книги из ГПНТБ / Слепых, В. Ф. Прогнозный расчет вентиляционных систем рудников

схемы практически можно разработать для любой конструк­ ции очистного блока.

Схемы проветриваия очистных блоков с одним входом и одним выходом имеют еще и то преимущество, что в общей

блоков, проста и в большинстве случаев аналогична их схе­ мам. Следовательно, при разработке и построении ее осуще­ ствляются приведенные выше принципы. В качестве примера мы даем кольцевую схему проветривания очистных панелей или блоков при системе горизонтальных слоев с закладкой (рис. 25). Как видно, в обоих случаях в сети отсут­ ствуют диагональные ветви и поэтому в ней будет обеспечи­ ваться устойчивый режим проветривания. Необходимое распределение воздуха в этих схемах легко осуществляется установкой регуляторов в кольцевых ветвях. Величина их сопротивления для равномерного распределения воздуха по всем выработкам (блокам) может быть определена по зави­ симости

114

Основные принципы разработки и построения оптималь­ ных схем проветривания очистных блоков и участков кратко

ка производить по обособленным схемам, т. е. предусматри­ вать их аэродинамическое разобщение.

4. Оптимальной с точки зрения создания устойчивого ре­ жима проветривания и простоты управления является коль­ цевая схема с параллельным соединением выработок. Осу­ ществление ее в натуре требует :

—производить подачу воздуха в сеть блока или участ­ ка и выдачу его соответственно только по одной выработке;

—обе выработки должны подключаться к воздухораздающим и сборочным вентиляционным штрекам блоков или участков друг против друга, т. е. симметрично по отношению

кэтим штрекам.

Используя приведенные принципы, можно разработать схемы проветривания, обеспечивающие устойчивый режим движения в них воздуха, простоту управления, а в отдель­ ных случаях — и заданное распределение воздуха без уста­ новки регуляторов.

115

Г л а в а 6

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АНАЛОГ ДЛЯ РАСЧЕТА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ РУДНИКОВ

Электрические приборы, моделирующие вентиляционные сети

Рассчитать распределение воздуха в сети и установить фактические параметры главных вентиляторных установок можно только решением систем нелинейных уравнений. При­ чем в рассчитываемой схеме вентиляции число ветвей и независимых контуров [2, 68, 71] может достигать несколь­ ких сотен. Совместное решение такого количества квадратич­ ных уравнений вручную трудно, а часто и невозможно. В связи с этим в практике анализа и расчета сложных венти­ ляционных сетей используются вычислительные и аналого­ вые машины.

Расчет сетей на ЭВМ прост, однако на большинстве руд­ ников сети отсутствуют, либо они сложны, имеют большие габариты, высокую стоимость и требуют обслуживающего персонала со специальной подготовкой. При простоте рас­ чета подготовка исходных данных занимает большое коли­ чество времени. Все это говорит о том, что в вентиляционной службе шахт целесообразно широкое распространение моде­ лирующих машин.

В настоящее время такие машины разделяются на моде­ лирующие характеристики элементов вентиляционных сетей и решение систем уравнений [71]. Наиболее ранними пред­ ставителями первой группы являются машины на лампах накаливания [80—83]. Они не нашли широкого применения из-за сложности и ограниченности круга решаемых ими за­ дач.

Созданные на полупроводниковых приборах моделирую­ щие приборы ППРВС-ДГИ [57, 84—86] не имеют указанных недостатков [81, 83], но требуют предварительного установ­ ления направления движения воздуха, моделируют огра­ ниченное число аналогов вентиляторов, не решают задач на реверсирование и др.

Весь круг практических задач решается на моделирую­ щих приборах с линейно-кусочной аппроксимацией [1,87],

116

с очень сложной конструкцией аналогов выработок и венти­ ляторов, число которых ограниченно. Кроме того, параметры выработок по сопротивлению подбираются ближайшими к имеющимся аналогам, с сопротивлением 0,2—2000 ,и, ступе­ нями через 10%- Для этого нужно иметь большое число ма­ газинов (аналогов) сопротивлений (до 500), но и оно не может отразить всего многообразия параметров ветвей вентиляци­ онных сетей. Поэтому моделирующие машины такого типа большого габарита и дороги.

