А.Д.Вассерман, С.А.Козырев Горный институт КНЦ РАН

А.Д.Вассерман, С.А.Козырев
Горный институт КНЦ РАН
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ
И ПОДДЕРЖАНИЯ БЕЗОПАСНОГО СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ
ПРИ ОТРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Исследования в области рудничной аэрологии начались в КНЦ РАН еще до создания Горного
института – в горной группе Института химии тогда КФ АН СССР и поначалу носили прикладной характер.
С самого начала организации Горного института в нем была создана лаборатория рудничной аэрологии,
проводившая исследования в рамках приоритетных исследований ОГГГН АН СССР по направлению
развития теоретических основ и методов создания безопасных по чистоте и тепловому комфорту условий
атмосферы на рабочих местах (в горных выработках) при ведении горных работ в рудниках и карьерах. При
этом уделялось внимание не только непосредственно физической сущности аэро-, термо- и
пылединамических процессов при ведении горных работ, но и совершенствованию методов проектирования
и организации вентиляционных систем с оптимальными параметрами.
Касаясь кратко истории развития исследований лаборатории, их можно разделить на этапы,
характерные своей направленностью.
На первом этапе (60 – 70-е годы) исследования были посвящены решению проблем проветривания
нагорных рудников с зонами обрушения. Именно при проветривании таких рудников соединились все
сложности, характерные для равнинных рудников с зонами обрушения и нагорных рудников со многими
выходами выработок на дневную поверхность. Главными вопросами в решении проблемы были
аэродинамика зон обрушения (Л.А.Пучков – ныне ректор МГА, чл.-корр. РАН, д.т.н.), утечки воздуха через
них (Ю.А. Шашмурин), сложная тепловая депрессия - естественная тяга (Г.В.Калабин, А.Д. Вассерман),
действующая в сети со многими выходами на дневную поверхность и распределение воздуха в сети
выработок с учетом действия указанных факторов (А.Д.Вассерман). Руководил исследованиями к.т.н.
С.П.Алехичев.
Наиболее существенные новые научные результаты касались установления закономерностей
аэродинамических процессов в гетерономных вентиляционных сетях: движение воздуха в них подчиняется
двучленному закону сопротивления, возникают контурные тепловые депрессии, определяющие сложное
действие естественной тяги, учет влияния этих факторов на распределение потоков в выработках, а также
взаимодействие работающих на сеть вентиляторов.
Таким образом, итогом работ данного этапа было решение крупной научной проблемы расчета параметров
аэродинамических процессов в гетерономных вентиляционных сетях с учетом тепловой депрессии и
взаимодействия работающих на сеть вентиляторов и создание теоретических основ вентиляции нагорных рудников
[1, 2, 3, 4].
Дальнейшие исследования (70 – 80-е годы) были связаны с совершенствованием методов расчетов
сложных вентиляционных систем (ВС) для повышения надежности их функционирования. Для этого были
разработаны основы теории надежности сложных ВС произвольной топологии с учетом их
несимметричности и нерезервированности. Выполненная формализация процесса воздухораспределения в
таких сетях позволила разработать критерии безопасности воздухораспрделения, которым комплексно
оценивается качественная и количественная стороны функционирования множества ВС, различных по
топологии, дебиту и аэродинамическим свойствам регуляторов воздуха. Этот же метод может быть
применен не только к вентиляционным системам рудников, но и к другим сложным системам при наличии в
них разнородных по своим свойствам элементов (к.т.н. А.Д.Вассерман).
Одновременно были изучены тепловые режимы в таких сетях, влияние их на уровень теплового
дискомфорта горнорабочих и разработаны методы динамического нормирования параметров теплового
комфорта в подземных выработках при различной интенсивности (тяжести) труда горнорабочих. Это
позволило обосновать положение, что необходимыми и достаточными характеристиками технических
решений являются уровни безопасности и комфортности условий труда и социально-экономической
эффективности, создаваемые проектируемой системой. Так был осуществлен новый методологический
подход к проектированию и организации ВС подземного горного предприятия, учитывающий современные
тенденции в оценке горнорабочими условий своего труда и функциональное назначение системы с
трудоохранных позиций. Для сетей сложной топологии и взаимодействующих в них вентиляторов найден
метод поэтапной оптимизации ВС, позволяющий получить конечное решение задачи оптимального
воздухораспределения в этих сложных ситуациях.
