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

боткп. По-видимому, это утверждение относится к рудничным многокомпонентным вентиляционным системам в еще большей мере.

Следует отметить, что наряду с достаточно хорошо примени­ мыми общепринятыми методами расчета надежности для от­ дельных элементов и узлов (механических и электромеханических) вентиляционной системы остается еще не решенной задача рас­ чета надежности аэродинамической ее части — воздухораспределения, связывающего воедино все элементы системы. Поэтому рассмотрим подробней аэродинамическую часть системы, состо­ ящую из аэродинамических каналов (горных выработок и кана­ лов утечки) и воздушных потоков.

Горные выработки представляют в общем случае систему кана­ лов, стенки которых имеют безграничную толщину и выполнены из естественных материалов. Прочностные свойства таких каналов различны и зависят от горногеологических условий и от назна­ чения их. Учитывая, что в зависимости от этих двух факторов выработки закрепляются соответствующими материалами, прак­ тически эксплуатационная надежность их велика и близка к 1. Время наработки на отказ Г, для большинства выработок больше требуемого эксплуатационной необходимостью, что зачастую даже вредит проветриванию.

Отказы в аэродинамической части вентиляционной системы с учетом соответствующего их крепления (обвалы выработок, внезапные выбросы и др.) носят случайный характер, а пара­ метр потока отказов X,- практически постоянен. По этой причине можно считать, что и в этом случае вероятность безотказной ра­ боты как элемента, так и в целом комплекса аэродинамических каналов вентиляционной системы подчиняется экспоненциальному закону распределения — формула (9).

системы различно (сравнить, например, отказ в воздухоподаю­ щем стволе рудника, когда прекращается подача воздуха во всю вентиляционную сеть, с отказом в одном из трех-четырех венти­

дежность отдельного аэродинамического канала (при равных прочностных надежностях каналов) с учетом доли его участия в общерудничном (общегоризонтном) проветривании, т. е. с уче­ том воздухораспределения. Но и это' не решает еще полностью задачи расчета надежности всей вентиляционной системы. Ранее шла речь о частном случае — естественном распределении воз­ духа в сети выработок, т. е. подаваемый вентилятором в сеть воздух распределялся соответственно сопротивлениям выработок без каких-либо дополнительных сооружений (искусственно уста­

20

навливаемых дополнительных сопротивлений — отрицательное регулировние) или установок (дополнительных побудителей дви­ жения — положительное регулирование). В общем случае рас­ пределение воздуха в сети является искусственным и выпол­ няется указанными двумя способами или их комбинацией.

Отсюда вытекает, что при искусственном воздухораспределе-

иии надежность отдельных потоков снижается вследствие уста­ новки в них технических сооружений или распределительных установок. Одновременно снижается и надежность всей вентиля­ ционной системы. Так, например, при регулировании потоков в сети с помощью вентиляторов (положительное регулирование.) установка в какой-либо из ветвей вентилятора для усиления в ней струи снизит надежность этой ветви и в целом надежность сис­

темы.

Следует отметить одну характерную особенность при расчете надежности потоков при отрицательном регулировании. Обычно вентиляционные сооружения ставят в тех выработках, которые необходимо ограничить или полностью остановить поток, пере­ распределив его на другие выработки. Из этого следует, что без устанавливаемых вентиляционных сооружений в рассматриваемую выработку поступает избыточное количество воздуха. Таким образом, если условно принять надежность потока, обеспечива­ ющего подачу номинального для проветривания данной выработки количества воздуха, за единицу (100% надежность), то в случае отказа вентиляционного сооружения в эту выработку будет по­ ступать избыточное количество воздуха, практически обеспе­ чивающего надежность потока в ней более единицы.

Естественно, что в те выработки, в которые поступало при работоспособном состоянии перемычки номинальное количество воздуха, при ее отказе будет подаваться недостаточное коли­

Если же устанавливается комплекс сооружений, например, шлюз из двух или трех последовательно устанавливаемых пере­

21

при шлюзе из трех перемычек

Ввентиляционной сети часто выработки имеют параллельные

идиагональные соединения. Надежность параллельных ветвей может быть вычислена следующим образом. Если в одной из трех ветвей с надежностью Р 1 устанавливается перемычка с надеж­ ностью Р„ для перераспределения потоков в две другие с надеж­ ностями Р 2 и Р 3, то, исходя из теоремы умножения вероятностей, получим

для II и III ветвей

—Р%Р„•

Аналогично определяется и влияние надежности диагональ­ ных ветвей на примыкающие выработки.

Таким образом, надежность каждого в отдельности элемента вентиляционной системы рудника поддается определению. Но главная задача заключается в определении надежности воздухораспределения, зависящего от состояния всех механических элементов системы.

