П.Фельдман, В.А.Святный. Переходные газодинамические процессы в выработанном пространстве при изменении режима проветривания участка. В сб.: Разработка месторождений полезных ископаемых. - Киев: Наукова думка, 1965, вып.4, с. 92-101.

22. Ф.А.Поляков. Исследование и разработка безопасных методов регулирования вентиляцией выемочных участков газовых шахт. Дисс. канд.техн.наук. -М., 1974, 203 с.

23. Л.П.Фельдман. Исследование динамики и синтез систем автоматического управления проветриванием газовых шахт. Дисс. . докт.техн.наук. - Донецк, 19749. 395 с.

24. Ф.А.Абрамов, Л.П.Фельдман, В.А.Святный, В.В.Лапко. О математическом моделировании переходных аэрогазодинамических процессов на выемочных участках. Известия вузов. Горный журнал $ 3, 1967, с. 57 60.

25. В.А.Бойко, А.А.Петерчук. Математическое описание выемочного участка шахты как объекта регулирования проветриванием. Из-, вестия вузов. Горный журнал •№ 10, 1972, с. 87 92.

26. В.В.Лапко. Синтез оптимальной по быстродействию системы управления проветривания добычного участка. В сб.: Разработка месторождения полезных ископаемых. - Киев, вып.8, 1969, с. 15 - 20.

27. А.А.Петерчук. Исследование и разработка способов и средств управления проветриванием выемочных .участков газовой шахты.- Автореф. цис. . канд.техн.наук. Днепропетровск, 1976,, 21 с.

28. Р.Б.Тян, В.Я.Потемкин. Управление проветриванием шахт. Киев: Наукова думка, 1977, 204 с.

29. Л.П.Фельдман, В.В.Лапко. Синтез оптимального по быстродействию управления проветриванием метанообильных участков с ограничением концентрации метана на безопасных уровнях. Известия вузов. Горный журнал, .№ 10, 1972, с. 144-151.

30. К.З.Ушаков, А.С.Бурчаков, И.И.Медведев. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1978, 439 с.

31. И.О.Каледина. Исследование и расчет рациональных режимов аэродинамики и дегазации выработанных пространств в условиях автоматического управления вентиляцией выемочных участков. -Дисс. . канд.техн.наук. -М., 1977, 154 с.

32. Л.А.Пучков. Исследование газовой динамики выработанных пространств и очистных забоев угольных шахт с целью автоматизации их проветривания. Дисс. . канд.техн.наук, -М., 1966,204 с.

33. Л.П.Фельдман, О.И.Касимов, А.И.Слепцов. Основные закономерности и математическая модель газодинамических процессов на выемочных участках шахт. В ст.: Разработка полезных ископаемых. Киев: вып. 34, 1973, с.35 - 41.

34. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: Недра, 1975г.

35. Л.П.Фельдман, В.А.Святный, В.В.Лапко. Методы моделирования шахтной вентиляционной сети управления. Работы международного симпозиума по применению ЭВМ и математических методов в горных отраслях промышленности, АПК0М-80, М., 1980 , 6., с. 37-48.

36. В.А.Бойко, Ю.М.Карбовский. О математическом описании переходных аэродинамических процессов в выработках шахты. Уголь Украины, 1964, 12, с. 45-46.

37. В.А.Святный. Исследование процессов управления проветриванием, выемочных участков угольных шахт методами математического моделирования. Дисс. . канд.техн.наук - Донецк, 1965, 254с.

38. А.Д.Багриновский. Неустановившееся движение воздуха в горных выработках.-В кн.: Научные сообщения. -М., Госгортехиздат, 1960, с. 62 66.

39. Ф.А.Абрамов, Р.Б.Тян. Методы и алгоритмы централизованного контроля и управления проветриванием шахт. Киев: Наукова думка, 1973, 184 с.

40. А.А.Волков, Ю.Н.Соколов. Методика приближенного определения коэффициентов дифференциального управления объемов проветривания шахт. Известия вузов. Горный журнал, 1967, 1& 7,с. 59 62.

41. В.А.Лысенко, Р.Б.Тян. Метод определения статистических характеристик систем проветривания добычных участков, В кн.: Техника безопасности.

