Методологические аспекты создания систем управления
проветриванием сложных вентиляционных сетей современных рудников

Введение

При разработке крупных месторождений полезных ископаемых вентиляционные сети рудников со временем становятся сильно разветвлёнными. Они могут включать несколько сотен, а порой и тысяч горных выработок, множество рабочих зон, подземных горизонтов и источников тяги. С ростом сети увеличивается и нецелевое использование свежего воздуха – так называемые «утечки». Задача доставки необходимого объёма свежего воздуха в каждую рабочую зону всё более усложняется, а обеспечить это энергоэффективно становится ещё труднее. В итоге затраты на рудничную вентиляцию неуклонно растут по мере увеличения глубины горных работ, расширения сети выработок и роста мощности добычи. Доля затрат электроэнергии на вентиляцию в таких условиях достигает 50 % от общего энергопотребления при ведении горных работ [1–3]. Вентиляция становится настолько затратным производственным процессом, что пренебрегать её оптимизацией уже невозможно, если предприятие намерено сохранять рентабельность.

Количество стволов в рудниках, как правило, стремятся минимизировать из соображений экономии. Однако их пропускная способность по воздуху ограничена допустимой скоростью движения воздушной струи – согласно нормам безопасности она не должна превышать 15 м/с. Это естественным образом снижает максимально допустимый расход воздуха через стволы и, в свою очередь, требует более рационального и эффективного его распределения по подземным выработкам.

Энергоэффективное проветривание подземных рудников требует применения систем управления воздушными потоками. Наиболее распространённой из них является вентиляция по требованию (Ventilation on Demand – VoD), реализующая динамическую регулировку подачи воздуха в зависимости от текущей ситуации [4, 5]. Для каждой смены задаётся требуемый расход воздуха и система отрабатывает его за счёт изменения частоты вращения главных вентиляторов, регулирования степени открытия вентиляционных дверей и других средств. Такой подход хорошо зарекомендовал себя на относительно небольших рудниках с одной или несколькими рабочими зонами. В этом случае, как правило, удаётся обойтись довольно простыми алгоритмами управления вентиляторными установками и вентиляционными дверями.

Однако для разветвлённых сетей с множеством потребителей вопрос рационального и эффективного применения систем управления проветриванием остаётся открытым. Известны примеры, когда простые схемы управления, распределяющие потоки лишь между основными направлениями рудника, не обеспечивают заметной экономии электроэнергии [6]. Причина заключается в недостаточной глубине регулирования и отсутствии синхронизации графиков работы проходческо-добычных участков. Под глубиной регулирования здесь понимается иерархический уровень размещения регуляторов – то есть то, насколько далеко от околоствольного двора и главных штреков вентиляционные двери перераспределяют потоки между отдельными участками сети. Так, в условиях калийных рудников Верхнекамского месторождения, если двери расположены лишь на главных вентиляционных штреках вблизи околоствольного двора и регулируют только общие потоки по направлениям, система не сможет точно перераспределить расходы между панелями и блоками внутри одного направления. В результате значительная часть потенциального эффекта теряется.

Усложнение управления воздухораспределением по мере развития вентиляционной сети обусловлено не только этим фактором. Можно выделить ещё два существенных аспекта.

Во-первых, это усложнение аэродинамических связей между рабочими зонами и регулирующими устройствами. В реальности вентиляционную сеть далеко не всегда можно представить в виде простой схемы с несколькими параллельными трактами движения воздуха, каждый из которых регулируется отдельным вентилятором или дверью. Часто зоны соединены последовательно или по диагональным схемам, и в таком случае одно устройство может в разной степени влиять сразу на нескольких потребителей [7].

Во-вторых, это рост инерционности вентиляционной системы. Чем больше суммарная длина главных вентиляционных трактов и чем сложнее вентиляционная сеть, тем дольше устанавливается новое распределение воздуха после изменения параметров управляющих устройств. Это замедляет работу системы управления, которая должна регулировать потоки соразмерно скорости перехода системы в новое состояние. В крупных сетях система управления физически не способна реагировать на кратковременные изменения расхода воздуха или концентрации газов – такие колебания должны оставаться вне зоны её регулирования.