Отечественные [81, 82] и зарубежные'[88—89] приборы, построенные на основе метода хорд, не имеют принципиаль­ ных отличий. Линейный элемент состоит обычно из омиче­ ского реостата, а источник тока представляет собой выпря­ митель с фильтром. Конструкция этих приборов проста, они невелики по габаритам, стоимость небольшая, круг решае­ мых задач широк. Но процесс расчета многоитеративен, что приводит к большому объему вспомогательных вычислений и, следовательно, к большим затратам времени. Кроме того, на них затруднено решение задач отрицательного регулиро­ вания.

Разработанный в ИГД АН КазССР моделирующий при­ бор ЭПМВС [71] состоит практически из тех же элементов, но способ моделирования основан на методе касательных [2,90]. Это дает ряд преимуществ:

— не требует специальных аналогов источников тяги (вентиляторов), поскольку их характеристики вводятся в

ветви сети, что позволяет рассчитывать схемы с каким угод­ но количеством источников тяги и даже равным числу вет­ вей сети;

—не требует специальных аналогов участков сети с ли­ нейным іили промежуточным законом движения жидкости, что имеет большое значение при расчете сетей с подобными участками, в частности схем проветривания, содержащих значительное количество ветвей утечек через рудоспуски, дучки, заполненные рудой, или : зоны обрушения ;

—прост по конструкции и в обслуживании, вследствие чего может устанавливаться и использоваться для оператив­ ного контроля и расчета сетей « а каждой шахте или крупном участке (фланге, горизонте) отдельно.

Предлагаемый прибор, как и рассмотренные выше, не имеет необходимой глубины изменения устанавливаемых величин сопротивлений. По схеме каждый источник может быть включен только в три определенные ветви, что услож­ няет подбор линейных элементов при сборке схемы и ее расчет. Глубина регулирования по напряжению составляет 1,0—24,0 в, а этого недостаточно. Возникает необходимость (при сохранении способа моделирования [90]) модернизации

117

прибора, расчета параметров применительно к венти­ ляционным сетям рудников (повысив диапазон перекрытия параметров по сопротивлению и напряжению), создания конструкции более простой и надежной в работе.

необходимо геометрическое подобие их схем и математиче­ ское тождество систем уравнений, выражающих законы дви­ жения текучих. Для осуществления последнего законы дви­ жения воздуха в вентиляционной сети представляются системой линеаризованных уравнений [ 2 , 7 1 ] :

С целью соблюдения полной аналогии вентиляционной и электрической сети к а ж д а я ветвь вентиляционной схемы заменяется электрическим сопротивлением, равным

а в каждый замкнутый контур с невязкой Ahj включается источник постоянного тока с э. д. с.

ДА;

В этом случае законы Кирхгофа запишутся в виде

118

где mq, гпц, тпмі —масштабы соответствующих вентиляцион­ ных и электрических величин, связанные между собой за­ висимостью

Сократив первую и вторую группы уравнений данной систе­ мы соответственно на mq и тдл, получаем исходные форму­ лы закона Кирхгофа.

Как видно, математическое тождество выдерживается. Однако для полного физического воспроизведения необхо­ димо точно установить все параметры моделирующего при­ бора. Но количество и номиналы линейных элементов и ис­ точников тока приняты лишь на основании количественного анализа величин фиктивных сопротивлений, наиболее час­ то встречающихся в вентиляционных сетях. Причем приня­ тые параметры больше соответствуют вентиляционным сетям угольных шахт, для которых величины аэродинамиче­ ских и фиктивных сопротивлений намного выше встречаю­ щихся на рудниках.

Рассматриваемая модель аналогового прибора не позво­ ляет решать вентиляционные схемы рудников из-за невоз­ можности установки на них некоторых величин аэродинами­ ческих параметров ветвей. Для характеристики таких моделирующих приборов можно использовать понятие диа­ пазона перекрытия, представляющего отношение максималь­

Из сравнения существующих моделирующих приборов видно, что наибольшей величиной обладает ЭМВС-6 [ 1 ] , для которого .DR = 104 . Для лабораторных и опытного заводского образцов прибора типа ЭПМВС-2 эта величина не превышает 200. Устанавливать необходимую величину диапазона пере­ крытия моделирующих приборов в целом нужно по резуль­ татам анализа аэродинамических параметров обследованных вентиляционных схем рудников. Получив эти значения, можно определить минимальную и максимальную необхо­ димую их величину для аналога.

Указанным путем определяются и параметры источни­ ков питания. Поскольку с их помощью в сеть вводятся невяз­ ки депрессий, необходимо и для них установить диапазон перекрытия.

119

Таким образом, конструкцию прибора ЭПМВС необходи­ мо существенно усовершенствовать, изменив и принципиаль­ ную его схему.