В результате проведенных исследований на этом этапе было получено решение крупной научной
проблемы совершенствования методов проектирования ВС подземных предприятий, заключающееся в
создании научных основ оценки технических решений и оптимизации вентиляционной системы по
социально-экономическим критериям. Это позволило уже на стадии проектирования обосновывать
обеспечение безопасной по чистоте воздушной среды и комфортные по температуре условия труда в
подземных выработках по фактору вентиляции при максимальной эффективности планируемых затрат [5]
(д.т.н. А.Д.Вассерман).
Еще одним важным этапом работ было исследование процессов проветривания выработок специфических
сечений - свободных потоков в выработках камерного типа: объемных с поперечным сечением от 100 до 400 м2 и
более) и щелеобразных (горизонтальной площадью до 7000 м2) сложной конфигурации. На основе натурных (в
производственных условиях) и лабораторных (на физических моделях) экспериментальных работ были получены
локальные, но важные для практики результаты по аэрогазодинамике большепролетных выработок–камер
различной конфигурации. Разработанные на их основе методы расчета проветривания, нашли широкое применение
при организации ВС на рудниках, объектах энергетического, гидротехнического и транспортного строительства [6,
7, 8].
Таким образом, главные проблемы аэрогазодинамики негазовых (без значимых естественных
газопроявлений) рудников лабораторией были успешно решены.
Следующим важным этапом работ был переход на математические методы исследования сложных
аэро-, газо- и термодинамических процессов при ведении горных работ. Началось это с создания
математических моделей аэрогазодинамики естественных и искусственных потоков в подземных
выработках камерного типа и в карьерных пространствах.
Были созданы математические модели аэрогазодинамики камерных выработок, основой которых
послужили результаты натурных (производственных) исследований и физического моделирования. В
отличие от решения сетевых (транспортных) задач целью исследований служило определение полей
скорости, концентрации примесей и температуры воздуха в произвольной точке камерного пространства.
Математические модели строились на основе дифференциальных уравнений аэродинамики, переноса
примеси и тепла. Для щелеобразных большепролетных выработок (плоских камер) при применении в них
современной высокопроизводительной техники такие задачи успешно решаются на модели в двухмерной
постановке [9]. По разработанным трехмерным моделям решаются пока еще только частные задачи, и они
требуют дальнейшего совершенствования.
На заключительном этапе исследований тепловой депрессии (естественной тяги) были разработаны
методы расчета орографической составляющей ее для сетей любого пространственного расположения в
гористом рельефе (д.т.н. А.Д..Вассерман) и определения на базе оригинального алгоритма и программы
расчета температурного режима в произвольной точке сети сложной топологии (д.т.н. А.Д..Вассерман, к.ф.м.н. В.В.Осинцев).
В этот же период еще одним важным практическим результатом исследований была разработка
методики проветривания уникальных (высотой 400м) рудоспусков на карьере «Центральный» ОАО
«Апатит» при проведении их глухим забоем снизу вверх с помощью механизированного проходческого
комплекса «Алимак» [10] (д.т.н. Г.В.Калабин, к.т.н. В.С.Романов).
Систематические исследования по проблеме создания безопасной воздушной среды в карьерах в ГоИ
КНЦ РАН начались с 1977 года. При этом поначалу (из-за отсутствия необходимого опыта и
экспериментальной базы) пришлось идти традиционными методами натурных наблюдений и
производственных экспериментов. На основе полученных данных и аналитических исследований был
разработан метод определения оптимальных параметров установок, создающих искусственные струи, с
учетом взаимодействия их с температурно-стратифицированной атмосферой [11].
С этого и начались главные сомнения в практических возможностях эффективного использования
способа искусственного проветривания для нормализации атмосферы в объеме карьерного пространства
(общеобменное искусственное проветривание карьера) при загрязнении его техногенными газовыми
примесями. Обобщение опыта наблюдений за протекающими атмосферными процессами в приземном слое
атмосферы, численные эксперименты по разработанным математическим моделям, энергетическая оценка
этих процессов и их взаимодействия с искусственными свободными струями позволили обосновать новую
для аэрологии карьеров концепцию. Смысл ее в том, что искусственные свободные струи создают
циркуляционные зоны, в объеме которых происходит быстрое осреднение концентрации и накопление в них
вредных примесей без существенного выноса их за пределы зоны. Поэтому для нормализации карьерной
атмосферы при штилях и температурных инверсиях требуется мощность 105 ÷ 106 кВт, что на 3 ÷ 4 порядка
выше не только мощности карьерных вентиляторов, но и потребности карьера в электрической энергии.