Возникает закономерный вопрос: можно ли выработать единый подход к созданию систем управления проветриванием в сложных сетях, который позволял бы заранее оценить, в каких условиях их внедрение будет экономически оправданным и технически реализуемым? Решение этого вопроса требует концептуального переосмысления управления проветриванием – особенно применительно к рудникам со сложными вентиляционными сетями. Под сложностью вентиляционных сетей здесь понимается именно сложность их управления, то есть наличие одного или нескольких следующих факторов:

• значительного количества регуляторов – положительных (вентиляторы) и отрицательных (вентиляционные двери);
• множества рабочих зон, соединённых параллельно, последовательно или по диагональным схемам и имеющих несинхронизированные графики работы;
• большой протяжённости воздушных трактов, повышающей инерционность системы.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование методологических принципов создания систем управления проветриванием для сложных вентиляционных сетей с учетом перечисленных выше факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить две ключевые задачи:

1. Определение пространственной глубины управления – обоснование иерархического уровня размещения регуляторов, обеспечивающего эффективное влияние на расход воздуха в рабочих зонах.
2. Определение временного масштаба управления – выявление характерных времен нестационарных процессов, которые могут быть объектом автоматического регулирования.

В первом пункте речь идёт о пространственном размещении отрицательных регуляторов на подземных горизонтах: важно определить, где именно их следует устанавливать, чтобы они оказывали значимое влияние на расход воздуха в рабочей зоне. Принципиально важно понять, при каком расположении регуляторов система сможет обеспечить ощутимую экономию электроэнергии.

Если первый вопрос рассматривает сеть в статическом аспекте, то второй касается её динамики: необходимо оценивать характерные времена нестационарных аэрологических процессов и сопоставлять их с временем отклика системы управления.

Существуют быстрые динамические процессы с настолько малым масштабом времени, что регулировать их вентиляционными дверями или вентиляторами невозможно – попытка приведёт к разбалансировке системы. К таковым можно отнести выделение газа из породного массива [8], аэродинамический эффект от проезда горной техники [9] и пр. Есть и медленные процессы (например, растепление породного массива [10]), для которых достаточно периодической ручной настройки вентиляционных окон (раз в неделю или месяц). Поэтому важно выделить процессы, время протекания которых сопоставимо с временем реакции системы управления (но не меньше его), и именно их использовать в качестве основы для автоматического регулирования.

Вопрос выработки единого подхода к созданию систем управления вентиляцией шахт и рудников рассматривался и ранее. Значительный вклад в этой области внесли исследования [11–13], в которых заложены теоретические основы построения систем автоматизированного управления воздухораспределением. Так, в работе [11] введён термин «система автоматизированного управления проветриванием» (САУП). Авторы [12] впервые указали на необходимость учёта разноинерционности аэродинамических и газодинамических процессов, обусловленной различной скоростью переноса возмущений, а также предложили классификацию вентиляционных сетей на легко- и трудноуправляемые. В работе [13] сформулирован критерий оптимальности управления вентиляционной сетью и предложены методы решения задачи оптимального управления.

При этом в настоящей работе мы опираемся на определение сложных систем вентиляции, данное С. В. Мальцевым¹, существенно дополнив его применительно к задачам управления.

Следует подчеркнуть, что в перечисленных работах оптимальное управление воздухораспределением рассматривалось преимущественно на компьютерных моделях вентиляционной сети. В настоящем же исследовании акцент сделан на применении методов теории автоматического регулирования. Таким образом, несмотря на наличие обширной теоретической базы вопрос методологии построения систем управления проветриванием для рудников со сложными вентиляционными сетями до сих пор специально не рассматривался.

¹ Мальцев С. В. Исследование и разработка способов определения аэродинамических параметров сложных вентиляционных систем подземных рудников. [Дисс. … канд. техн. наук] Пермь; 2020. 148 с.

