книги из ГПНТБ / Вассерман, А. Д. Методы оценки вентиляционных систем рудников

эффективность рассматривают как совокупность перечисленных факторов. Все эти оценки достаточно подробно рассмотрены в работе [14] и не требуют дополнительного анализа. Следует только отметить структуру оценки эффективности вентиляцион­ ной системы, состоящей из показателя качества проветривания К, представленного формулой (3), и коэффициента полезного дейст­ вия проветривания т), совпадающего в предложенной форме с из­ вестным коэффициентом доставки воздуха. На первом этапе практического использования указанный критерий эффективности был вполне приемлемым и единственно объективным показателей!. Однако критерий эффективности, представленный формулой [14]

в указанном виде в дальнейшем не может быть использован для производства экономических расчетов. Во-первых, формула (4) является достаточно сложной для расчетов сложных вентиля­ ционных сетей и, во-вторых, знак сложения в ней является не математическим действием, а чисто символическим. Поэтому тре­ буется найти более приемлемую форму такой оценки. Кроме того, оценка вентиляционной системы в целом критерием эффектив­ ности Э, исходя из КПД г] и качества проветривания К, является неполной. Необходимо оценить не толко качество функциониро­ вания системы, но и определить надежность ее эффективного функционирования. Тогда вентиляционная система со стороны технических показателей в необходимой и достаточной степени была бы оценена.

Под надежностью системы обычно понимается ее способность безотказно выполнять заданные функции в определенных усло­

обусловленное их безотказностью, долговечностью, ремонтопри­ годностью и обеспечивающее нормальное выполнение заданных функций системы (изделия).

До недавнего времени теорию надежности отождествляли с не­ которыми разделами математики (теорией вероятностей и мате­ матической статистикой). Однако эти разделы являются лишь сред­ ством анализа надежности и помогают решить ряд задач, связанных

соптимизацией систем и методами их эксплуатации.

Внастоящее время многие ведущие отрасли промышленности ши­ роко используют методы надежности при создании и эксплуатации аппаратуры и систем. В частности, без расчета надежности не об­ ходится радиоэлектронная промышленность, машиностроение и др. Все это имеет под собой основу, связанную с безопасностью и эко­ номикой. Так, например, установлено[17], что в некоторых слу­ чаях стоимость эксплуатации ненадежного оборудования более чем в 10 раз превосходит его начальную стоимость, а обеспечение хорошей надежности значительно снизит эти расходы.

•J0

В зависимости от назначения системы и условий ее функцио­ нирования к ней могут предъявляться различные требования надежности. По значению уровней (классов) надежности шахтные системы и аппараты ориентировочно разделены на четыре класса [18, 19]. К I классу отнесены системы.и аппараты, отказы

вкоторых могут привести к человеческим жертвам и вызвать мате­ риальный ущерб. Рекомендуемая вероятность безотказной работы

вэтом случае Р (i) =0.99, где £=720 час. Ко II классу отнесены системы, отказы в которых могут привести к материальному

ущербу (Р (г) =0.97, где £=720 час.). Отказы в системах III и IV классов надежности не приводят к человеческим жертвам и не наносят особого материального ущерба (Р (£)=0.90, Р (£)=0.S5

при £=720 час.).

В зависимости от горно-геологических условий вентиляцион­ ные системы, по нашему мнению, должны быть отнесены к I или II (но не ниже) классам надежности. Следует отметить, что эф­ фективность и надежность систем — показатели, определяющие систему с разных сторон, дополняющие друг друга и позволяющие объективно оценить систему.

Оценкой надежности вентиляционных систем подземных пред­ приятий начали заниматься сравнительно недавно. Следует от­ метить, что действующие правила безопасности [3, 4] не содержат четких требований относительно уровней надежности работы вен­ тиляционных систем. Если бы в них были оговорены требования надежности (уровни) к системе вентиляции в целом и основным ее узлам, то была бы возможна аргументация вентиляции начиная от методов воздухораспределеиия и кончая вопросами резервиро­ вания основных вентиляционных узлов (вентиляторных установок и вентиляционных сооружений). С другой стороны, установленные уровни надежности позволили бы разнообразить средства и методы вентиляции для их достижения и этим в определенной мере облег­ чили бы задачу проектировщиков и эксплуатационников.

