В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусмотрено «обеспечить добычу угля в 1985 году в количестве 770−800 млн. тонн». При решении этой важной народнохозяйственной задачи необходимо «улучшать условия труда и технику безопасности» .
В условиях интенсификации нагрузки на лаву и постоянного увеличения глубины разработки наблодается значительный рост метановыделения, что приводит к сдерживанию производительности выемочной техники по газовому фактору и снижает безопасность труда горнорабочих. Важное значение при этом приобретает вентиляция как основное средство борьбы с метаном. Одним из основных путей повышения ее действенности является создание систем автоматизации проветривания выемочных участков и тахты в целом / I /.
Большой вклад в разработку научных основ управления проветриванием шахт внесли: академик АН УССР А. Н. Щербань, академик АН ГССР А. А. Дзидзигури, член-корр. АН УССР Ф. А. Абрамов, докт. техн. наук А. Д. Багриновский, В. А. Бойко, А. С. Бурчаков, А. А. Волков, Ф. С. Клебанов, Л. Г. Мелькумов, П. И. Мустель, Б. И. Медведев, С. Н. Осипов, I.А.Пучков, Р. Б. Тян, К. З. Ушаков, Л. П. Фельдман, С. В. Цой, Л. А. Шойхет, канд.техн.наук К. Г. Акутин, И. Н. Засухин, Е. Ф. Карпов, И. М. Местер, В. Я. Потемкин, В. А. Святный и другие ученые. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в ИЩ им. А. А. Скочинского, МакНИИ, ИГД Каз. ССР, ВД СО АН СССР, ГУА, ДонУГИ, ИГТМ АН УССР, КИА, КНИУИ, МГИ, ЛГИ, ДЛИ, ДГИ в угольной промышленности ведется поэтапная реализация методов и технических средств управления проветриванием. В стадии внедрения и дальнейшего развития находится подсистема диспетчерского контроля и управления проветриванием АСУ ТП шахт АТМОС, разрабатывается система автоматического управления. б.
Одной из актуальных проблем, возникших в сязи с проектированием подсистем управления проветриванием АСУ ТП шахт, является задача учета горнотехнических условий практически во всех видах обеспечения подсистемы. В настоящей работе рассматриваются вопросы разработки математических моделей, алгоритмов управления и способов их реализации для условий выемочных участков со спаренными лавами.
Целью работы является установление закономерностей и построение математической модели процессов аэрогазодинамики выемочных участков со спаренными лавами с целью разработки алгоритмов управления вентиляцией таких участков для подсистемы управления проветриванием АСУ ТП шахты, повышающей эффективность вентиляции.
Идея работы — учесть взаимовлияние процессов аэрогазодинамики в лавах и вентиляционных штреках для разработки моделей и алгоритмов управления проветриванием участков со спаренными лавами.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
— математическая модель и алгоритмы расчета движения метано-воздушной смеси в пределах выемочного участка со спаренными лавами, отличающаяся учетом особенностей зависимой вентиляции лав;
— модель переходных аэрогазодинамических процессов для участков со спаренными лавами, новизна которой состоит в том, что она учитывает характер распределения утечек через выработанное пространство и может применяться для любых участковых схем с зависимой вентиляцией лав;
— зависимость утечек воздуха через выработанное пространство от расходов на соответствующих индивидуальных для каждой лавы вентиляционных штреках при W-образной схеме проветривания, отличающаяся тем, что имеет параболический характер.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе. Теоретические исследования выполнялись методами операционного исчисления, теории матриц, теории оптимального управления, теории разностных схем. Исследования разработанных моделей и алгоритмов расчета процессов аэрогазодинамики осуществлялось методами математического моделирования на аналоговых, цифровых и гибридных вычислительных машинах. Относительное отклонение модельных результатов от данных шахтного эксперимента по параметрам переходных аэрогазодинамических процессов не превышает 10%.
Научное значение работы состоит в том, что математические модели и алгоритмы расчета процессов аэрогазодинамики участков со спаренными лавами развивают методы теории управления проветриванием шахт, позволяют уточнить зависимости процессов рудничной аэрологии.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанные алгоритмы оптимального по быстродействию и автоматизированного управления проветриванием участков со спаренными лавами используются в подсистеме управления проветриванием АСУ ТП шахты АТМОС для расширения функций и области применения этой подсистемы, способствуют повышению эффективности управления вентиляцией.