Определение пространственной глубины управления проветриванием

Вентиляционные сети современных рудников представляют собой разветвлённые структуры: воздушный поток разделяется не один или два раза, а многократно. Особенно наглядно это проявляется в калийных рудниках (рис. 1), где, как правило, применяется центральная схема проветривания.

Рис. 1. Фрагмент вентиляционной сети калийного рудника Верхнекамского месторождения
(построен в программе «Аэросеть»)

Воздух, поступающий по воздухоподающему стволу, сначала распределяется по главным направлениям, затем поступает в воздухоподающие (транспортные и конвейерные) штреки панелей, а далее – в выработки блоков. Если устанавливать вентиляционные двери только на вентиляционных штреках главных направлений, регулировать распределение потоков между отдельными ветвями (воздушными трактами) внутри этих направлений – то есть на уровне панелей и блоков – будет невозможно.

Это обусловлено особенностями технологии ведения горных работ. На Верхнекамском месторождении применяется камерная система разработки с механизированной комбайновой выемкой. В таких условиях одновременно функционирует множество (несколько десятков) очистных забоев, разнесённых по различным панелям и работающих по асинхронному графику. В среднем простой каждого забоя может достигать 10 ч в сутки. Однако поскольку через одну вентиляционную дверь воздух подаётся сразу в несколько забоев, сократить общий расход воздуха в руднике оказывается практически невозможно [6].

Установка дверей на каждую панель в пределах одного направления, напротив, приведёт к значительному увеличению их числа, а значит – и к росту стоимости внедрения системы управления проветриванием. При этом двери должны быть установлены на всех параллельных ветвях (панелях) главного направления, чтобы исключить параллельные аэродинамические связи. В противном случае произойдёт закорачивание воздушной струи по той ветви, которая не оборудована отрицательным регулятором, что практически сведёт экономию к нулю.

Таким образом, решение о месте размещения вентиляционных дверей должно базироваться на двух ключевых факторах:

• количество потребителей, воздушный поток для которых управляется одной автоматической вентиляционной дверью;
• синхронность графиков работ этих потребителей.

Если потребителей много и их графики значительно рассинхронизированы, достичь заметной экономии электроэнергии вряд ли возможно. В таком случае двери следует устанавливать на уровень ниже – после следующего разветвления потоков на отдельные участки – и повторно оценивать, сколько потребителей управляется каждой автоматической дверью.

В идеале на одного потребителя должна приходиться одна вентиляционная дверь. Однако этот вариант не всегда реалистичен из-за большого числа рабочих зон, их высокой подвижности (фронт горных работ быстро перемещается), постоянной сменяемости, а также появления дополнительных возмущающих факторов для работы дверей вблизи отдельных рабочих зон – например, работы вентиляторов местного проветривания или проезда горной техники. Поэтому поиск компромиссного решения обычно требует проведения анализа – сравнения капитальных затрат на установку вентиляционных дверей с экономией эксплуатационных расходов за счёт снижения мощности вентиляторов.

Такая ситуация не характерна для калийных рудников Старобинского месторождения, где преимущественно применяется столбовая система разработки с обрушением кровли. На главных направлениях вентиляционных сетей этих рудников располагается сравнительно небольшое количество высокопроизводительных рабочих зон (лав), что позволяет добиваться существенной экономии электроэнергии [5].

Иная ситуация складывается при разработке систем управления проветриванием на рудниках с фланговой схемой вентиляции. Примером могут служить медно-никелевые рудники на севере Красноярского края, которые, как правило, имеют 5–7 стволов, 2–4 главные вентиляторные установки и множество подземных горизонтов. На рис. 2 представлена вентиляционная сеть одного из таких рудников, включающая три главных вентилятора, семь стволов и более десяти подземных горизонтов.

Рис. 2. Вентиляционная сеть медно-никелевого рудника в Красноярском крае

Если в случае центральных схем проветривания ещё можно достаточно ясно проследить топологическую связь между отдельными потребителями и вентиляционными дверями, то при фланговой схеме гораздо сложнее определить, как движется воздух, какие выработки оказывают наибольшее влияние на потребителей и где следует устанавливать вентиляционные двери.

