Министерство угольной промышленности СССР .Министерство энергетики НРБ

ВРЕМЕННАЯ

ИНСТРУКЦИЯ

по расчету вентиляционных сетей с применением аналоговых и цифровых вычислительных машин

Кемерово — 1974

Министерство угольной промышленности СССР Министерство энергетики НРБ

УТВЕРЖДЕНО заместителем Министра угольной промышленности СССР

а. федлновым

23 «ii'ipe.iH 19/4 г.

ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ

по расчету вентиляционных сетей с применением аналоговых и цифровых вычислительных машин

СОГЛАСОВАНО СОГЛАСОВАНО СОГЛАСОВАНО

с директором ИГД им. с ректором ВГГИ с директором А. А. Скочинского    ВостНИИ

А. ДОКУКИНЫМ К. ШЕЙРЕТОВЫМ Н. ЛИНДЕНАУ

28 февраля 1974 г. 15 января 1974 г. 3 января 1974 г.

Кемерово — 1974

использованием ручной обработка! и средств малой оргтехники с целью проверки правильности исполнения воздушно-депрессионной съемки. Цель детальной обработки — получение аэродинамических сопротивлений ветвей анализируемых расчетных схем проветривания.

Аэродинамические сопротивления новых выработок рассчитываются на основе коэффициентов аэродинамического трения и геометрических параметров выработок или путем подобия значений аэродинамических сопротивлений ветвей, полученных при обработке результатов воздушно-депрессион-ной съемки, равных по своей величине ветвям анализируемых расчетных схем. На этом этапе обычно производятся различные упрощения или, наоборот, детализация расчетных схем в зависимости от цели вентиляционного расчета.

В результате выполнения этого этапа вся информация о расчетных схемах анализируемых вариантов при использовании электроаналоговых установок должна быть окончательно подготовлена к вводу в машину. В случае применения метода ЭВМ необходимо выполнение промежуточного этапа по подготовке исходных данных к вводу в машину, включающего кодирование, заполнение специальных таблиц, перфорацию. В результате выполнения этого промежуточного этапа вся информация должна быть окончательно подготовлена к вводу в машину и представлена в виде перфолент, перфокарт или записей на магнитной ленте.

Ввод исходных данных в машину является конечным этапом первой части расчета вентиляционной сети. Использование ЭВМ заключается в выполнении требований инструкции, прилагаемой к программе расчета вентиляционных сетей. При методе электромоделирования этот этап включает операции по подбору аналогов и монтажу схемы вентиляционных соединений. В результате выполнения этапа всю необходимую информацию для рассматриваемого варианта следует ввести в оперативную память машины.

Следующий этап — непосредственное решение — преследует цель анализа предложенных вариантов с привлечением аналоговых и электронных вычислительных машин. Он может быть представлен в виде последовательного решения анализируемых вариантов и затем их анализа или непосредственного участия специалиста в вычислительном процессе с целью корректировки хода решения в соответствии с рассматриваемыми вариантами. Этот этап, независимо от принятой организации выполнения решения, подразделяется ia операции по выполнению основного решения и операции по проверке устойчивости режимов работы вентиляторов. Под основным решением следует понимать решения вентиляционных задач первого, второго и третьего типов классификации (табл. 1). Проверка устойчивости режимов работы веи-

11

тиляторов является специфической вентиляционной задачей и может выполняться без основного решения. Если изменение аэродинамического сопротивления сети незначительно, то этап непосредственного решения выполняется, минуя операции по проверке устойчивости. В этом случае за основу берется результат предыдущей проверки устойчивости режимов работы вентиляторов.

Последним этапом расчета вентиляционной сети являются выдача, анализ и оформление результатов решения. Следует отметить, что выдача окончательных результатов решения в фазе оформления зависит от принятой организации непосредственного решения.

Если в основу организации расчета взято последовательное решение анализируемых вариантов и затем их анализ, то выданные результаты могут оказаться промежуточными. В этом случае цикл расчета вентиляционной сети повторяется, начиная с этапа подготовки исходных данных к вводу в машину. Подобная ситуация в основном характерная для метода ЭВМ. Если в основу взята организация расчета с участием специалиста в вычислительном процессе, то выданные результаты обычно окончательны, так как решение ведется параллельно с анализом.