Результаты диссертационной работы, включающие алгоритм оптимального по быстродействию управления проветриванием, использованы МакНИИ, ДЛИ, ДГИ в техническом задании «Программное обеспечение подсистемы диспетчерского (автоматизированного) контроля и управления проветриванием шахт (АТМОС-А)», а алгоритмавтоматизированного управления проветриванием участка со спаренными лавами — в программном обеспечении подсистемы АТМОС на шахте им. газеты «Социалистический Донбасс», где внедряется эта подсистема.
Основное содержание работы и отдельные ее положения докла.
8 I дывались и были одобрены на У междуведомственном региональном семинаре «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (г.Новосибирск, 1981 г.), на всесоюзной конференции «Автоматизированные системы безопасности на шахтах и рудниках» (г.Киев, 1982 г.), на республиканской научно-технической конференции «Применение вычислительной техники и электронного моделирования в народном хозяйстве» (г.Хмельницкий, 1982 г.).
По материалам диссертационной работы опубликованы восемь статей.
Работа выполнена на кафедре электронных вычислительных машин Донецкого политехнического института, связана с планом и тематикой научно-исследовательских работ, выполняемых на кафедре по проблеме автоматизации управления проветриванием шахт, а также с работами в рамках целевой комплексной научно-исследовательской программы 0.Ц.026 раздел 03 «Разработка и внедрение в практику создания АСУ ТП методов автоматизированного проектирования АСУ ТП и их программного обеспечения», разработанной ГКНТ СМ СССР.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗДЦАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Процесс управления проветриванием выемочных участков угольных шахт преследует своей целью поддержание расхода воздуха и концентраций метана в выработках на уровнях, установленных Правилами безопасности. С учетом возрастающей интенсификации ведения горных работ, разработки пластов на все больших глубинах повышается метанообильность шахт. Так, абсолютная метанообиль-ность выемочных участков за последние 13 лет увеличилась в 2,1 раза, а удельный вес сверхкатегорных шахт к 1990 году предположительно составит 80% /2 /. Для улучшения указанных показателей МакНИИ, ДонУГИ, ИГД им. А. А. Скочинского проводятся работы по совершенствованию вариантов схем проветривания выемочных участков. Разработаны схемы, позволяющие повысить производительность лав за счет разбавления метана по источникам поступления / 3, 2 /.
Наиболее перспективными здесь являются схемы с разбиением лавы на части по способу проветривания, разработанному в ИГД им. А. А. Скочинского / 4 /, в сочетании с обособленным разбавлением метана по источникам поступления. Такие схемы позволяют увеличить нагрузку на лаву в 10−15 раз, в то время как только при разбиении лавы ее нагрузка может возрасти в 1,3−1,7 раза / 2 /. учитывая при этом, что применение спаренных лав дает возможность повысить концентрацию горных работ на выемочном участке / 5 /, их использование достаточно перспективно. Это подтверждается динамикой распространения участков со спаренными лавами: в 1980 году на шахтах Минуглепрома УССР таких участков насчитывалось 107 (7,1 $ от общего количества), а в 1983 году их число превысило 200 и составило 12 $.
Управление проветриванием выемочных участков со спаренными лаваш сопряжено с рядом трудностей: достаточно сложная вентиляционная схема (с учетом утечек через выработанное пространство), зависимость аэрогазодинамических процессов в лавах друг от друга, а также от фильтрационных процессов в выработанных пространствах. Это сильно усложняет ручное управление распределением воздушных потоков и оптимизацию этого процесса. Поэтому создание на участках с зависимым проветриванием лав автоматизированных и автоматических систем управления вентиляционным режимом является актуальной задачей.
Объектом управления в такой системе является вентиляционная сеть выемочного участка, которая математически представляет собой нелинейный многосвязный объект с распределенными во времени и пространстве параметрами. Аэрогазодинамика участка также в большой степени определяется его топологией. На рис. 1.1 приведены варианты схем вентиляции выемочных участков с зависимым проветриванием лав и последовательным разбавлением метана по источникам поступления.
Сущность схем проветривания с разделением лавы на части (как правило, две) состоит в том, что метан в каждой части лавы разбавляется своей свежей струей (рис. 1.1). При необходимости снижения концентрации метана на исходящей струе участка может применяться обособленное разбавление с помощью дополнительных струй воздуха.