Эта сложность обусловлена прежде всего большим количеством вентиляционных восстающих и уклонов, соединительных съездов и других выработок, которые приводят к появлению множества диагональных соединений и запутывают общую картину распределения потоков. В таких условиях затруднительно определить необходимую глубину управления и соответствующую ей схему расстановки вентиляционных дверей по подземным горизонтам.

Для решения этой задачи в настоящей статье предлагается использовать матрицы аэродинамического влияния. Они позволяют количественно оценить, как изменение каждого i-го регулирующего параметра сказывается на расходе воздуха у j-го потребителя.

Если есть предполагаемый набор вентиляционных дверей и нужно оценить, насколько удачно выбраны их положения, можно рассчитать матрицу аэродинамического влияния. Она состоит из элементов:

где R_0j – исходное аэродинамическое сопротивление j-й двери, Н · с²/м⁸; Q_0i – исходный расход воздуха на i-м потребителе, м³/с; ΔQ_i – приращение суммарного расхода воздуха на i-м потребителе в ответ на изменение сопротивления двери j, м³/с; ΔR_j – приращение сопротивления двери, Н · с²/м⁸.

Коэффициенты матрицы аэродинамического влияния (1) позволяют определить, какие вентиляционные двери оказывают значительное воздействие на расход воздуха у целевого потребителя и при этом не вносят существенных возмущений в регулирование расходов у остальных потребителей. Такая информация определяется величиной соответствующих коэффициентов (элементов) матрицы и их знаком.

Аналогичная матрица составляется для оценки влияния главных вентиляторных установок на расходы воздуха у потребителей:

где n_0j – исходная частота вращения рабочего колеса j-й вентиляторной установки, об/мин; Δn_j – приращение частоты вращения рабочего колеса j-й вентиляторной установки, об/мин.

Матрицы (1) и (2) по сути представляют собой матрицы Якоби (якобианы) вентиляционной сети. Они близки к матрицам чувствительности, применяемым для анализа устойчивости вентиляционных сетей рудников [14, 15], однако в данном случае выводятся в нормированном безразмерном виде. При таком подходе удобнее сопоставлять элементы матрицы для выработок с существенно различающимися расходами воздуха.

Важно понимать, что коэффициенты матриц не являются постоянными величинами: они зависят от исходных расходов воздуха Q_0i, аэродинамических сопротивлений R_0j и частот вращения вентиляторов n_0j. При существенном изменении режима проветривания рудника, для которого были определены матрицы (1) и (2), их числовые значения также могут заметно меняться. Более того, возможны и качественные изменения – особенно на диагональных участках сети, что указывает на изменчивость аэродинамических взаимосвязей и выделяет потенциально уязвимые зоны неустойчивого проветривания.

Мы построили такую матрицу для анализа эффективности выбранных мест размещения вентиляционных дверей на медно-никелевом руднике, представленном на рис. 2. Для шести укрупнённых потребителей воздуха (горных участков, включающих несколько рабочих зон) матрица (1) позволила выявить двери, оказывающие наибольшее влияние на их проветривание (рис. 3).

Рис. 3. Матрица аэродинамического влияния для потребителей воздуха (добычных участков) медно-никелевого рудника

Синие и голубые элементы соответствуют случаям, когда I_ij < 0, то есть рост сопротивления вентиляционной двери приводит к уменьшению расхода воздуха у данного потребителя. В то же время в матрице присутствуют элементы, для которых I_ij > 0: в этом случае увеличение сопротивления двери вызывает рост расхода воздуха у некоторых потребителей, расположенных на параллельных вентиляционных трактах по отношению к этой двери.

Для каждого потребителя воздуха были определены вентиляционные двери, оказывающие наибольшее по амплитуде отрицательное влияние. На основании этой информации выполнялось распределение функций между дверями с целью обеспечить на каждом потребителе требуемый расход воздуха.

Применение такого подхода, близкого к методам кластеризации, широко используемым в аналитике больших данных, часто позволяет выявить на матрицах отдельные кластеры – группы потребителей и дверей, тесно связанные между собой, но практически не связанные с остальной частью рудника. В таком случае система управления сложного объекта может быть структурирована в виде нескольких взаимонезависимых подсистем, что значительно упрощает её практическую реализацию.