Окончательные результаты решения позволяют перейти к фазе оформления решения, что осуществляется обычно в виде составления технических отчетов.

Перечисленные этапы производства расчета касаются многоварнантного решения. В случае одновариантного решения этапы выполнения расчета аналогичны миоговарпантно-му за исключением анализа.

В отдельных случаях расчет вентиляционной сети может быть ограничен выполнением первой части (рис. 2). В этом случае для действующих и реконструируемых шахт расчет заканчивается промежуточным этаном по обработке результатов воздушно-дспрессиоиной съемки, для проектируемых шахт — подсчетом депрессий по маршрутам и т. д.

1.3. Методы и средства расчета вентиляционных сетей

Существующие в настоящее время методы расчета вентиляционных сетей — аналитический, графический, графоаналитический, метод пневмогидро- и электромоделирслвания и метод ЭВМ базируются на основе использования двух законов сетей (1.4, 1.5).

Первые три метода не нашли широкого применения в расчетах современных сложных вентиляционных сетей ввиду того, что решение системы линейных и квадратичных уравнений, достигающих в некоторых случаях нескольких сочен, практически невозможно. В связи с этим за последние

12

десятилетия в вентиляционных расчетах наметилось научно обоснованное направление расчета сетей с широким использованием методов моделирования, которое, в свою очередь, распадается па два направления — физическое и математическое моделирование.

При физическом моделировании (пиевмомодели, гидр о-интеграторы и т. д.) в моделях и натурных установках (объектах), отличающихся между собой только размерами, протекают явления одной и той же физической природы, однако практическая реализация этого метода наталкивается на ряд технических трудностей. Довольно сложно изготовить модели, в 'которых можно было бы производить быстрое и надежное соединение отдельных элементов друг с другом в необходимых комбинациях, возникают затруднения при производстве измерений в этих устройствах, трудности в создании источников, воспроизводящих напорные характеристики вентиляторов, и т. д. Указанные обстоятельства привели к ограниченному использованию методов физического моделирования в практических вентиляционных расчетах. В последнее время в связи с необходимостью решения проблемы автоматизации управления проветриванием шахты принцип физического моделирования положен в основу оперативного сбора исходной информации путем установки датчиков контроля параметров рудничной атмосферы и создания системы связи в управляемом объекте.

В отличие от физического математическое моделирование любого явления, происходящего в натуре, может быть воспроизведено явлением иной физической природы, если эти явления описываются одним и тем же видом уравнения. Таким образом, для применения метода математического моделирования в основном требуется формальная тождественность уравнений, выражающих явления той или иной физиче-окой природы. Из сказачпюго следует, что математическое моделирование ставит целью только решение уравнений, составляемых на основании тех или иных закономерностей явления.

Современными представителями математического моделирования являются методы электромоделирования и метод ЭВМ.

Возможность электрического моделирования вентиляционных сетей основана на тождественности основных законов вентиляционных сетей для узлов и контуров и законов электрических сетей для узлов и контуров.

В настоящее время расчеты вентиляционных сетей с помощью электрического моделирования проводятся по двум направлениям:

1) изыскание методов формальной тождественности систем уравнений, выражающих вторые законы Кирхгофа;

13

2) разработка методов полной аналогии вольт амперных характеристик элементов электрических цепей и характеристик вентиляционных сетей.

В соответствии с этими направлениями .разработаны и средства расчета вентиляционных сетей. Приборы, основанные на формальной тождественности систем уравнений, моделируют решение вентиляционных задач либо с помощью метода хорд, либо методом касательных (метод Ньютона). Типичными представителями этого направления являются приборы типа ПРВС-2, ЭПМВС. Приборы, характерные для 2-го направления, получены применением нелинейных элементов или принципа линейно-кусочной аппроксимации, который считается наиболее эффективным. К представителям этого направления относятся приборы типа ЭЛМ, ЭМП, ППРВС-ДГИ, ЭМВС, MWK и др.