Одним словом, на современном уровне развития горнорудной промышленности и передовых технических тенденций показатель надежности является необходимой объективной оценкой без­ отказности и устойчивости функционирования вентиляционной системы. Кроме того, расчет надежности обладает еще рядом цен­ ных качеств, определяющих экономические показатели вентиля­ ции и предприятия в целом. По условиям надежности можно обос­ новать количество вентиляторных установок и взаимодействие их работы, необходимый резерв установок, систему обслужива­ ния и подсчитать экономический эффект от реализации предло­ жений из условий надежности.

В настоящее время опубликовано значительное количество работ, посвященных теории и практическим принципам надеж­ ности. Комитетом стандартов СССР разработаны основные опре­ деления параметров надежности. Наиболее полно разработаны

И

вопросы надежности работы радиоэлектронной аппаратуры, много-' работ проводится по определению надежности средств автомати­ зации процессов и аппаратов. В последнее время появились ра­ боты [18—19] по исследованию надежности горнорудного, в том числе и вентиляционного оборудования. Одна из немногих работ, связанных с проветриванием подземных выработок, посвящена надежности системы местного проветривания глухой проходче­ ской выработки [18].

Как следует из приведенного краткого перечня вопросов,, исследованных с позиций надежности, большинство работ касается надежности электромеханической части систем, но нет ни одной опубликованной работы, охватывающей весь круг вопросов надеж­ ности рудничных вентиляционных систем. Таким образом, прове­ денный анализ показал, что существующие методы оценки техни­ ческих решений вентиляционной системы касаются лишь отдель­ ных ее сторон.

1.3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РУДНИЧНОГО МИКРОКЛИМАТА НА ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ РУДНИКА

Основными параметрами рудничного микроклимата, влияю­ щими на организм человека, являются: температура, влажность и скорость движения рудничного воздуха. При этом следует от­ метить немаловажное влияние температуры как психологического фактора на организм горнорабочего. Академик А. А. Скочинский [20] подчеркивал, что метеорологические условия в горных выработках почти на 50% определяют производительность труда горнорабочих. П. Т. Приходько [21] как одну из возможностей роста производительности труда горнорабочих рассматривает резерв фонда рабочего времени за счет сокращения временной нетрудоспособности. Таким образом, одним из определяющих фак­ торов повышения производительности труда следует считать пла­ новое и комплексное улучшение условий труда, т. е. с точки зрения снижения простудных заболеваний — улучшение микро­ климата рудников. Так, например, улучшение условий труда на апатитовых рудниках от внедрения рекомендаций, разработанных лабораторией рудничной аэрологии Горнометаллургического ин­ ститута Кольского филиала АН СССР совместно с комбинатом «Апатит», позволило снизить производственно обусловленные заболевания на апатитовых рудниках в течение 1961—1967 гг. на 22.7—35.5%, что уменьшило существенно потери фонда рабо­ чего времени. Экономический эффект за счет улучшения условий труда в период 1959—1970 гг. составил около 440 тыс. руб. в год.

Г. X. Шахбазян[22], изучая вопросы гигиенического нормиро­ вания микроклимата производственных помещений, отмечает, что состояние воздушной среды помещений определяется в основ­ ном температурой, влажностью и движением воздуха, а также теп­

12

ловым излучением тел. Микроклимат производственных помеще­ ний постоянно меняется в зависимости от колебаний внешних метеоусловий. В шахтах в зимний период влияние внешних усло­ вий сказывается незначительно, а в летний период (для части рудников и в зимнии) микроклиматическии режим в значительной степени определяется внешними условиями.

Проблему нормирования производственного микроклимата Г. X. Шахбазян считает одной из основных проблем гигиены труда. Производственный микроклимат, его отдельные компоненты и их совокупность оказывают влияние на ход биологических про­ цессов в организме человека, на работоспособность и производи­ тельность труда, а в известных условиях и способствуют возник­ новению тех или иных заболеваний.