Выделение этих кластеров становится возможным, например, при введении порогового значения для модуля I_ij (рис. 4). После отсечения всех ячеек с величинами ниже порога чётко проявляется, какие вентиляционные двери следует назначать регуляторами каких потребителей. При этом необходимость использования некоторых дверей может быть поставлена под сомнение – как, например, для дверей 1, 7 и 9 на рассматриваемом руднике.

Рис. 4. Бинаризованная матрица аэродинамического влияния для потребителей воздуха

Такой матричный подход был применён нами при разработке систем управления проветриванием на трёх медно-никелевых рудниках Красноярского края. Поскольку на этих рудниках используется сплошная слоевая система разработки и буровзрывной способ проходки, рабочие смены хорошо синхронизированы. Это позволяет выделить несколько достаточно крупных участков, содержащих потребителей воздуха, – для рассмотренного выше рудника их шесть (см. рис. 3, 4). Благодаря этому динамическое внутрисменное управление воздухораспределением способно обеспечить существенную среднесуточную экономию электроэнергии, которая для трёх исследованных рудников варьируется в диапазоне от 10,9 до 20,1 %.

Определение временного масштаба системы управления

Аэрологические процессы в рудничной атмосфере носят принципиально нестационарный характер и существенно различаются по характерным временам протекания.

Быстрые процессы. Наиболее быстрые процессы (например, прохождение ударной волны при буровзрывных работах или выбросах метана, распространение акустической волны при резком открытии или закрытии перемычек) имеют характерное время:

где L – длина основного тракта вентиляционной сети, м; c – скорость звука в воздухе, м/с. При L = 10 км получаем τ ≈ 30 с.

За столь короткое время воздухораспределение в сети, очевидно, не успевает выйти на стационарный режим. Для установления нового распределения требуется многократное прохождение акустических возмущений [16]. Характерное время выхода вентиляционной сети на стационарное распределение расходов можно оценить по уравнению, предложенному в работе [17]:

где ρ – плотность воздуха, кг/м³; S – площадь поперечного сечения выработки, м²; Q – расход воздуха, м³/с; H – депрессия, Па; R – аэродинамическое сопротивление, Н · с²/м⁸.

В этом случае характерное время

составляет уже порядка десятков минут.

Средние временные масштабы. Характерные времена технологических циклов зависят от конкретного вида работ. Они могут составлять:

• минуты – при перемещении ПДМ или автосамосвалов для очистки тупиковых выработок после взрывных работ, а также при работе комбайновых комплексов (например, на калийных рудниках Верхнекамского месторождения);
• часы – при проветривании тупиковых забоев после взрывных работ, выполнении ремонтных работ и др.

В общем случае временной параметр τ₃, отражающий цикличность технологических операций в рабочих зонах, должен определяться индивидуально. Аналогично определяется временной параметр τ₄, характеризующий длительность смен (рабочая, ремонтная, останов).

Медленные процессы. Наиболее медленные изменения связаны с тепловыми процессами в породном массиве (например, его растеплением, а также с сезонным изменением естественной тяги), длительность которых может достигать недель и месяцев. Их характерное время можно оценить по формуле [18]:

где R – характерный поперечный размер горной выработки (порядка нескольких метров), м; a – температуропроводность пород (≈ 10−6 м²/с).

Сопутствующие нестационарные процессы. В рудниках протекают и другие процессы – например, выделение пыли, метана, сероводорода из породного массива, а также газов от работы техники с двигателями внутреннего сгорания. Их временная динамика иногда коррелирует с работой оборудования, но в ряде случаев носит иной характер. Так, газовыделение из пород в калийных и угольных рудниках может варьироваться во времени в результате случайных процессов, при этом характерные времена таких колебаний могут составлять минуты [8, 11].