42. В.А.Святный. Решение задач расчета воздухораспределителей в шахтных вентиляционных сетях методом установления. Известие вузов, Горный журнал, 1979, № I, с. 50-59.

43. В.Д.Аюров. Разработка комплексного метода и алгоритма оперативного регулирования газодинамическими процессами при автоматизированном управлении вентиляцией шахт. Дисс. . канд. техн.наук. - M., 1978, - 146 с.

44. В.Н.Нестеренко. Исследование и обоснование режима оперативного управления вентиляцией выемочных участков газовых шахт в процессе развития горных работ. Дисс. . канд.техн.наук.- M., 1982, 178 с.

45. А.Н.Щербань, Н.И.Фурман. Методы и средства контроля рудничного газа (метана). Киев, Наукова думка, 1965

46. Приборы газодинамические промышленные автоматические непрерывного действия. Типы и основные параметры. Технические требования. ГОСТ 13320. М., Издание ПС стандартов при СМ СССР, 1969.

47. Руководство по оборудованию и эксплуатации систем автоматической газовой защиты и централизованного телеконтроля содержания метана АМТ-3 на угольных шахтах. М., Изд-во ИГД им. А.А.Скочинского, 1974.

48. Передвижной многофункциональный определитель содержания метана в рудничной атмосфере. Проспект фирмы "Ольдам", Аррас /Франция/•

49. Проспект фирмы " ", Лондон, 1975.

50. А.Т.Айруни, Е.М.Слепцов. Приборы и аппаратура контроля и обеспечения безопасных условий работы в угольных шахтах за рубежом. М., ЦНИЭИуголь, 1976.

51. М.Д.Олдридж, Н.С.Смит, Р.Е.Свартвуд, Д.Т.Воррелл. Выводы из проведенных университетом Западной Виргинии экспериментов поконтролю среды., Перевод с английского, М., 1976, 13 с.

52. B.Goddazcl. Conlioi о£ Mining Enfrizotiffieni. HinLny itifneez, 1977, № /9G, p.93-99.

53. PCh. Vickda$>. Mew mine rmnlloung urtem W&MeS evezy day in е&егу №а</. Coatee, ¡972., №/г, p.

54. В.С.Кравченко, Е.Ф.Карпов, И.Э.Биренберг и др. Термокаталитический анализатор метана АМТ-2. Уголь Украины, 1963, № 4, с 47-48.

55. Е.Ф.Карпов. Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана. М., "Наука", 1981.

56. И.Е.Биренберг, В.А.Гринев, А';;А .Марченко. Аппаратура комплексов "Метан" и "Воздух", Уголь, 1977, №9, с. 48-51.

57. Создание и освоение новых методов и средств проветривания горных выработок, контроля рудничной атмосферы, автоматического управления проветривания угольных шахт. Отчет по теме. - М.: ЖД им.А.А.Скочинского, 1980, - 135 с.

58. Б.И.Басовский. Исследование и разработка быстродействующего датчика метана .для создания средств защитного отключения электрооборудования и контроля газовыделения на выбросоопас-ных пластах. Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Москва, 1976, - 15 с.

59. В.А.Бесекерский, Е.П.Попов. Теория систем автоматического регулирования., М., "Наука", 1972.

60. Приборы шахтные газоаналитические. Общие технические требования, методы испытания. ГОСТ 24032 - 80. М., 1980, с.33.

61. Расчет систем автоматического управления, справочное пособие, Свердловск 1968, 70 с.

62. В.Т.Вечеров, И.Е.Кокулин. Моделирование алгоритма диспетчерского контроля на ЭВМ "Минск-22" В сб.: Автоматизация контроля параметров рудничной атмосферы и управления проветриванием шахт. - Киев, Наукова думка, 1974, вып.1, с.43-52.

63. Л.А.Пучков, В.Н.Нестеренко, Т.Т.Егорова, Моделирование безопасного плавного регулирования вентиляцией выемочного участка шахты. Известия ВУЗов. Горный журнал, 1982, В 6, с. 47-49.

64. Технический проект системы автоматического управления вентиляцией шахты "Коммунист" производственного объединения "Шахтерскантрацит", Арх. № 171-65966, Ворошиловград -1980.