В гигиенической проблеме микроклимата различают две важ­ ные части: 1) определение гигиенических норм микроклимата и 2) мероприятия по нормализации микроклиматических условий, выходящих за пределы гигиенических норм. При решении первого вопроса рекомендуется исходить из единства факторов внешней среды и организма. В качестве гигиенических норм принимаются лишь те показатели факторов внешней среды, которые не влияют отрицательно на организм или даже обусловливают благоприят­ ное воздействие на него.

В связи с этим создание нормальных (комфортных) условий производственного микроклимата является актуальной проблем­ ной задачей, решение которой позволит продлить жизнь человека, а следовательно, и его производственную деятельность, и значи­ тельно повысить производительность общественного труда.

Особенно опасными с точки зрения заболеваний и производст­ венной психологии являются так называемые околонулевые тем­ пературы (0 до + 1 0 ° С). К. В. Ли и А. М. Бондарев [23, 24] отмечают, что околонулевые температуры (+10° С), характерные для части подземных рудников, способствуют переохлаждению и снижают сопротивляемость организма.

Нормирование влажности воздуха связано с большими труд­ ностями как в гигиеническом обосновании, так и в техническом достижении влажностных норм на производстве. Изменение влаж­ ности воздуха мало влияет на физиологические функции человека, сдвиги которых обычно и изучаются для целей нормирования. Так, имеются утверждения [23], что изменение влажности на 50% при температуре воздуха, равной 31—32°, совершенно не ощу­ тимо для человека, и даже повышение температуры воздуха до 37—42° приводит к повышению температуры тела на 0.2—0.3°. В рудничных условиях максимальное изменение влажности воз­ духа не превышает 20 — 25% (для одной и той же выработки), поэтому ее можно считать стабильным параметром.

По вопросу влияния скорости движения воздуха на организм следует указать, что движение воздуха со скоростью 3 м/сек.

13

практически не производит большого охлаждающего действия в сравнении с более низкими скоростями, но при скорости более 5 м/сек. возникают неблагоприятные ощущения в организме.

Таким образом, нормирование микроклимата должно пресле­ довать цель установления динамического климата иа производ­ стве, допускающего колебания как отдельных компонентов, так и сочетаний их в строгих пределах, так как организм человека обладает способностью регулировать жизненные функции в ши­ роком диапазоне колебаний условий внешней среды.

В настоящее время А. А. Шапталой[25] ведутся работы по фи­ зиологической оценке шахтного микроклимата на глубоких го­ ризонтах, есть отдельные сведения и о комфортности условий труда при отрицательных температурах — работы И. А. Арнольди [26], Ю. Д. Дядькина [27] для шахт в условиях вечной мерзлоты и К. В. Ли [25] и других для условий открытых горных работ. 10. Д. Дядькин [27], рассматривая вопросы гигиенической оценки микроклимата выработок в толще многолетнемерзлых по­ род и терморегуляции горнорабочих при низких температурах, предлояшл формулу для определения общей теплопотери рабочего при низких температурах в рудниках, находящихся в зоне вечной мерзлоты.

Расчеты по этой формуле показывали, что радиационная тепло­ отдача шахтеров выше в 1.35—1.65 раза по сравнению с карьер­ ными рабочими. Это соотношение близко к экспериментальным дан­ ным И. А. Арнольди [26]: при температуре —18° С интенсивность отрицательной радиации у рабочих карьера в Норильске состав­ ляла 5.7—8.6, а у шахтеров — 11.5—14.6 ккал./см2час., т. е. под­ земным рабочим присуще перенапряжение терморегуляции.

Предельно допустимую температуру рудничного воздуха 10. Д. Дядькин рекомендует определять исходя из норм жесткости погоды и условий одинаковой напряженности терморегуляции подземных и карьерных рабочих. По нашему мнению, методи­ ческий подход 10. Д. Дядькина к нормированию рудничного микроклимата является достаточно простым, однако расчеты тем­ ператур по нормам жесткости погоды значительно снижают объек­ тивность предложенного им метода. Для использования этого метода в других климатических условиях требуется дополнитель­ ная проверка.