Вся совокупность рекомендуемых / 7 / схем с зависимым проветриванием лав характеризуется рядом особенностей. Во-первых, наличие аэродинамически связанных двух лав (или двух участков лавы). Во-вторых, общий вентиляционный штрек для двух лав в некоторых схемах вентиляции. В-третьих, если разделяющая лавы выработка поддерживается в выработанном пространстве, аэрогазодинамические процессы в последних зависят друг от друга, что не.
ЛАВА 1.
AQBA 2.
Рис. 1.1 Схемы Вентиляции участка с зависимым ПРоВегПРи&аниеМ лаВ: аРазделпюща Я лай*/ Выработка подде.рж.ц&аегГ1с$.
В Выработанном простронот Be. • ' S" - Разделяющая лаВи Выработка проёедеия 6 мас.с.и6е уппЯ обходимсГучитывать при регулировании. Т. е. участки с зависимым проветриванием лав требуют взаимоувязку управлещш вентиляцией каждой лавы.
Описывая вентиляционный участок как объект управления, можно выделить три основных группы процессов: воздухораспределение в вентиляционной сети участка с учетом утечек (I на рис. 1.2) — формирование источников метановыделения и в том числе из выработанного пространства (П 2) — перемешивание метана и воздуха в объемах горных выработок и выработанном пространстве (П 3). Взаимодействие этих процессов показано на рис. 1.2. При определенных аэродинамических параметрах элементов участковой вентиляционной сети, а также заданных значениях депрессии Н и вектора сопротивлений регуляторов расхода воздуха R могут быть определены расходы воздуха в выработках. Величины утечек и законы их распространения получаются при решении задачи нестационарной фильтрации воздуха в выработанное пространство. При известных газодинамических параметрах участка результаты решения задачи фильтрации используются для определения вектора дебитов метана Qm в зону выработанного пространства, омываемую утечками. Формирование вектора концентраций С в различных пунктах выемочного участка производится на основании данных предыдущих задач, законов перемешивания и массопереноса газа в горных выработках и выработанном пространстве. Необходимо отметить, что такое разбиение аэрогазодинамических процессов достаточно условно, а для их более точного описания необходимо учитывать возмущающие воздействия по воздуху и метану .
Рекомендуется 69 вариантов схем с зависимым проветриванием лав /7 /.По характеру сопряжения объемов выработок их можно объединить в 4 группы. Схемы объединения объемов перемешивания приведены на рис. 1.3. Исключение составляют схемы типа.
QST, 2 QM.
Iqm н 1 .t Q s с.
Puc.i.2 Структура аэрогазодинамических процессов, но Выемочном участке.
QmM.
1,.
-" Мбп.
1*.
Qmai Qa? 6 Q ш.
QmA2.
Qma* &.
Qa^.
Г" Qaa V6n и.
Рис. ЛЗ. Cx емь/ объединения о5ъ&мо6 элбментоё 8&-нтц— ляционного участка с заВисамым проВетрцёанием лав.
2 2-В-З-б-ср, а также схемы подтипа К (движение исходящей струи на массив угля и на выработанное пространство одновременно, причем последние могут быть получены путем введения в структуры (рис. 1,3) дополнительных объемов вентиляционных штреков. На рис. 1.3,а приведена схема объединения объемов при наличии выработки, поддерживаемой в выработанном пространстве и двух вентиляционных штреков. В объем лавы поступает свежий воздух Qlfti (величиной концентрации в откаточном штреке пренебрегаем) и дебит метана Qm/u. В данной схеме часть воздуха (Qyi) из лавы попадает на вентиляционный штрек через выработанное пространство С Van i), где обогащается метаном QmL. В объеме вентиляционного штрека Vbuii образуется смесь воздуха с расходом dun и метана, поступающего из лавы и выработанного пространства. В такой схеме проветривания кавдой лаве соответствует свое выработанное пространство и процессы в них могут быть описаны порознь. Если же участок со спаренными лавами имеет одно выработанное пространство (рис. 1.1,6), то утечки из лавы омывают один объем в различных направлениях и, обогащенные метаном, вытекают на вентиляционные штреки (рис. 1.3 б). Аналогично можно охарактеризовать процессы и на участках, имеющих один вентиляционный штрек (рис. 1.3 в, г). Следует отметить, что в схемах с разбавлением метана по источникам поступления расход воздуха на каждом вентиляционном штреке будет состоять из расходов лавы, утечек и дополнительной воздушной струи:
Quit =Qia+Qyi+Qt*.