Анализ аэродинамических параметров схем проветривания рудников

Практика расчета распределения воздуха в вентиляцион­ ных сетях металлических рудников позволила выявить ряд особенностей по аэродинамическим параметрам схем про­ ветривания, значительно усложняющих решение задач на моделирующих приборах. Величина аэродинамических со­ противлений ветвей колеблется в широких пределах.

При среднем значении сопротивлений 0,0040 щі макси­ мальные отклонения от него составляют 0,0005—-0,070 К|І,, т. е. достигают 140 раз.

Как отмечалось, введение ветвей утечек позволяет расчет­ ным путем устанавливать и регламентировать потери. Одна­ ко это приводит к некоторым нежелательным явлениям. При сопротивлении ветвей в среднем 1,5 щі включение их в схе­ му еще более увеличивает разброс параметров сети, который в этом случае достигает 3000 раз.

Отмеченный разброс параметров по ветвям присущ схе­ мам проветривания всех металлических рудников. В систе­ мах с открытым выработанным пространством вентиляцион­ ные схемы пополняются ветвями, представляющими это выработанное пространство. Введение подобных ветвей, от­ личающихся незначительной величиной сопротивления (до 0,000035 еще больше увеличивает расхождение между минимальными и максимальными значениями (20 000— 60 000 раз). Включение в схемы ветвей утечек через изоли­ рующие вентиляционные сооружения на основных воздуш­

0,00101—0,050 7CJLI. В зависимости от применяемой системы отработки возможны значительные колебания. Так, по шах­ те № 55 Западно-Джезказганского рудника, где отработка ведется панельно-столбовой системой, количество ветвей с сопротивлением 0,00001—0,00100 ко. достигает 35%, а на указанные выше пределы приходится 43%- Аналогичная картина наблюдается и на Миргалимсайских рудниках. По участкам, ведущим отработку в основном камерно-столбо­ вой системой с самоходным оборудованием, на первую груп­ пу приходится 25% ветвей, по остальным схемам — 6—10%.

120

Максимальная величина отношений крайних значений со­ противлений ветвей для обоих рудников достигает ~ 106 . То же наблюдается и по другим рудникам.

Очевидно, что расчет схем проветривания с такими ми­ нимальными величинами сопротивлений и при значитель­ ном разбросе невозможен ни на одном моделирующем при­ боре, основанном на линейно-кусочной аппроксимации вто­ рого закона сетей. Например, минимально возможная к уста­ новке на ЭМВС-6 величина сопротивления составляет 0,0002 к\х [1], что на порядок выше минимально необходи­ мой величины.

Наряду с этим отметим, что количество ветвей с одина­ ковыми сопротивлениями в схемах не превышает 10—15 %• Это значение получается при расчетном определении сопро­ тивлений ветвей. Производственные исследования практи­ чески не дают одинаковых численных значений.

Проведенное сопоставление по сопротивлениям ветвей может характеризовать лишь один из параметров схемы, поскольку данная величина является функцией длины и се­ чения. Сравнение аэродинамических сопротивлений выпол­ нено и по их удельному значению (сопротивление 100 пог. м выработки) применительно к определенным сечениям и ти­ пам крепления (см. таблицы 2 и 14). Как видно, сопротивле­ ние выработок по обоим рудникам практически одинаково. Несколько большая величина сопротивлений по Миргалимсайским рудникам объясняется повышенной шероховато­ стью стенок выработок, что связано с условиями залегания руд и пород и их значительной рассланцованностью. Инте­ ресен тот факт, что здесь разброс между максимальными и минимальными значениями не превышает шести—десяти раз, т. е. по сравнению с приведенными данными по ветвям невелик. Следовательно, для установления истинной карти­ ны распределения величин сопротивлений в сетях необходи­ мо пользоваться только абсолютными значениями парамет­ ров ветвей схемы, а не их удельными значениями.

Опыт расчетов показывает, что зачастую по ветвям с ма­ лым сопротивлением (в основном очистные выработки и примыкающие к ним каналы) проходит небольшое количест­ во воздуха. Величина депрессии в контурах незначительна и невязки депрессий по абсолютной величине небольшие: обычно в пределах 0,1—1,0 мм вод. ст. при максимальном значении депрессии 0,2—1,5 мм вод. ст. Количество таких контуров в схемах достигает 15—30% от общего числа. В то же время в контурах, включающих в себя ветви основных воздухоподающих выработок и вентиляторные установки, депрессии достигают 400—500 мм вод. ст. при невязках 50—

123