Н. К. Витте [28] указывает, что микроклимат, близкий к ком­ форту, можно создать соответствующим сочетанием отдельных элементов микроклимата. Кроме того, он отмечает, что нормативы микроклимата доляшы давать реально выполнимые указания, как превратить дискомфортные условия в комфортные.

Поскольку условия микроклимата в отдельные периоды на мно­ гих рудниках СССР и в первую очередь в Заполярье являются дискомфортными, а создание комфортных условий связано со зна­ чительными экономическими затратами, нам представляется, что

14

в этих случаях к решению вопроса о нормализации терморегуля­ ции организма следует подходить с особой тщательностью. Необ­ ходимо улучшение микроклиматических условий и на рудниках комбината «Апатит» в связи с довольно высоким процентом про­ студных заболеваний к общему проценту болезней.

Что же касается вопроса экономической оценки систем провет­ ривания, а также мероприятий, улучшающих микроклиматиче­ ские условия, то, как нам известно, каких-либо работ в этом на­ правлении ие проводилось. Поэтому, даже собрав воедино все имеющиеся сведения, трудно составить научно обоснованную ме­ тодику подсчета экономической эффективности вентиляционной системы. С этой точки зрения весьма ценными, на наш взгляд, яв­ ляются работы, проводимые Центральным научно-исследова­ тельским институтом охраны труда ВЦСПС по оценке заболевае­ мости рабочих от внешних условий труда с позиции теории риска (вероятностно-статистическая оценка). По нашему мнению, эти работы наиболее отвечают требованиям промышленности, учиты­ вают комплексное влияние метеорологических, производственных и социологических факторов. Они значительно облегчат после­ дующие расчеты и оценку заболеваемости. Однако указанные работы начаты применительно к не горным предприятиям, а в част­ ности к московскому заводу «Шарикоподшипник», и находятся в стадии эксперимента.

Поэтому, даже имея соответствующую методологию, необхо­ димые данные по физиолого-гигиенической оценке рудничного микроклимата возможно получить только при постановке соот­ ветствующих технико-медицинских исследований на подземных рудниках. Естественно, что и эта задача имеет огромное экономи­ ческое значение не только для рудников Заполярья, но и во все­ союзном масштабе. Она связана не только с проблемой экономи­ ческой оценки вентиляционных систем рудников, но является зна­ чительной частью важнейшей проблемы акклиматизации в целом и через нее связана с проблемой оптимального размещения и раз­ вития производительных сил в богатейших районах Крайнего Севера.

Наиболее интересна с общих позиций работа [12], проведенная на шахтах Венгерской Народной Республики. В этой работе пред­ ложена номограмма изменения производительности труда от охлаж­ дающего действия атмосферы подземных выработок. Правда, в но­ мограмме основное место занимают высокие температуры (пони­ женная охлаждающая способность) рудничного воздуха, однако использование ее все же представляется возможным.

Вместе с тем для определения комфортных параметров руднич­ ного микроклимата вопрос изучения влияния рудничного микро­ климата на изменение производительности труда и производст­ венно обусловленные простудные заболевания подземных рабочих по-прежнему остается актуальным.

15

Г л а в а 2

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ РУДНИКА

На первом этапе, как указывалось в главе 1, необходимо опре­ делить комплекс показателей, по которому можно было бы объек­ тивно оценивать технические решения, касающиеся вентиляцион­ ной системы. В соответствии с поставленными в 1.4 задачами в дан­ ной главе рассматриваются в логической последовательности оценки надежности, эффективности и качества функционирования, позволяющие в необходимой и достаточной мере дать объективную характеристику системы и являющиеся основой для последующих объективных экономических расчетов. Здесь же на примере апа­ титовых рудников показано определение аэродинамических пара­ метров и надежности элементов вентиляционных сетей для расче­ тов по разрабатываемой методике.