При решении практических вентиляционных задач самое широкое распространение получил прибор ЭМВС-6 ИГД нм. А. А. Скочииского, основанный на принципе линейно-кусочной аппроксимации (выпускается в СССР Конотопским электротехническим заводом «Красный металлист»).

При расчетах вентиляционных сетей с помощью электронных вычислительных машин использование двух законов вентиляционных сетей осуществляется в различных формах:

—    на основе первого закона составляется приближенное воздухораспрсделение в расчитываемой вентиляционной системе, которое затем путем последовательных уточнений приводится в соответствие с уравнениями второго закона. Возможен и обратный порядок;

—    на основе уравнений обоих законов сетей составляются системы уравнений для всего соединения, которые решаются затем с использованием тех или иных математических способов, упрощающих подсчеты.

В некоторых методах расчета системы уравнений, соответствующие 1 и 2-му законам сетей, дополняются использованием других закономерностей, например, принцип минимизации мощности, согласно которому естественное распределение воздуха в сети соответствует минимальной мощности, затрачиваемой на его передвижение. Тогда система (1.4, 1.5) может быть заменена системой

, Q_l =2/^,Q³ j-»- min |    ₍₁

при    ZQi =0.    J

Для ЭВМ в настоящее время характерно распространение в основном двух .методов расчета — с помощью методов линеаризации и методов последовательных приближений. Эффективность применения того или иного алгоритма на ЭВМ зависит от различных факторов: сложности рассматриваемой сети, скорости сходимости процесса вычислений, объема опе-

14

ративнон памяти ЭЦВМ и т. д. Эффективность методов линеаризации заключается в том, что они имеют быструю сходимость по отношению к другим методам, но обладают недостатком — очень сложен алгоритм вычислений, что требует значительного объема оперативной памяти ЭЦВМ под программу.

При изучении существующих методов последовательных приближений расчета сложных вентиляционных сетей оказалось, что они наиболее полно отвечают решению большого комплекса вентиляционных задач. Процесс вычислений по методам последовательных приближений более прост, н хранение промежуточных результатов вычислений занимает меньший объем оперативной памяти по сравнению с методами линеаризации.

Кроме того, находит применение метод минимума мощности, одним из основных преимуществ которого является сравнительно высокая скорость сходимости процесса вычислений.

Для расчетов вентиляционных сетей в настоящее время разработано большое количество программ для различных ЭВМ, в том числе машин серии «Минск» и, в частности, моделей «Минск-22» и «Минск-32». Эти компьютеры средней производительности популярны, главным образом, из-за способности обрабатывать большие массивы информации.

Широкое распространение получили малые электронно-вычислительные машины типа «МИР» и «НАИРИ». Эти машины могут использоваться па этапе подготовки исходных данных для расчетов вентиляционных сетей. Они легко воспринимают задания и поправки по ходу решения, изложенные на привычном для человека языке букв, цифр и математических символов.

В крупнейших вычислительных центрах Советского Союза работают «БЭСМ-6» — универсальные машины с миллионным быстродействием; готовится к выпуску новая серия компьютеров типа «РЯД», которые позволят значительно повысить оперативность расчета вентиляционных сетей.

Таким образом, для расчетов вентиляционных сетей существует множество различных методов и средств, практический выбор которых довольно сложен. При выборе следует руководствоваться оценкой эффективности использования средств вычислительной техники с учетом конкретных обстоятельств.

Следует отметить, что настоящая «Временная инструкция...» преследует цель обобщения практических рекомендаций в привязке к методам математического моделирования. Поэтому в дальнейшем речь будет идти о двух современных представителях этого метода — электромоделирования и ЭВМ.

15

УДК 622.4:518.5

АННОТАЦИЯ

Во «Временной инструкции....» излагаются методики расчета шахтных вентиляционных сетей с использованием аналоговых и цифровых вычислительных машин. Рассматривается структура расчетов н приводится классификация вентиляционных задач, излагаются рекомендации по рациональному использованию средств вычислительной техники, исходя из современного уровня организации расчетов. Предлагаются методики получения исходных данных с помощью возлушно-дспрессионных съемок и обследования вентиляторных установок, обработки и накопления исходной информации, учета естественной тяги в расчетных схемах; методы решения вентиляционных задач с помощью средств электромоделнрова-пня и ЭВМ.