Значимость горных выработок при распределении воздушных потоков в вентиляционной сети и самих потоков различна. Соответственно различна должна быть оценка и надежность пото­ ков в выработках, т. е. в оценке надежности следует каким-то образом учесть количественные показатели потоков — расходы воздуха в ветвях. Попытаемся применить для этого следующий подход.

Обычно в теории надежности качественная сторона функци­ онирования во время выполнения какой-либо задачи или операции не рассматривается, т. е. предполагается, что отказ какого-либо элемента или приводит к полному прекращению функциониро­ вания, или совсем не влияет на работоспособность рассматрива­ емой системы. Иначе говоря, рассматривается лишь два уровня качества функционирования системы.

Сложные системы характеризуются не только большим числом элементов, но главным образом сложностью внутренней струк­ туры (частичное резервирование, перекрытие зон функциониро­ вания различных систем, многоканальность и др.). Поэтому для оценки качества функционирования сложных систем обычные формулы оценки надежности не применимы, так как даже при абсолютной безотказности всех элементов системы в процессе работы нельзя говорить о 100 %-м выполнении своих функций

22

как о достоверном событии, а с другой стороны, даже при появ­ лении в системе отказов отдельных элементов или значительном изменении параметров их работы, отказ в системе может не про­ изойти, а лишь изменится качество функционирования системы

в целом.

Для количественной оценки качества сложных систем ис­ пользуют (в частности, в радиоэлектронике) показатели эффек­ тивности функционирования [31, 36]. Критерием эффективности в этом случае может служить некоторая мера, количественно оценивающая качество функционирования. В нашем случае также необходимо выбрать такую меру.

Во многих случаях достаточной количественной мерой эффек­ тивности сложной системы является вероятность выполнения поставленной задачи. Однако для рудничных вентиляционных систем такую вероятность определить затруднительно.

Основная идея метода оценки эффективности, предложенного авторами работы [31], заключается в том, что оценка производится не только по внутренним свойствам самой системы, а с учетом качества ее функционирования — по выходному эффекту. Это позволяет сравнивать различные по структуре и принципу дей­ ствия системы, выполняющие одну и ту же задачу, рассматри­ вать варианты системы и производить их выбор.

Вентиляционные системы рудников являются сложной вет­ вящейся системой. Для ветвящихся симметричных систем раз­ работан математический аппарат расчета [36, 37], однако для несимметричных систем аналогичного метода расчета не создано. Поэтому воспользуемся методом расчета эффективности систем кратковременного действия (системы, которые в заданный про­ межуток времени сохраняют начальное состояние с вероятностью, близкой к единице) с суммированными показателями эффектив­ ности отдельных элементов, т. е. аддитивным показателем эф­ фективности.

Если каждый i-й элемент системы вносит в общий выходной

где Ф( — показатель эффективности при г-м состоянии системы.

23

ходящего в ветвях, или отношение этого количества к суммарному количеству воздуха в ветвях, т. е. своеобразный входной эффект.

При сопоставлении вариантов систем воздухораспределения можно исходить из заданного воздухораспределения, принимая его за начальное состояние системы.

Таким образом, расчет эффективности функционирования рудничной вентиляционной системы с учетом надежности воз­ духораспределения производится в следующем порядке.

1. Рассчитываются параметры средств для осуществления заданного воздухораспределения, по которым выбираются кон­ кретные средства с соответствующей им надежностью Р ..

2. Подсчитывается сумма количеств воздуха, проходящего по всем ветвям (при этом, естественно, эта величина получится большей, чем подаваемое количество воздуха, так как часть воздуха в сумме будет учитываться многократно). Для того чтобы перейти к относительным показателям (в принципе не обязательно переходить к относительным единицам показателя Ф), разделим количество воздуха Qn проходящего в каждой ветви, на подсчи-

И

тайную сумму 2 (?,-• i=i

В частном случае показатель эффективности заданного воз­ духораспределения или нормированного состояния системы ра­ вен единице:

Каждое слагаемое в правой части уравнения (17) является условной долей входного эффекта системы.

3.Определяется эффективность функционирования венти

ционной системы с учетом надежности воздухораспределения:

П

( 18>

11=1

В отдельных случаях за начальное состояние системы Ф0 можно принимать не заданное, а естественное воздухораспределение (в зависимости от вида решаемой задачи).

Таким образом, появляется методическая возможность объек­ тивной оценки технических решений вентиляционных систем рудников. Вместе с тем, чтобы рассчитать предложенные ранее показатели системы, необходимо знать параметры надежности отдельных элементов ее и уметь рассчитывать показатель эффек­ тивности Ф системы. Рассмотрим последовательно указанные

24

задачи. Отметим только, что в известной мере показатель эффек­ тивности Ф может быть логически отождествлен одновременно и с показателем качества К, и с КПД т) (формула (4)), а эффектив­ ность Е — с критерием Э по той же формуле, но, естественно, Е имеет более общее значение.