Это приводит к важному вопросу: на какой индикатор следует ориентироваться при управлении работой вентиляционных дверей и вентиляторов? Ряд авторов [19–21] предлагают использовать непосредственные показания газоанализаторов в забоях. Однако для рудников со сложными вентиляционными сетями это может быть непрактично, поскольку многие процессы газовыделения протекают существенно быстрее, чем система управления способна на них реагировать.

В таких условиях более надёжным критерием для управления является соблюдение нормативных расходов воздуха, рассчитанных по утверждённым методикам. Эти величины относительно стабильны во времени и могут служить базовым ориентиром при проектировании автоматизированных систем управления проветриванием.

Таким образом, все нестационарные процессы, протекающие в вентиляционных сетях рудников, можно классифицировать по их характерным временам. Это позволяет отразить их на единой временной шкале (таймлайне) совместно с характерным временем отклика системы управления проветриванием τ_у. При этом время отклика должно быть не меньше времени τ2, необходимого для установления стационарного воздухораспределения после внесения изменений в сеть (рис. 5).

На этой временной шкале можно выделить диапазон характерных времен, в пределах которого нестационарные процессы могут и должны регулироваться средствами системы управления проветриванием. Процессы, чьи временные масштабы находятся вне этого диапазона, либо не поддаются эффективному регулированию, либо их регулирование экономически и технологически нецелесообразно.

Из рис. 5, в частности, следует, что предметом управления в первую очередь являются технологические процессы, связанные с операциями в рабочих зонах, а также регулирование переходов между различными сменами (рабочая, ремонтная, останов). Последнее – так называемое динамическое посменное регулирование [22] – чаще всего выступает базовым уровнем реализации вентиляции по требованию на рудниках. Оно опирается на фиксированные уставки, то есть заданные на АРМ диспетчера расходы воздуха, которые обычно предполагаются неизменными в пределах каждой смены. Такой подход обеспечивает высокий уровень надёжности и стабильности функционирования системы управления, что многократно подтверждено практикой [5, 23, 24].

Вместе с тем процессы, определяемые характерными временами технологических циклов внутри смены (заезд и выезд техники, погрузка и разгрузка самосвалов и др.), также могут быть достаточно продолжительными, чтобы в ряде случаев допускать применение регулирования. Это открывает перспективное направление для будущих исследований – разработку методов внутрисменного управления вентиляцией. Их внедрение позволит повысить гибкость систем вентиляции по требованию, согласовать подачу воздуха с реальным ритмом производственных операций и, как следствие, обеспечить дополнительный потенциал для энергосбережения.

Заключение

Ниже сформулированы основные научные и практические результаты проведённого исследования:

1. Выделены три основных фактора, усложняющих управление воздухораспределением по мере развития вентиляционной сети: недостаточная пространственная глубина регулирования в сочетании с несинхронностью графиков горных работ на различных участках; усложнение аэродинамических связей между отдельными рабочими зонами и регуляторами воздуха; рост инерционности системы, увеличивающий время её отклика на возмущения.
2. Предложены методологические принципы проектирования систем управления проветриванием рудников со сложными вентиляционными сетями: при определении уровня регулирования необходимо учитывать количество потребителей, управляемых одной автоматической дверью, и синхронность их графиков, а временной масштаб системы следует соотносить с характерными временами аэрологических и горнотехнологических процессов.
3. Разработан новый математический аппарат для анализа аэродинамических связей в сетях с большим числом вентиляторов, стволов, горизонтов и диагональных соединений, основанный на матрицах аэродинамического влияния, их графическом анализе, кластеризации и структурировании сети на взаимонезависимые подсистемы.
4. Показано, что характерные времена технологических циклов (заезд и выезд техники, погрузка, разгрузка и др.) могут быть достаточно продолжительными, что допускает применение регулирования вентиляции на уровне этих процессов и открывает перспективное направление для дальнейших исследований.
5. Установлено, что для сложных вентиляционных сетей алгоритмы управления в первую очередь должны быть ориентированы на поддержание требуемого расхода воздуха. Регулирование по концентрации газов, динамично меняющейся при газовыделении из породного массива, в условиях таких рудников менее предпочтительно.