«Временная инструкция...» предназначена для инженерно-технических работников шахт, занимающихся вопросами вентиляции, проектных организаций, служб, специализирующихся но расчету вентиляционных сетей и проведению воздушно-депрессионных съемок и ИВЦ угольных комбинатов.

© Министерство угольной промышленности СССР Министерство энергетики НРБ.

ВВЕДЕНИЕ

Правильное оперативное управление проветриванием шахт и разработка рекомендаций по созданию необходимого режима вентиляции, решение вопросов проветривания при составлении плана горных работ возможны только после анализа сети с помощью специальных вычислительных устройств.

Упрощенные расчеты вентиляции по направлениям не пригодны для сложных вентиляционных сетей, так как при этом не учитывается ряд факторов, влияющих на режимы и организацию проветривания. К таким факторам относятся взаимное влияние совместно работающих вентиляторов, действие тепловой депрессии, наличие пределов аэродинамического сопротивления регулирующих устройств, ограниченность в количестве и месте их установки и др.

В настоящее время широкое распространение получили расчеты вентиляционных сетей с помощью аналоговых и цифровых вычислительных машин. Используя эти решающие устройства, можно заранее определить эффект мероприятий при реконструкции вентиляции.

Для решения задач вентиляции любым известным методом необходимо иметь достоверные аэродинамические характеристики всех элементов вентиляционной сети. Основным способом их получения являются воздушно-депрсссионпые (аэродинамические) съемки.

Расчет сети с помощью аналоговых и цифровых машин выполняется по специальным программам и инструкциям. Ему предшествует изучение вентиляционной сети и перспективы разлития шахты, составление расчетных схем, определение характеристик элементов сети с помощью аэродинамической съемки и аналитических расчетов. Кроме того, прежде чем рассчитывать сеть, необходимо принять предваритель-ные инженерные решения по вентиляции шахты. Целью расчета обычно является проверка эффективности планируемых мероприятий или вариантов реконструкции вентиляционной

3

сети. В последнее время практикуется также проверка перспективных планов горных работ но фактору вентиляции н расчет реверсивных режимов проветривания.

Реконструкция и совершенствование проветривания осуществляются проведением по отдельности или в комплексе ел еду ю щи х мероприятии:

—    строительства новых вентиляторных установок взамен ликвидируемых в связи с отработкой запасов угля;

—    строительства дополнительных вентиляторных установок без ликвидации действующих (при необходимости увеличения подачи воздуха в шахту);

—    проведения новых горных выработок для снижения сопротивления общешахтных исходящих и входящих путей;

—    перехода на новый способ проветривания;

—    улучшения распределения воздуха в сети горных выработок с помощью ограничительных вентиляционных дверей:

—    изменения производительности имеющихся вентиляторных установок с помощью изменения угла установки лопаток рабочею колеса (направляющего аппарата) или числа его оборотов:

—    улучшения герметизации надшахтных зданий и вентиляционных каналов, а также уменьшения потерь депрессии на местных сопротивлениях.

При современном состоянии теории вентиляционных сетей задача оптимизации топологии и параметров элементов сеги с учетом технических и экономических факторов не имеет своего решения. Задачи решаются путем анализа различных вариантов. Число вариантов может быть неограниченным. Тем не менее оно ограничивается по горнотехническим, экономическим и организационным условиям. Задача в таком случае сводится к выбору практически выполнимых вариантов и их сравнению по техническим, экономическим и организационным факторам.

В будущем наиболее эффективным методом управления проветриванием будет автоматический. Это вызовет повышение требований к работникам .вентиляционной службы, потребует знания теории и практики расчета вентиляционных сетей.