В некоторых схемах утечки могут выноситься из выработанного пространства в лаву, т. е. соответствующие связи на рис. 1.3 изменят направление.
Для разработки систем автоматического управления проветриванием выемочных участков со спаренными лавами необходимо иметь достаточно простые математические модели участка как объекта управления. При этом они должны отражать физические свойства объекта с заданной точностью. Для схем вентиляции выемочных участков с зависимым проветриванием лав такие модели не разработаны, процессы проветривания здесь еще изучены недостаточно. Очевидно, что по своей физической сущности последние во многом совпадают с процессами на участках с одиночными лавами. Это, например, подтвервдается выводами, сделанными в работе / 6 /.
Описанию переходных аэрогазодинамических процессов на выемочных участках посвящено большое количество работ. Математические модели построены для участков с одиночными лавами, столбовой и сплошной системами отработки угольного пласта. При этом ряд моделей основывался на статистической обработке данных шахтного эксперимента. К ним можно отнести математические модели, описанные в работах Абрамова Ф. А., Тяна Р. Б. / 8 /, Волкова А. А., Чуберкиса В. П. / 9 /, Бойко В. А., Петречука А.А./10 /- Акутина К. Г. / 36 /. Также на основании анализа экспериментальных данных были получены уравнения в работе Касимова О. И., Ка-пиева Р.Э./ Ц /, причем качественно одинаковые описания переходных аэрогазодинамических процессов при ступенчатом изменении режима проветривания имели существенно различные коэффициенты в зависимости от знака приращения расхода воздуха. В работе Клебанова Ф.С./ 12 / выведены уравнения движения метановоздушной смеси по горным выработкам. Во всех указанных работах описывается зависимость концентрации метана в исходящей струе участка при изменении расхода воздуха. В модели Местера И. М. /13,14 / выемочный участок как объект управления проветриванием представлен передаточной функцией, полученной по кривым разгона. Использование в качестве базовых этих математических моделей применительно к участкам со спаренными лавами не представляется возможним ввиду недостаточного количества экспериментальных данных и отсутствия физического смысла параметров моделей. Возможно использование методики построения модели аэрогазодинамических процессов, примененной Фельдманом Л. П., СвятнымВ.А., Слепцовым А. И, Касимовым 0.И. / 15,16,17,18 /.За основу принято описание объекта на базе законов механики движения смесей газов. Процессы представлены уравнениями в частных производных, решение их позволяет определить утечки воздуха и концентрации метана в горизонтальной площади выработанного пространства для участков с трехсторонним примыканием воздушной струи к выработанному пространству. При этом для учета особенностей схем с обособленным разбавлением метана можно применить методику, изложенную в работах / 19,20 /.
В течение последних двух десятилетий различными организациями страны активно велись работы по созданию научных основ автоматического управления проветриванием шахт. Основные направления решения данной проблемы были определены Всесоюзными совещаниями, проведенными в 1962, 1964, 1967, 1972 годах. При этом было признано целесообразным поэтапное решение задачи управления проветриванием: от диспетчерского контроля и управления — к автоматическому. Такой подход позволит использовать опыт создания и эксплуатации систем с диспетчерским управлением при разработке автоматических систем, наиболее эффективно использовать имеющиеся аппаратные средства и программное обеспечение.
В настоящее время на ряде шахт функционируют системы телеконтроля за состоянием шахтной атмосферы / 21,22,23 /, прошла успешные испытания система автоматического контроля и управления проветриванием на Дегтярском руднике /24 /. Для последней системы расчеты показывают, что только за счет экономии электроэнергии может быть достигнут экономический эффект 50 тыс. рублей в год / 14 /. Подсистема диспетчерского управления на шахте «Молодогвардейская» п/о «Краснодонуголь» прошла приемочные испытания в 1975 году. Ее опытно-промышленная эксплуатация подтвердила высокую надежность подсистемы, повышение эффективности АСУ ТП шахты в целом /25 /.