2.1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Вентиляционные системы рудников являются сложными много­ компонентными системами, комплексом неоднородных сложносое­ диненных элементов: электромеханических узлов, аэродинамиче­ ских каналов, распределительных элементов (вентиляторных уста­ новок и вентиляционных сооружений) и воздушных потоков. Кроме того, вентиляционная сеть любого рудника в топологическом плане является сложной разветвленной несимметричной системой. Все элементы вентиляционной системы функционально связаны и взаимообусловлены. Конечной целью функционирования такой системы является осуществление надежного заданного воздухораспределеиия по выработкам. С этих позиций нами и рассматри­ вается ее эффективность. Для определения надежности функцио­ нирования единичных элементов вентиляционной системы приме-

технике-и**

библиотека СССР

нимы общие методы теории надежности. Основным критерием на­ дежности системы является вероятность Р безотказной работы ее в течение заданного времени t:

где ti — интервал времени между последовательными отказами;

п— количество отказов за время испытания или наблюдения.

-В качестве дополнительного критерия надежности используют суммарную частоту отказов системы X (<), называемую также пара­ метром потока отказов

п

1= П *

2 * *

Для оценки надежности системы в целом рассмотрим вначале ее элементы. В процессе работы системы вышедшие из строя эле­ менты обладают свойством восстановления — восстанавливаемые элементы — и невосстановления (замены) — невосстанавливаемые элементы. Надежность восстанавливаемых элементов оцени­ вается наработкой на отказ Г (, вероятностью безотказной работы Р . (t) и временем восстановления Tvj. Надежность невосстанавливаемых элементов, заменяемых в процессе работы, оценивается наработкой до отказа Т вероятностью безотказной работы Р . (t)

и временем замены Т7 .. Параметр потока отказов элемента вы­ числяется как

где mi (t) — число отказов элемента за время испытаний (наблю­ дений) ;

N — число одинаковых испытываемых элементов; t„ — время испытаний.

Наработка на отказ

Т ,=

\_ h •

Поток отказов элементов характеризуется одновременностью появления событий, режимом изменения потока отказов и проте­ канием потока отказов в зависимости от протекания предыдущих отказов.

Поток отказов называется о р д и н а р н ы м , когда одновре­ менное появление двух и более отказов можно считать практи­

18

чески не возможным. Поток отказов считается с т а ц и о н а р - н ы м, когда вероятностный режим потока отказов не изменяется во времени. Поток отказов считается б е з п о с л е д с т в и я , когда протекание потока отказов после любого момента времени не зависит от того, как протекал поток отказов до этого времени.

X(i) = \= const.

Поток отказов является случайной величиной. При этом ко­ личество отказов является дискретной случайной величиной, а про­ межуток времени исправной работы или время устранения от­ каза — непрерывной случайной величиной, т. е. они могут при­ нимать любые значения в некотором промежутке. Если указать, какой вероятностью обладает каждое из событий появления конкретных значений случайной величины, то с вероятностной точки зрения эта случайная величина будет полностью опи­ сана.

Законы распределения случайной величины устанавливают связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. В теории вероятностей из­ вестно достаточно большое число законов распределения, успешно применяемых для решения практических задач, в частности для расчетов надежности.

Не останавливаясь более детально на теоретических положе­ ниях, глубоко разработанных отечественными [29—32] и зару­ бежными [33—35] исследователями, перейдем к рассмотрению надежности узлов и элементов вентиляционных систем. Следует только указать на имеющиеся утверждения [16], что для горных машин и комплексов в целом вероятность безотказной работы должна описываться экспоненциальным законом надежности

где Р. (t ^ Т) — вероятность безотказной работы за время t. Наработка на отказ 2\ и параметр потока отказов \ опреде­ ляются по известным формулам (6) и (7). Ссылаясь на теорему Пальма-Хинчина, А. В. Топчиев и др. [16] полагают, что для горных машин и комплексов, состоящих из большого числа элементов, независимо от законов распределения случайных величин времени безотказной работы элементов, суммарный по­ ток отказов будет близким к простейшему (одновременно орди­ нарный, стационарный и без последствия) после периода прира-

2* 1$