Оптимизация размещения регуляторов воздухораспределения в вентиляционной сети подземного рудника на основе анализа взаимосвязи параметров сети и применения генетического алгоритма

Эффективное, качественное и устойчивое проветривание горных выработок является одним из главных факторов, определяющих безопасные условия труда в подземном руднике.

Рудные месторождения часто имеют неправильную форму и непостоянные элементы залегания, в ряде случаев они состоят из обособленных и взаимно удаленных залежей с различной горногеологической характеристикой. Эти особенности рудных месторождений обуславливают необходимость применения сложных схем вскрытия глубоких горизонтов, что приводит к образованию весьма протяженной и разветвленной сети подземных выработок.

На устойчивость режима проветривания влияет также наличие на одном и том же руднике нескольких обособленных залежей, расположенных сравнительно далеко одна от другой и обслуживаемых несколькими вентиляционными стволами, оборудованными разными вентиляционными установками. В таких условиях на отдельных участках вентиляционной сети могут образовываться застойные зоны.

К специфическим особенностям разработки рудных месторождений относится то, что в рудниках одновременно находится в действии большое число блоков, эксплуатационные работы в которых могут проводиться с применением разных систем разработки. Интенсивный вынос пыли и газов можно обеспечить только при подаче в рудник и отдельные забои достаточно большого количества воздуха. Для преодоления общего сопротивления рудника при этом необходимо применять высокопроизводительные и высоконапорные вентиляторы огромной мощности.

Вместе с тем увеличение количества воздуха имеет предел. Этому пределу соответствует наибольшая допустимая скорость движения воздуха по горным выработкам, превышение которой влечет за собой сдувание дисперсной пыли и увеличение ее концентрации в рудничном воздухе.

С углублением горных работ управление вентиляцией рудника усложняется. Подаваемый в рудник воздух по выработкам и очистным блокам распределяется неравномерно, чему способствует весьма сложная и сильно разветвленная сеть горных выработок, особенно в случаях одновременной отработки нескольких этажей. Обычно для регулирования распределения воздуха используют местные регуляторы — вспомогательные вентиляторы и вентиляционные окна. Однако размещение регулирующих устройств в сети выработок далеко не всегда оказывается достаточно эффективным для решения задачи правильного распределения воздуха в рудничной вентиляционной сети и приводит к образованию застойных зон или, напротив, резкому увеличению скорости воздуха и превышению предельных по требованиям техники безопасности значений в отдельных выработках.

Для отработки новых горизонтов требуется пересматривать схемы вентиляции горных работ, учитывая связность вентиляционной сети и взаимосвязи вентиляционных параметров разных выработок. По мере развития технологических процессов разработки месторождений, появления нового оборудования, ужесточения требований надзорных органов является необходимым и совершенствование методического и программного обеспечения проектирования вентиляционных систем. Современные возможности вычислительной техники позволяют ставить задачи по проведению сложных процедур многокритериальной оптимизации вентиляционной сети, традиционно решаемых проектировщиками преимущественно на основе эмпирических подходов.

Усложняют процесс регулирования вентиляционной сети следующие факторы:

• наличие зон обрушения, через которые происходят утечки воздуха;

• многодиагональные соединения выработок сложной конфигурации;

• работающие на сеть вентиляторы главного, вспомогательного и местного проветривания, создающие нестабильность при регулировании распределения воздуха и риск опрокидывания струи;

• действие естественной тяги.

Особенно сложным вопросом является определение устойчивости и эффективности проветривания в сложных многодиагональных соединениях, так как зачастую очистные выработки, требующие максимально устойчивой и надежной подачи воздуха, представляют собой многочисленные диагонали. Процесс распределения воздуха между диагональными соединениями — наиболее сложная задача расчета и управления. Наличие в сети пространственных диагоналей — наклонных и вертикальных выработок, между подэтажами и этажами, как, например, на Хибинских апатитовых рудниках, усугубляет сложность регулирования распределения воздуха, так как в различных частях сети появляются обратные запланированным направлениям потоки и выработки с нейтральным режимом.

Проектирование вентиляционной системы в таких условиях требует детального расчета воздухораспределения в сети с учетом всех перечисленных выше факторов, а значит, требуются и средства автоматизации проектирования вентиляционных сетей, позволяющие упрощать процесс оптимизации регулирования воздуха в сети.