Поэтому проблема создания нормализованных санитарно-гигиенических условий методом искусственной
вентиляции в общем случае решена быть не может.
На основе проведенной социально-экономической оценки были определены реально возможные пути
решения проблемы в глубоких карьерах путем обеспечения безопасной воздушной среды непосредственно
на рабочем месте. Была разработана система автономного воздухообеспечения (САВОБ) рабочих мест в
кабинах технологического оборудования и самоходной техники [12], прошедшая промышленные испытания
в Оленегорском карьере и внедренная на карьере «Железный» Ковдорского ГОКа. Это позволяет создать
экологически чистое рабочее место, не дожидаясь глобального решения проблемы создания экологически
чистых технологий и техники, и исключить сдерживание научно-технического прогресса в области горных
работ, переведя решение их из области сложных долго решаемых научных и технических проблем в область
инженерной проработки и быстрого решения практической задачи.
Это наиболее существенные, но далеко не все результаты исследований в области рудничной и
карьерной аэрологии за прошедшие десятилетия.
Вентиляционная система подземного горного предприятия – один из компонентов системы
безопасности. Она является сложной динамической системой, функционирование которой имеет (носит)
вероятностный характер. Поэтому в процессе принятия решения для организации системы и управления ею,
необходимо исключить какой бы то ни было волюнтаризм. А это возможно только на основе строгих
обоснований применяемых расчетных методов, объективной оценки всех сторон функционирования с
вероятностных позиций системы. На выполнение указанного принципа постоянно направлены усилия
исследователей лаборатории. Одновременно для управления такими системами чрезвычайно важно, с одной
стороны, облегчить принятие решений по управлению ВС и, с другой стороны, максимально (или по
возможности) исключить влияние человеческого фактора.
Поэтому на современном этапе основное научное направление исследований связано с разработкой
научных основ создания систем автоматизированных расчетов для организации ВС (САПР ВС) и
управления вентиляционными процессами (САУВ) в рудниках и карьерах (САУГР).
Функционирование вентиляционных систем (ВС) современных мощных по производительности
рудников, представляют собой сложные большеразмерные динамические системы, не поддающиеся
элементарной логике. В основу идеологии исследований ВС заложено представление, что они (как и в целом
и горное предприятие) представляется сложным комплексом случайных процессов, поведение которых
может быть надежно спрогнозировано лишь с вероятностных позиций.
Улучшение и поддержание безопасных атмосферных условий требует надежного контроля
параметров воздуха в камерах и воздухораспределения в сложных сетях.
Была создана и прошла опытно-промышленную эксплуатацию система автоматизированного
контроля межгоризонтного воздухораспределения на Кировском руднике ОАО «Апатит» и на Умбозерском
руднике АО «Севредмет» (к.т.н. В.С.Романов, И.Э.Алтухов).
Разработан метод обоснования параметров системы контроля (с позиции заданной его надежности),
по которому определяются параметры необходимой чувствительности, точности, периодичности и
длительности измерений для разработки технических требований к автоматизированным системам контроля
и управления вентиляционной системой (САУВ) [13]. Для работы в таких системах создан
высокочувствительный с малой инерционностью измеритель скорости и направления воздушных потоков на
принципе ЭТА (электротермоанемометрии) [14] (В.Ф.Зайцев).
Участвуя в исследований по общеинститутским темам, была разработана система обеспечения
безопасности воздушной среды для аварийных режимов в подземных сооружениях, при этом разработана
новая концепция функционирования вентиляционной системы в периоды развития и затухания аварий
(имеется в виду система аварийной вентиляции (CAB) при гипотетически тяжелых авариях в герметичной
зоне ПАС и в хранилищах РАО).
Решением основной проблемы автоматизации ВС явилась разработка алгоритмов и программ для
создания общей системы автоматизированного проектирования вентиляции рудников (САПР ВС).
