Вентиляция по требованию (VOD): пределы классического расчёта воздуха для рудника

Расчёт требуемого количества воздуха для подземного рудника традиционно основан на статической схеме работы и ряде допущений, что затрудняет переход к современным динамическим системам вентиляции по требованию (VOD, ventilation on demand).

Классический подход к расчёту расхода воздуха

Нормативы требуют определять общий расход воздуха позабойным суммированием потребностей отдельных забоев, участков, блоков, камер и общешахтных выработок с введением коэффициентов запаса.

Для каждого объекта-потребителя воздух рассчитывают по лимитирующему фактору: газовыделение, пыль, тепловыделение, наличие дизельной техники, минимальные скорости движения воздуха и т.д., затем складывают с учётом резервов и утечек.

Основные проблемы традиционного расчёта

Статичность: расчёт выполняется для условно «наихудшего» состояния (максимальное количество действующих забоев и техники), тогда как фактическая загрузка сети постоянно меняется; в результате система проектируется с большим запасом.

Неопределённость исходных данных: газовыделение, тепловыделение машин, объёмы работ и количество техники часто известны с погрешностью, используются усреднённые или завышенные значения.

Учёт утечек и неорганизованных потоков: точную величину утечек воздуха по трещинам, старым выработкам и через негерметичные перемычки оценить сложно, поэтому вводятся коэффициенты, которые либо недооценивают реальные потери, либо приводят к завышению общего расхода.

Отсутствие временного фактора: классический расчёт практически не различает межсменные перерывы, взрывные паузы, периоды неполной загрузки, из-за чего вентиляторы работают по максимальному или близкому к нему режиму значительную часть времени.

Вентиляция по требованию подаёт воздух туда, где сейчас идёт работа — а не туда, где она теоретически может начаться.

Концепция вентиляции по требованию

Вентиляция по требованию (VOD) предполагает подачу свежего воздуха только в те зоны рудника, где в данный момент ведутся работы, и в объёме, достаточном для обеспечения нормативных условий труда; в остальных выработках расходы воздуха минимизируются.

Реализация VOD базируется на системе датчиков (газ, скорость и направление потока, присутствие людей и техники), регулирующей арматуре (заслонки, перемычки, переменные частотные приводы вентиляторов) и программном обеспечении, которое в режиме реального времени пересчитывает потребности и формирует команды управления.

Новые задачи и проблемы расчёта при переходе к VOD

Расчёт расхода воздуха становится динамическим: необходимо учитывать не только пространственное распределение потребителей, но и их временной график, маршруты перемещения техники, очередность проходческих и добычных операций.

Возникает задача оптимизации: нужно одновременно обеспечить минимальное суммарное потребление энергии вентиляторными установками и выполнение всех санитарных и взрывобезопасных требований в каждой зоне, что формализуется как многокритериальная задача с ограничениями.

Требуется создание адекватной математической модели вентиляционной сети (с узлами, ветвями, изменяемыми сопротивлениями и источниками расхода), способной устойчиво работать при частых переключениях схемы и изменении режимов работы вентиляторов.

Необходимо обеспечить надёжность входных данных: система должна оперативно получать и обрабатывать показания датчиков, информацию о включении оборудования и нахождении людей, при этом отказ или задержка сигнала не должны приводить к опасному уменьшению потока воздуха.

Преимущества вентиляции по требованию

Сокращение общего расхода воздуха по руднику за счёт минимизации подачи в неработающие зоны, что, учитывая кубическую зависимость мощности вентиляторов от расхода, даёт значительную экономию электроэнергии (до нескольких миллионов кВт·ч в год).

Возможность гибко перераспределять воздух в пользу наиболее нагруженных забоев и блоков, снижать время проветривания после взрывных работ и тем самым повышать производительность труда и выемки руды.

Улучшение управляемости и прозрачности системы вентиляции: оператор получает целостную картину состояния воздушной сети и может оперативно реагировать на изменения горнотехнической обстановки.

Направления совершенствования методики расчёта

Разработка методических указаний, в которых расчёт требуемого количества воздуха выполняется не только «позабойным суммированием», но и с учётом сценариев работы рудника во времени, что позволяет формировать несколько режимов вентиляции (сменный, межсменный, аварийный и т.д.).

Интеграция нормативных требований по минимальным расходам и скоростям воздуха в алгоритмы VOD так, чтобы автоматизированная система могла сама формировать безопасные режимы без ручного перерасчёта инженером при каждом изменении схемы работ.

Такая эволюция от статического расчёта «на максимум» к динамическому расчёту в составе вентиляции по требованию позволяет одновременно повысить безопасность и энергоэффективность проветривания подземного рудника, а также сократить эксплуатационные затраты на вентиляцию.