Осуществить проверку эффективности выбранного варианта расположения регуляторов в сети необходимо еще на стадии проектирования, а для этого требуется создать модель вентиляционной системы с установленными регуляторами и рассчитать распределение воздуха в ней. Для максимального облегчения решения этой задачи требуется использовать автоматизированную систему проектирования вентиляционных систем, учитывающую при моделировании перечисленные выше факторы.

Вопросам регулирования воздухораспределения в вентиляционных сетях рудников посвящено значительное число работ, среди которых можно выделить труды А. Д. Вассермана, С. П. Алехичева, Г. В. Калабина, Ф. А. Абрамова, В. А. Бойко, Р. Б. Тяна, А. А. Потемкина, С. Цоя, А. Д. Багриновского, Е. И. Рогова, С. И. Петровича, С. М. Цхай, М. Н. Бодягина, А. Г. Евдокимова, А. А. Мясникова, С. И. Луговского, Г. К. Рязанцева, Е. Г. Давыдова.

Анализ состояния вопроса показал, что в настоящее время в России и за рубежом активно разрабатываются и внедряются системы автоматизации проектирования вентиляционных систем на основе применения современных компьютерных технологий и развивающихся методов математического моделирования. Однако проблема оптимизации размещения регуляторов разных видов в протяженной вентиляционной сети рудника решена не полностью, и остается важной научно-технической задачей.

Эти обстоятельства указывают на необходимость разработки методов и средств оптимизации размещения местных регуляторов в вентиляционной сети для системы автоматизированного проектирования вентиляционных систем. Следовательно, необходимо разработать средства автоматизации создания и редактирования топологической модели, совершенствовать методы расчета распределения воздуха в сети с действующими регуляторами для моделирования вариантов расположения регуляторов в вентиляционной сети, разработать метод оптимизации размещения и параметров регуляторов в вентиляционной системе рудника, совершенствовать методы оценки эффективности проветривания рудника с заданным размещением регуляторов.

Цель работы— обоснование эффективных вариантов регулирования вентиляционной системы подземногорудника на основе выбора параметров регуляторов и оптимизации их размещения в вентиляционной сети.

Основная идея работы заключается в выборе параметров регуляторов и оптимизации их размещения в вентиляционных сетях подземных рудников на основе анализа взаимосвязи параметров сети и применения генетического алгоритма.

Задачи исследований:

1. Разработка метода оптимизации размещения регуляторов в вентиляционной сети рудника на основе анализа взаимосвязи параметров сети и применения генетического алгоритма и реализация метода в системе автоматизации проектирования вентиляционных систем.

2. Совершенствование метода расчета распределения воздуха в сети с действующими регуляторами для моделирования вариантов расположения регуляторов в вентиляционной сети.

3. Совершенствование критериев оптимальности размещения регуляторов в вентиляционной системе.

4. Разработка средств автоматизации создания и редактирования топологической модели рудника.

Объект исследования — вентиляционные системы рудников со сложной топологией.

Предмет исследования — методы оптимизации системы регуляторов вентиляционных сетей.

Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение научного и практического опыта по проблеме вентиляции подземных рудников, численное моделирование воздухораспределения, анализ данных воздушно-депрессионных съемок, системный анализ, генетические алгоритмы. Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Разработанный метод оптимизации размещения регуляторов воздушных потоков, основанный на анализе взаимосвязи параметров вентиляции и применении генетического алгоритма, дает возможность эффективно распределить потоки воздуха в подземных выработках.

2. Усовершенствованный метод расчета распределения воздуха в вентиляционной системе с учетом естественной тяги, утечек воздуха в зонах обрушения и аэродинамических характеристик вентиляционных устройств, основанный на применении метода простых итераций и уточнении поправок расхода воздуха для каждого контура с помощью модифицированного метода Ньютона, позволяет достоверно определить потоки воздуха в вентиляционной сети рудника за малое количество итераций.