В разработке «Временной инструкции» принимали участие Л. А. Мясников, Г. С. Евстратенков, В. П. Тюрин, В. Б. Попов, М. У. Диденко (ВостНИИ, г. Кемерово); В. К. Вольский, С. Г. Калисв (КО ВостНИИ, г. Караганда); Е. Г. Давыдов, А. С. Филоненко (СШМУ комбината Караганда-уголь); Т. Стефанов, И. Велчев, В. Томов, Г. Христов, Г. Александров (Болгария, ВГГИ, г. София); Ф. С. Клебанов, Р. В. Зубов (ИГД им. А. А. Скочинского, г. Москва).

4

I. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ И ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1.1. Вентиляционные сети и задачи, решаемые при их расчетах

Вентиляционная есть шахты в совокупности с источниками движения воздуха рассматривается как единая замкнутая через атмосферу система. Элементами вентиляционной системы являются ветви и источники движения воздуха. Ветви относятся к пассивным элементам системы и представляют собой пути движения воздуха: горные выработки, вентиляционные каналы, пути утечек. Источники движения носят название активных элементов системы. К ним относят-ся вентиляторы и естественная тяга. Соединения ветвей называются узлами и обозначаются арабскими цифрами. Узел соединяет не менее трех ветвей.

Для расчета вентиляционной сети составляется расчетная схема (рис. 1) в виде системы замкнутых контуров. Под контуром понимается такая связь ветвей, при которой они замыкаются. Контуры могут быть сложными и элементарными (независимыми).

Например, контур 2—3—4—5 является элементарным, так как не включает в себя других контуров. Контур 2—3—4—6—5—2 сложный, так как включает в себя два элементарных. Названные контуры замыкаются внутри сети, а контуры 1 —11 —10—9—2—1 и 1—2—5—6—7—1 — через атмосферу. Однако с точки зрения расчета сети все контуры равнозначны. Связь через атмосферу обозначается штриховой линией, что указывает на нулевое сопротивление этих связей. Точки выхода в атмосферу могут сразу соединяться в один узел. Это значит, что связи I—I не являются ветвями. Все ветви вентиляционной схемы разделяются па смежные и внешние. Смежные ветви характеризуются тем, что они

б

Рис. I. Пример схематического изображения вентиляционной системы

входят в два смежных контура, например, ветвь2—3. Внешняя ветвь входит в один контур, например, ветвь 8—10.

Зависимость между числом ветвей L, узлов N и контуров М выражается формулой

L = M+N— 1.    (1.1).

В общем виде напорная характеристика каждого элемента может быть записана как

W=/(Q),    (1.2)

где    //    —    депрессия, создаваемая    активным    элементом, кг/м²,

Q — дебит воздуха, м*1с.

Для выработок и местных сопротивлений, составляющих наибольшую часть элементов сети, принимается турбулентный режим движения и напорная характеристика выражается формулой

h = RQ\    (1.3)

где    h    —    депрессия, затрачиваемая    в    пассивном    элементе,

кг/м²;

R — аэродинамическое сопротивление, кр

Графически характеристика ветви представляет собой параболу, проходящую через начало координат.

6

Характеристика вентилятора выражается графически сложной кривой. Аналитически описывается, как правило, только ее рабочая часть. Депрессия естественной тяги выражается как Л = const. Графически это линия, параллельная оси Q.

Режим вентиляционной системы определяется следующими параметрами: сопротивлением, дебитом и депрессией в каждой ветви, а также напором Н и дебитом Q источника тяги.

Математически режим сети описывается системой независимых уравнений вида

*Ri Q\ ~*hy_t    (1.4)

и вида    2Q, =0,    (1.5)

где h_Uj — депрессия i — того источника давления.

Уравнения вида (1.4) составляются для каждого независимого контура и их число равно числу таких контуров в сети М. Для рассматриваемого примера (рис. 1) можно составить 6 контурных уравнений. Физический смысл уравнения (1.4) заключается в том, что в каждом контуре алгебраическая сумма депрессий, затрачиваемых на перемещение воздуха в каждой ветви, равна алгебраической сумме давлении, развиваемых источниками, включенными в этот контур.

Для контуров, не имеющих источников давления, уравнение (1.4) имеет вид.