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

Эффективность работы вентиляционных сооружений оцени­ вается различными показателями: процентом утечек относительно проходящего мимо сооружения воздушного потока, коэффици­ ентами воздухонепроницаемости по периметру или площади

сообразности применения при расчетах и оценке того или иного показателя. При исследованиях и расчетах вентиляционных сетей, для которых одной из основных задач является определение воздухораспределеиия, наиболее целесообразной формой, по на­ шему мнению, является представление сооружений величиной их аэродинамического сопротивления.

В настоящее время опубликовано большое количество данных по расчетам и аэродинамическим параметрам вентиляционных сооружений [38—40]. Однако они представлены различными показателями и не всегда достаточным числом величин, позволя­ ющих привести их в какому-либо одному показателю с целью сопоставления. Вместе с тем из имеющихся в литературе данных вытекает, что тенденция снижения величины аэродинамического сопротивления сооружений с ростом перепада давлений противо­ положна предъявляемым к ним требованиям. При этом обращают на себя внимание следующие обстоятельства. Во-первых, все без исключения вентиляционные сооружения в силу объективных и субъективных причин обладают проницаемостью. Даже такие материалы перемычек, как бетон, глина и др., обладают возду­ хопроницаемостью [41—45]. Величина последней зависит как от вида применяемого для сооружения материала, так и от ка­ чества выполнения сооружения. При этом утечки в бетонных сооружениях распределяются следующим образом [44]: на кон­ такте с боковыми породами 50%, через боковые породы до 43%, через тело перемычки около 7 %. Для сооружений из менее плот­ ных материалов до 90% потерь происходит по их периметру и через неплотности в теле перемычки [39]. Естественно поэтому, что к сооружениям не предъявляются требования полной (сто­ процентной) герметизации, за исключением особых случаев (руд­ ничные пожары и др.).

Проницаемость перемычек является отрицательным фактором в случае изоляции выработок, зон обрушения, отдельных вен­

25

тиляционных потоков друг от друга. При высокой проницаемости перемычек резко падает эффективность воздухораспределения, снижается надежность его, увеличиваются потери воздуха, ухуд­ шаются экономические показатели системы проветривания и ра­ боты предприятия в целом. Поэтому становится необходимым установить фактические параметры работы вентиляционных со­ оружений с тем, чтобы определить уровень требований к ним, с одной стороны, и сферу применимости — с другой. Во-вторых, имеющиеся в литературе данные об аэродинамических парамет­ рах вентиляционных сооружений справедливы в условиях кон­ кретных горных предприятий, но не имеют повсеместно одина­ ковых значений. Исходя из логических соображений, можно предположить, что дело здесь не только в качестве исследуемых сооружений, но и в специфичности условий их применения.

Авторы данной работы, несмотря на указанную трудность, предприняли попытку сопоставления вентиляционных соору­ жений, исследованных на различных горных предприятиях страны, по показателям удельного аэродинамического сопротив­ ления. Под удельным сопротивлением нами понималась величина его, отнесенная к 1 м2 площади сечения и 0.1 м толщины (для бетонных, каменных, насыпных перемычек). Удельные сопротив­ ления вентиляционных сооружений опубликованных и соб­ ственных исследований представлены в табл. 1 и 2.

Т а б л и ц а 1

Удельное сопротивление (кГ-сен2/м7) вентиляционных сооружений по исследованиям различных авторов

Следует указать, что для глухих перемычек, расположенных на горизонтах вторичного дробления блоков и откаточном го­ ризонте, количество воздуха, протекающего через отдельную перемычку, трудно было бы практически установить из-за близ-

26

Т а б л и ц а 2

Аэродинамическое сопротивление вентиляционных сооружений на апатитовых рудниках

кого и зачастую парного (параллельного) их расположения на выработках. По этой причине замеры количества воздуха про­ водились для групп однотипных перемычек, а затем определялось' среднее количество воздуха, протекающего через каждую из них (при этом перепады давления через перемычки имели весьма близкие, практически одинаковые значения).