3. Разработанные алгоритмы и программы упрощают процесс расстановки регуляторов в вентиляционной сети по заданной трехмерной модели и позволяют произвести оценку эффективности регулирования вентиляционной системы рудника. Научная новизна работы;

— разработан новый метод оптимизации размещения регуляторов в сложных вентиляционных сетях подземных рудников на основе анализа взаимосвязи параметров вентиляции и применения генетического алгоритма;

— установлена возможность эффективного размещения регуляторов в вентиляционной сети рудника с помощью разработанного метода;

— показана высокая точность, надежность и быстрая сходимость итерационного процесса расчета воздухораспределения с помощью усовершенствованного метода расчета распределения воздуха в сети, учитывающего действие регуляторов;

— установлены критерии оптимальности размещения регуляторов с учетом суммарной невязки расходов воздуха по ветвям с заданными ограничениями скорости воздушных потоков.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами численного моделирования при проведении научно-исследовательских и проектных работ. Использованные методы численного моделирования базировались на корректных математических моделях, отражающих известные законы аэродинамики.

Практическое значение работы состоит в использовании разработанного метода размещения регуляторов в вентиляционных сетях подземных рудников при проектировании вентиляции рудников.

Предложенные методики и алгоритмы реализованы в модулях системы автоматизированного проектирования вентиляционных систем САПР ВС, использованной при проектировании расчетных сетей и систем проветривания рудников ЗАО «СЗФК» (Олений ручей и Партомчорр).

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах Горного института КНЦ РАН, на Всероссийской научной конференции с международным участием «Компьютерные технологии при проектировании и планировании горных работ» (Апатиты, 2008), на межрегиональной научно-практической конференции КФ ПетрГУ (Апатиты, 2008), были изложены в научно-исследовательских отчетах Горного института КНЦ РАН, опубликованы в научных статьях.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях, включая тезисы конференций. Одна статья — в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Тестирование разработанного методического и программного обеспечения на моделях реальных вентиляционных сетей показала, что решение задачи регулирования сети при грамотном выборе регулируемых и заданных ветвей, может быть упрощено.

2. Анализ взаимосвязи параметров сети позволяет получить список вариантов, каждый из которых, действительно, приводит к определенному регулированию потоков воздуха в нужном направлении, однако, не обязательно сводит невязку к нулю при практически реализуемых значениях параметров регуляторов.

3. Расчет распределения воздуха в системе с заданными депрессиями вентиляторов осуществляется достаточно быстро (несколько мс даже для сложных сетей), чтобы производить за реальное время минимизацию выбранного критерия посредством генетического алгоритма.

4. Сходимость суммарной невязки по заданным ветвям к нулю достигается в среднем за 70 «поколений», что служит основой для проведения автоматизированного прогона генетического алгоритма до малых невязок для 300−500 вариантов за 2−3 часа, при параметрах алгоритма, установленных по умолчанию (100 «хромосом» для 1 «поколения», разрядность «генов» — 16 бит).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение актуальной при проектировании горнодобывающих предприятий задачи — оптимизации размещения и параметров перемычек и вентиляторов в сети выработок с целью улучшения проветривания рабочих зон и уменьшения мощности, необходимой для организации проветривания всей вентиляционной системы.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Разработан метод выбора параметров регуляторов и оптимизации их размещения, основанный на анализе взаимосвязи параметров сети и применении генетического алгоритма, который позволяет решить задачу регулирования воздушных потоков с точностью по расходам о воздуха до 0,5 м /с.

2. Усовершенствован алгоритм расчета распределения воздуха в вентиляционной сети рудника с учетом естественной тяги, утечек воздуха в зонах обрушения и аэродинамических характеристик вентиляторов на основе метода простых итераций и модифицированного метода Ньютона, что позволяет сократить общее количество итераций — до 50, количество итераций расчета контура — до 10, и время счета — до нескольких мс для сложных сетей выработок с вентиляторами и перемычками с увеличением точности по расходам о воздуха — до 0,05 м /с и по депрессии — до 0,5 Па.

3. Усовершенствован метод комплексной оценки эффективности проветривания рудника посредством конкретного варианта размещения регуляторов с учетом мощности, затрачиваемой на проветривание и суммарной невязки расходов воздуха по заданным ветвям.

4. Разработанные алгоритмы реализованы в модулях системы автоматизированного проектирования вентиляционных систем и применены для оптимизации количества, размещения и параметров регуляторов в вентиляционных системах рудников Олений ручей и Партомчорр.