В составе модулей САПР ВС разработан метод оценки и обоснования системы надежного контроля
воздухораспределения на основе определения оптимального количества и размещения пунктов контроля
воздухораспределения в сетях сложной произвольной топологии (к.ф.-м.н В.В.Осинцев, д.т.н.
А.Д.Вассерман).
Одновременно в ней учитывается специфика комбинированной (открыто-подземной) отработки
месторождений, т.е. учтена возможность взаимного загрязнения атмосферы рудника и карьера газовыми
примесями от проводимых массовых взрывов и работе дизельного самоходного оборудования.
Имеющийся объем информационных материалов, научные результаты по приведенным ранее здесь
проблемам и накопленный опыт программирования позволили в рамках общеинститутской темы по
созданию автоматизированных информационных систем (АИС) горно-обогатительных предприятий с 1994
г. приступить к разработке информационных технологий для поддержания безопасной и комфортной
воздушной среды на рабочих местах при ведении горных работ и впервые в горной практике создать
автоматизированную подсистему расчета и оценки параметров ВС рудников на предпроектной (ТЭД и ТЭО)
стадии с такой же полнотой оценки параметров, как и на стадии технического проектирования.
Изучена эффективность (с позиций безопасности и надежности) и заканчивается разработка
методических основ процессов управления активными и пассивными регуляторами в сетях большой
размерности и произвольной топологии для построения модуля Регулятры в САПР ВС.
Последние версии САПР ВС перестроены по современным представлениям исполнителей в
необходимой последовательности решения вентиляционных и тепловых задач для повышения надежности
проектных решений. (Например, правильное определение аэродинамических параметров регуляторов
воздуха в ветвях возможно лишь при строгом соблюдении такой последовательности расчетов:
составляющие естественной тяги в контурах сети, выходящих на поверхность, затем параметры регуляторов
при заданном воздухораспределении и естественной тяге, и только после этого - параметры вентиляторов
главного проветривания и режимы их работы.).
В соответствии с выполненным обоснованием пути решения проблемы поддержания безопасных
параметров атмосферы в карьерном пространстве (в основном пассивным методом - без искусственного
проветривания карьера) разработан метод подхода, алгоритмы и программы для автоматизированных
расчетов уровня чистоты атмосферы в прямоточной и рециркуляционной зонах при естественной аэрации
карьерного пространства и в произвольной точке карьера (на рабочем месте).
Для разработки модуля «Состояние атмосферы на рабочих местах в карьере» (рабочее название) был
выполнен дискретный анализ всех влияющих факторов – геометрических, метеорологических,
технологических - на изменение концентрации примесей в произвольной точке карьерного пространства,
после которого был проведен многофакторный анализ для решения той же задачи. Это позволило
определить влияние различных комплексов единичных условий на состояние чистоты атмосферы на
рабочем месте. Синтез всех комплексов этих условий позволил перейти к построению алгоритма
распознавания единственного сочетания, отражающего искомое событие, т.е. одновременное влияние
многочисленных факторов на состояние чистоты атмосферы в произвольно заданной точке карьера (на
конкретном рабочем месте). Разработан алгоритм и на его основе программа расчетов концентрации
вредных технологических примесей на произвольно меняющемся рабочем месте в карьерном пространстве.
Обоснованием необходимости такого сложного (и кажущегося окольным) пути к разработке
алгоритма служит то обстоятельство, что он учитывает возможность автоматического распознавания
искомого образа события при любых изменениях направления ветра, конфигурации карьера и координат
рабочего места. Наименее трудоемкое, прямое программирование известного метода ручных расчетов
В.С.Никитина – Н.З.Битколова позволяет получить дискретный результат только для конкретного набора
исходных данных и исключает возможность автоматизации процесса в широком диапазоне одновременно
меняющихся исходных параметров.
В результате проведенных исследований разработаны две версии программы:
- САПР АК - для проектных организаций, позволяющая проводить прогнозную оценку состояние
уровня загрязнения атмосферы карьера на основе долгосрочного метеорологического прогноза (по
среднегодовым метеорологическим данным);
- САУГР - для оперативного прогноза, контроля и управления горными работами в карьере на основе
текущего (фактического) состояния горных работ и атмосферы на рабочих местах в карьере (д.т.н.