Щ<?1 =0.    (1.6)

Узловые уравнения вида (1.5) выражают закон: количество воздуха, входящего в узел, равно количеству выходящего из узла, т. е. алгебраическая сумма дебитов равна нулю. Число независимых уравнений (1.5) равно N—\. Всего для сети число независимых контурных и узловых уравнений равно

K=M+N~\.    (1.7)

Кроме этих уравнений необходимы уравнения, описывающие характеристики источников тяги h_u =f(Q) или их графики.

Уравнение (1.5) называется первым законом сети, уравнение (1.4) — вторым.

При расчетах конкретной сети могут возникать различные задачи в зависимости от того, какие из параметров /z, Q, R, Н„, Q _и известны и какие определяются. На практике встречаются задачи, представленные в табл. 1.

1-я задача является наиболее общей и распространенной. На практике она решается в случае, когда необходимо опре-

7

делить режим проветривания при изменении сети в результате развития горных работ или включения в сеть новых вентиляторов и ветвей. Эта задача решается также для проверки тех или других мероприятий по конкретным предложениям. Она используется н для целей выбора регулирующих средств путем их подбора. Например, если необходимо определенным образом перераспределить воздух между участками или забоями, то ориентировочно подбираются места установки регуляторов и их сопротивления. После внесения их в расчетную схему задача сводится к расчету свободного распределения воздуха. Если в результате расчета окажется, что режим не обеспечивает необходимого воздухораспределения, то рассматривается другой вариант регулирования или уточняется первый и т. д. Однако такой прием не является рациональным. Легче достигнуть необходимого распределения воздуха в сети, решая вторую задачу приведенной классификации.

Задачи третьей группы выполняются обычно при обработке результатов воздушно-депрессионной съемки. С целью сокращения объема работ в шахте параметры h и Q замеряются не во всех ветвях. Незамеренные h и Q определяются при помощи уравнений (1.4) и (1.5). Затем на основании известных значений h и Q всех ветвей определяются их аэродинамические сопротивления.

8

Четвертая задача может выполняться при выборе вентиляторов и проверке устойчивости режимов их работы. Выбор вентиляторов является частным случаем задачи регулирования воздухораспределения. Проверка устойчивости режимов работы вентиляторов должна производиться во всех случаях проектирования новых или реконструируемых вентиляционных сетей, если в них включаются осевые вентиляторы.

1.2. Этапы расчета вентиляционной сети

Под расчетом вентиляционной сети следует понимать решение комплекса задач на различные периоды развития горных работ, т. е. расчет обычно является многовариаитиьрм решением. Весь расчет состоит из двух частей — получения и подготовки исходной информации с учетом ее ввода в машину и непосредственного решения с выдачей, анализом и оформлением его результатов (рис. 2).

Этапы расчета вентиляционной сети проектируемых шахт несколько отличны от приведенной схемы. Это отличие заключается только в первой его части, что объясняется принципиальной разницей получения исходных данных. Если для реконструкции шахт исходные данные для расчета получаются в результате проведения воздушно-депрессиониых съемок, то для проектируемых — в основном расчетным путем. Имеется также разлитие и в том, что для первого типа шахт производится привязка к существующей вентиляционной сети, а для второго — такое условие отсутствует. В итоге для расчетов вентиляционных сетей проектируемых шахт используются только расчетные величины.

После выполнения операций по получению исходных данных производится их подготовка. Подготовка исходных данных включает в себя ряд промежуточных этапов.

Прежде всего составляются расчетные схемы анализируемых вариантов. Принцип составления расчетных схем не зависит от типа шахты. Расчетные схемы составляются на определенные периоды развития горных работ с учетом основных аэродинамических связей и всех вентиляторов главного проветривания.

Обработка результатов воздушно-депрессиониой съемки заключается в расчетах узловых депрессий, депрессий ветвей схемы и количеств воздуха в них, депрессии и дебита вентиляторов, аэродинамических сопротивлений ветвей. Обработка состоит из двух частей — предварительной, выполняемой ча этапе получения исходных данных, и детальной. Детальная обработка выполняется в организации, производящей расчет с использованием различных вычислительных средств в отличие от первой, выполняемой непосредственно на шахте с

9