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, величины удель­ ных аэродинамических сопротивлений вентиляционных соору­ жений, исследованных в различных условиях их применения, отличаются столь существенно, что определить какие-либо сред­ ние значения не представляется возможным. Полученные на

27

на апатитовых рудниках устанавливаются безврубовые пере­ мычки, в основном (для бетонных) меньшей толщины, закреп­ ляемые в боковых породах с помощью штанг. Во-вторых, по дан­ ным лаборатории механики горных пород Горнометаллургичес­ кого института Кольского филиала АН СССР, при проведении выработок зона нарушенного массива, обладающего существен­ ной воздухопроницаемостью, составляет 0.6 м и более. Регуляр­ ные массовые взрывы, достигающие в среднем 300 т ВВ, еще более нарушают массив пород, уплотняют тело перемычек и одновре­ менно увеличивают зазоры по их периметру, а профилактичес­ кое оштукатуривание не производится. В-третьих, повсеместно наблюдается снижение аэродинамического сопротивления со­ оружений не только при увеличении перепадов давлений, но и по времени. Большинство исследователей при этом считают, что для поддержания первоначальной эффективности работы венти­ ляционного сооружения необходимо регулярное (раз в 2—6 ме­ сяцев) тщательное оштукатуривание перемычки и стенок выра­ ботки по обе стороны от нее. Иначе говоря, вентиляционные сооружения обладают своеобразным «запасом» эффективности (или «расходом» эффективности), а это, как будет далее показано, связано с определенными расходами обслуживания.

Проведенные исследования показали, что рекомендуемые нор­

на апатитовых рудниках для большинства сооружений уклады­ ваются в рекомендуемые [47J нормативы. Однако с точки зрения эффективности воздухораспределения применение их в венти­ ляционной системе имеет различную значимость. Из табл. 2 видно, что наиболее низкую эффективность имеют дощатые пере­ мычки и неавтоматизированные вентиляционные двери. Иссле­ довав дополнительно параметры надежности вентиляционных со­ оружений, возможно будет дать полную характеристику их на апатитовых рудниках и определить диапазон целесообразного применения.

2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Данные о параметрах надежности некоторых элементов вен­ тиляционной системы имеются только в отечественной литера­ туре. В основном они относятся к электромеханической части системы: вентиляторам, линиям электропередачи, пусковой аппаратуре, отдельным видам воздухопроводов, аппаратуре авто­ матического управления и контроля. Однако до настоящего вре­ мени отсутствуют данные о надежности вентиляционных соору­ жений (различного рода и назначения перемычек, дверей, шлю­

28

зов) и вентиляторных установок главного проветривания. Естест­ венно, что без этих данных невозможно ни рассчитать надежность системы, ни обосновать принятие объективного решения по вы­ бору того или иного оборудования или сооружения, а следова­ тельно, и обосновать экономические показатели работы венти­ ляционной системы. По этой причине необходимо установить параметры надежности указанных элементов вентиляционной системы.

Исследование надежности элементов вентиляционной системы в натурных условиях является задачей трудоемкой, дорого­ стоящей, технически трудно осуществимой и из-за многообразия условий эксплуатации практически нецелесообразной. На этом основании для получения достоверных параметров надежности элементов системы был выбран путь пассивного производствен­ ного эксперимента, заключающийся в следующем. В течение полутора лет на рудниках комбината «Апатит» проводились ежедневные наблюдения за работой всех без исключения венти­ ляционных сооружений и четыре года — за работой вентиля­ торных установок главного и блокового проветривания. Основ­ ной целью наблюдений, помимо прочего, являлась фиксация отказов в работе элементов вентиляционной системы, под которы­ ми понимались любые нарушения в нормальном функциониро­ вании элементов. Например, для вентиляционной перемычки с дверыо отказом считался как выход из строя двери или пере­ мычки, так и просто открытая дверь в момент фиксации состоя­ ния сооружения, если исходя из смысла ее установки, она должна быть постоянно закрытой. Предварительно производился замер всех требуемых параметров сооружений и, как указывалось в 2.2, их аэродинамическая эффективность.

Говоря о методе пассивного эксперимента, когда наблюдаемые параметры изменяются по законам случайных величин и неза­ висимо от воли наблюдателя, на долю которого остается лишь фиксация параметра и его обработка, следует отметить, что в данном случае он применялся не к отдельно взятому элементу (сооружению или установке), а ко всем однотипным элементам сразу. Таким образом, по нашему мнению, появляется возмож­ ность определить надежность элемента не в «идеальном» (клас­ сическом) случае для элемента из класса подобных, а эксплуа­ тационную надежность класса элементов. Очевидно, эксплуата­ ционная надежность класса элементов отличается от «идеализи­ рованной» надежности элемента из класса. Однако эксплуатаци­ онная надежность, по-видимому, является более объективным и не менее ценным параметром для практических расчетов и ре­ шений. Полученная на основе работы элементов в обычных про­ изводственных, а не в специально созданных условиях, она в принципе должна давать более, близкие результаты, чем на­ дежность на основе опытных (стендовых) и.втеоретизированных»

29