Создание и испытания подсистемы диспетчерского контроля и управления проветриванием (АТМОС) на шахтах }? 8 «Великомостов-ская-Комсомольская» п/о «Укрзападуголь» и им.50-летия Октябрьской революции п/о «Карагандауголь» / 26,27 / явились той базой, которая сейчас позволяет вести. разработки по дальнейшему совершенствованию систем управления проветриванием. Впервые в отечественной и зарубежной практике создан комплекс. технических средств образующий подсистем, математическое обеспечение которой позволяет решать задачи контроля и обработки параметров рудничной атмосферы, диспетчерского управления проветриванием. В подсистеме АТМОС использовалась современная аппаратура контроля концентрации метана и расхода воздуха (комплексы «Метан», «Воздух», ИСВ-1), создана аппаратура управления расходом воздуха АУЕВ и соответствующие исполнительные устройства регулирования расходов воздуха / 28 /.
Анализ литературных источников показывает, что в зарубежной практике также имеет место разработка и реализация систем контроля и управления вентиляцией горнодобывающих предприятий / 29, 30,31 /. При этом используются системы в основном предназначенные для автоматической регистрации параметров шахтной атмосферы. Такие системы осуществляют контроль на шахтах США / 87 /, Франции / 88 /, Бельгии / 89 /, Польши / 90 /, Великобритании /91, 92 /# Существенным является опыт использования микропроцессорных средств в качестве устройств первичной обработки данных в подземном полукомплекте оборудования / 87, 92 /.
Применение современной вычислительной техники для управления процессами вентиляции позволяет значительно расширить диапазон решаемых подсистемой задач, что предопределяет возможность перехода на автоматическое управление проветриванием. После внедрения подсистемы диспетчерского контроля и управления проветриванием с учетом изучения результатов ее эксплуатации происходит совершенствование программных и технических средств.
В плане развития программного обеспечения подсистемы важную роль играет модернизация существующих и ввод новых задач, направленных вначале на автоматизацию диспетчерского управления, а затем и на полную автоматизацию процесса управления проветриванием. Совершенствование алгоритмов подсистемы позволяет улучшить как ее количественные (число обрабатываемых сигналов, управляемых регуляторов расхода воздуха и др.), так и качественные характеристики. К последним можно отнести учет горнотехнических и горногеологических условий, а также аэрогазодинамики объекта управленияповышение оперативности и сокращение длительности управленияувеличение функциональных возможностей и точности регулирования. В этой связи разработка алгоритмов управления проветриванием участков со спаренными лавами с учетом развития алгоритмического обеспечения подсистемы диспетчерского контроля и управления АТМОС даст возможность внедрения последней на шахтах, имеющих выемочные участки с зависимой вентиляцией лав. В этой связи представляется целесообразным рассмотрение существующих алгоритмов контроля и управления проветриванием с целью анализа их применимости на участках с зависимой вентиляцией лав.
Различный подход авторов к описанию газодинамических явлений в шахтной вентиляционной сети послужил причиной разработки множества методов управления проветриванием. При этом большинство исследователей / 32,33,14,34,35,36,37 / рассматривают процесс управления вентиляцией фактически как стабилизацию концентрации метана на заданном уровне. Тоща с целью повышения оперативности регулирования период управления выбирается либо из условий квантования по уровню / 34,32,36 /, либо интервал управления остается постоянным порядка 20−40 мин. / 33,35,37 /, либо осуществляется непрерывное управление / 38,14 Л Указанные алгоритмы управления заключаются практически в постоянном изменении вентиляционного режима и требуют на это специальных разрешений Госгостехнадзора.
Кроме того, применение этих алгоритмов не всегда приемлемо в условиях спаренных лав. Так, использование алгоритма комплексного управления расходом воздуха на выемочном участке / 35,39 / в режиме безопасного оперативного регулирования для ликвидации загазований в одной лаве может вызвать опасное повышение концентрации в другой.
В условиях зависимой вентиляции лав известные алгоритмы / 28,38 / сводятся к преобразованию данных по таким участкам к обычным схемам вентиляции и соответствующем учете их в общешахтных алгоритмах управления. В случае двухслоевых участков в / 38 / разработана система локального управления проветриванием, основной идеей функционирования которой является выравнивание концентраций в исходящих струях участка с целью управления в составе подсистемы управления проветриванием шахты. Однако такой подход не приемлем в условиях участков со спаренными лавами, т.к. построен на специфических особенностях схемы проветривания двухслоевых участков как объекта управления.