С.А.Козырев, д.т.н. А.Д.Вассерман и др.).
Задачи, решаемые с помощью разработанных программ, являются сопряженными с задачами
экологических расчетов окружающей среды вокруг карьеров.
Программы полностью подготовлены к практическому использованию в проектных организациях, на
горных предприятиях и в органах надзора за безопасным ведением горных работ.
Результаты проведенных исследований нашли применение в ряде проектных организаций
(Гипроруда, ГИГХС, Гиредмет, Гипроникель, Оргэнергострой, Гидроспецстрой, Ленметрогипротранс), на
всех горных предприятиях Кольского полуострова, АЛРОСА (архангельские и якутские алмазные
месторождении), на руднике Каратау (Казахстан), на Северо-Муйском ж/д тоннеле, Рогунской ГЭС и ряде
других подземных горных предприятий.
В рамках принятого научного направления основными вопросами исследований на современном
этапе являются исследование и разработка автоматизированных методов расчета тепловых режимов в
подземных выработках рудников в САПР ВС; разработка методов, алгоритмов и программ
автоматизированного управления тепло-вентиляционными режимами в рудниках (САУВ).
Необходимость решения поставленных задач диктуется проблемой дефицита электрической и
тепловой энергии в целом в горной промышленности, а оптимизация тепло-вентиляционных режимов ВС –
непрерывно функционирующих систем, потребляющих большую долю энергии горного предприятия –
позволит сэкономить десятки процентов энергии и существенно повысить его экономическую
эффективность.
Литература
1. Алехичев С.П., Пучков Л.А. Аэродинамика зон обрушения и расчет блоковых утечек воздуха. - Л.:
Наука, 1968. 67 с.
2. Шашмурин Ю.А. Фильтрационные утечки воздуха. - Л.: Наука, 1965.
3. Алехичев С.П., Калабин Г.В. Естественная тяга и температурный режим нагорных рудников. - Л.:
Наука, 1974..
4. Алехичев С.П., Вассерман А.Д. Воздухораспределение в рудниках с зонами обрушения. - Л.: Наука,
1974..
5. Вассерман А.Д. Проектные обоснования параметров вентиляции рудников и подземных
сооружений. - Л.: Наука, 1988.
6. Методические указания по расчету вентиляции при проектировании отработки пологопадающих
жил// Алехичев С.П., Вассерман А.Д., Калабин Г.В. – Апатиты: КФ АН СССР, 1974.
7. Турчанинов И.А, Вассерман А.Д. и др. Инструкция по организации и производству горностроительных работ при возведении большепролетных подземных сооружений в скальном массиве. ВСН 3377. – М. МО СССР, 1977.
8. Калабин Г.В., Романов B.C. Методические указания по расчету вентиляции рудников Ловозерского
ГОКа. - Апатиты: Изд. КФ ФН СССР, 1983. 15 с.
9. Амосов П.В. Исследование аэрогазодинамики и процессов проветривания камерообразных горных
выработок на основе математического моделирования/ Автореф. диссертации канд. технич. наук. - Апатиты: Изд.
Кол. науч. центра РАН, 1992. 20 с.
10. Калабин Г.В., Романов B.C. Проветривание сверхглубоких рудоспусков при проходке их снизу
вверх с помощью проходческого комплекса «Алимак» / Безопасность труда в промышленности, 1982, № 3.
11. Нормализация атмосферы глубоких карьеров /Алоян А.Е., Бакланов А.А., Битколов Н.З.,
Вассерман А.Д. и др. - Л.: Наука, 1986.
12. Система автономного воздухообеспечения (САВОБ) для рабочего места в кабинах транспортных
средств и горного оборудования/Составители Вассерман А.Д., Суровцев Ф.С., Чашников В.В. - Мурманск:
Мурманский ЦНТИ, 1994.
13. Контроль и очистка воздушной среды в сети горных выработок. / Шаболдо П.И., Романов B.C.,
Вассерман А.Д. и др. - Апатиты: Изд. Кол. науч. центр РАН, 1991.
14. Зайцев В.Ф., Вассерман А.Д. Методические рекомендации по определению параметров систем
автоматизированного управления вентиляцией (САУВ) рудников и подземных сооружений. - Апатиты: Изд.
Кол. науч. центр РАН, 1997.