Алгоритм диспетчерского управления проветриванием подсистемы АТМОС / 28 / предусматривает управление участком со спаренными лавами и общим вентиляционным штреком, однако допускает многовариантность стратегий управления, что ограничивает эффективность его применения.
Разработаны алгоритмы оптимального в смысле быстродействия управления, позволяющие уменьшить длительность переходных газодинамических процессов на участке в 2−4 раза / 15,40,41 /. Применение этого принципа для скорейшего снижения загазованности участков весьма перспективно, но требует в условиях спаренных лав дальнейшего развития.
Съем информации с датчиков в подсистеме осуществляется вычислителем (ЭВМ), который также производит необходимые операции для ее накопления и первичной обработки. Опрос датчиков за период контроля должен обеспечивать достаточно представительную выборку информации. Длительность периода контроля Тк зависит в общем случае от способа управления. Периодичность последнего для различных алгоритмов колеблется от нескольких суток до десятков глину т. Увеличение частоты опроса датчиков ограничивается практически низкочастотной составляющей процесса изменения концентраций метана и составляет 0,01−0,05 Гц. При этом, возможны высокочастотные колебания концентрации метана не определяющие газовую обстановку участка, которые частично сглаживаются аппаратурой контроля /42 /.В целом, анализ методов контроля / 37,.
8,43,44,14 / позволяет сделать следующий вывод. Если применяются алгоритмы управления с ситуационной инициализацией, либо с периодом 2−4 часа и менее, то для получения достоверной информации необходимо осуществлять контроль с максимальной частотой и сглаживание входных сигналов, воспользовавшись, например, оператором экспоненциального сглаживания. В случае, если заранее известна длительность интервала контроля и она достаточно велика (не менее 6 часов) период опроса датчиков можно увеличить до 1−5 минут и ограничиться вычислением среднего значения контролируемого параметра /14 /.
Следовательно, ввиду необходимости учета реальных свойств аппаратуры (инерционности датчиков и системы телеконтроля) и возможного изменения частоты контроля в процессе совершенствования алгоритмов управления проветриванием следует период опроса датчиков Тк реализовывать в подсистеме программно-задаваемым, что легко осуществимо при наличии средств вычислительной техники.
Важным моментом для достижения оптимального воздухораспре-деления на выемочном участке является правильный выбор потребных расходов воздуха. Подход к решению этого вопроса также тесно связан с применяемым алгоритмом управления. Если последний предполагает постепенное изменение вентиляционного режима с целью стабилизации концентрации метана в заданных пределах / 14,33, 34 /, то расчет требуемого расхода воздуха Qt осуществляется на основании среднего или сглаженного текущих расхода воздуха Q и концентрации метана С, а также заданного уровня концентрации Ст в соответствии с выражением:
QT= «с7 'Q • (1л).
При этом новое значение Qt вычисляется перед кавдым актом регулирования, т. е. с периодом исчисляемым десятками минут. В случае периодического регулирования с большим интервалом управления / 28,43 / ввиду увеличения вероятности превышения концентрацией метана допустимого уровня требуемый расход воздуха определяется по правилу «трех сигм» / 45,46 /;
QT=-ь^) (1.2) где Q., С — средние за период наблвдения расход воздуха и концентрация метана;
Эс — среднее квадратичное отклонение концентрации метана.
Применение выражения (1.2) дает некоторое завышение Qt «но, например, по данным Г. Л. Пигиды для условий Львовско-Волын-ского бассейна вероятность превышения допустимой концентрации метана сооветствует 17 минутам простоев в сутки /47 /, то есть для больших периодов контроля правомерно.
В целом анализ литературных источников показал, что существующие алгоритмы управления проветриванием не учитывают зависимостей и ограничений, характеризующих участки со спаренными лавами и в этой связи задача разработки и исследования алгоритмов управления (в том числе и диспетчерского) вентиляцией объектов с зависимым проветриванием лав представляется актуальной.
Из проведенного анализа состояния работ в области автоматизированного и автоматического управления вентиляцией участков со спаренными лавами вытекают следующие основные задачи исследований:
1. Исследование и разработка математического описания аэрогазодинамики участков с зависимым проветриванием лав.
2. Исследования математического описания с целью разработки модели процессов проветривания как объекта управления, позволяющего учитывать многообразие схем проветривания выемочных участков.
3. Исследования такой модели с целью апробации и идентификации ее параметров.
4. Разработка эффективных алгоритмов управления, позволяющих максимально учитывать особенности участков со спаренными лавами.
5. Разработка и исследование алгоритмов управления, позволяющих сократить время управления в условиях зависимой вентиляции лав.
6. Реализация результатов исследований в процессе функционирования и совершенствования подсистемы управления проветриванием АТМОС АСУ ТП шахтй.
ВЫВОДЫ.
1. Установлена зависимость между расходами воздуха в однотипных выработках участка со спаренными лавами при изменении аэродинамического сопротивления в одной из них,.
2. Разработан и исследован адаптивный алгоритм автоматизированного (диспетчерского) управления проветриванием участка с зависимой вентиляцией лав,.
3. Разработан и апробирован алгоритм оптимального в смысле быстродействия управления с ограничением управляющего воздействия по фактору газодинамики. Предложены рекомендации по его наиболее эффективному црименению.
4. Обосновано применение метода непосредственного цифрового управления в подсистеме управления проветриванием в плане совершенствования функциональных возможностей и технических средств последней.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки алгоритмов управления вентиляционными режимами участков со спаренными лавами для подсистемы управления проветриванием АСУ ТП шахты, повышающей эффективность вентиляции.
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Разработанная модель переходных аэрогазодинамических процессов на участках со спаренными лавами, построенная на основе решения задачи распределения воздуха на участке, учитывает характер распределения утечек через выработанное пространство и может применяться для любых участковых схем с зависимой вентиляцией лав.
2. Зависимости утечек воздуха через выработанное пространство от расхода на соответствующих индивидуальных для каждой лавы вентиляционных штреках при W-образной схеме проветривания, полученные путем численного эксперимента, проводимого с использованием разработанных алгоритмов и программ расчета воздухо-распределения на участках с зависимой вентиляцией лав, имеют параболический характер.
3. Исследование разработанных алгоритмов построения модели аэрогазодинамических процессов, настраиваемой на произвольную вентиляционную схему, для участков со спаренными лавами показало возможность их применения с относительной погрешностью не превышающей 10%.
4. Использование линеаризованной модели газодинамики участка позволило установить зависимости максимально допустимой скорости изменения расхода воздуха, при которой концентрация метана не превысит допустимого значения, а также моментов переключения при оптимальном по быстродействию управлении от газодинамических параметров участка с зависимой вентиляцией лав.
5. Исследования алгоритмов оптимального в смысле быстродействия управления проветриванием показали, что предложенный алгоритм с ограничением управляющего воздействия по газовому фактору целесообразно применять в случае достижения предельного значения расхода на участке при управлении с максимальным значением управляющего воздействия и ограничением по концентрации метана.
Результаты выполненных исследований нашли следующее практическое применение (документы, подтверждающие использование данных результатов, приведены в приложении 2).
1. Алгоритм оптимального по быстродействию управления с ограничением управляющего воздействия по газовому фактору использован при разработке технического задания «Программное обеспечение подсистемы диспетчерского (автоматизированного) контроля и управления проветриванием шахт (АТМОС-А)» .
2. Алгоритм автоматизированного управления проветриванием участков со спаренными лавами использован ДЛИ при генерации программного обеспечения подсистемы АТМОС на шахте им. газеты «Социалистический Донбасс», где подсистема внедряется в соответствии с приказом Минуглепрома УССР № 164 от 24.08.83 г. В настоящее время подсистема находится в опытно-промышленной эксплуатации. Расчетный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в рамках подсистемы составляет 13,05 тыс. руб. в год.
3. Модели переходных аэрогазодинамических процессов на выемочных участках, построенные в соответствии с разработанной методикой использованы:
— ДЛИ для обоснования алгоритмических решений при разработке и отладке задач подсистемы автоматизированного управления проветриванием и включено в состав системы автоматизации проектирования АСУ ТП угольных шахт, разрабатываемой на кафедре.
ЭВМ ДЛИ;
— МакНИИ для обоснования допустимых норм концентраций метана.
