Тема: ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Актуальность темы. Обеспечение безопасных условий труда шахтёров, охрана окружающей природной среды и повышение безопасности техники - одно из важнейших направлений развития горнодобывающей промышленности.
Возрастающая глубина разработки, рост энерговооруженности забоев, а также интенсификация горных работ обусловили формирование тяжелых климатических условий труда горнорабочих на многих шахтах и рудниках Украины, России, Германии, ЮАР и других стран.
Например, более 50 шахт украинской части Донецкого бассейна, в том числе около 30 шахт глубиной более 1000 м, эксплуатируются с нарушением температурных условий труда. По состоянию на 2005 год температура воздуха превышала допустимую Правилами безопасности в 130 очистных и 230 подготовительных забоях. В шахтах глубиной 1100 - 1300 м (им. А.А. Скочинского, им. М.И.Калинина, «Шахтерская - Глубокая», «Прогресс», им. Ф.Э.Дзержинского и др.) все действующие забои относятся к высокотемпературным. Есть случаи когда температура воздуха достигает 35¬37 °С в очистных и 36-38 °С в подготовительных выработках. В целом численность работающих в высокотемпературных забоях превышает 50 тыс. человек.
Работы по обработке приточного воздуха в глубоких шахтах проводятся с 1959 г. К концу 80-х годов на шахтах бассейна было введено в эксплуатацию 30 поверхностных установок охлаждения рудничного воздуха и более 250 передвижных кондиционеров, а установленная холодильная мощность достигла 150 МВт холода. К этому моменту около половины добывающей промышленности была укомплектована оборудованием для обработки воздуха подаваемого в забой.
В начале 90-х годов развитие кондиционирования рудничного воздуха на шахтах приостановилось, а потенциал установленной холодильной техники стал резко сокращаться. Это было обусловлено тяжелым экономическим положением шахт и запрещением применения хладона R12. По состоянию на 2004 г. угольная отрасль потеряла 95% установленной холодильной мощности, в том числе, основную часть по причине экологической безопасности, в связи с запретом Монреальским протоколом производства и применения холодильного агента R12. Вся холодильная техника, работающая на фреоне R12, была выведена из эксплуатации без восстановления утраченных мощностей. В работоспособном состоянии сохранилась техника суммарной мощностью около 4 МВт холода, в качестве рабочего вещества у которой используется холодильный агент R22.
Для повышения эффективности нормализации тепловых условий, снижения энергетических затрат и выполнения требований экологической и промышленной безопасности в странах с развитой горнодобывающей промышленностью в последнее время внедряются установки получения льда для целей кондиционирования шахтного воздуха, использующие в качестве рабочих веществ альтернативные хладагенты из ряда фреонов и аммиак . Научные и практические результаты в этой области связаны с работами И. Фосса (Германия), Т. Шира (ЮАР), Ю.А. Цейтлина (Украина) и других ученых.
Сегодня мировой опыт обработки рудничного воздуха свидетельствует о необходимости создания эффективных и безопасных способов охлаждения и подогрева воздуха для глубоких шахт и рудников, направленных на существенное снижение энергетических затрат, повышение эффективности и промышленной и экологической безопасности данного технологического процесса. С этой целью необходимо иметь возможность прогнозирования микроклимата в горных выработках, при охлаждении и нагревании рудничного воздуха. Поэтому тема магистерской работы является актуальной и имеет важное значение, т.к. связана с развитием методов прогноза и способов регулирования теплового режима глубоких шахт.
Цель исследования. Целью работы является совершенствование методов прогноза теплового режима горных выработок при искусственной обработке рудничного воздуха и разработка для обеспечения регламентируемых условий труда шахтеров, повышение безопасности применения техники кондиционирования воздуха и снижение воздействий на окружающую природную среду.
Задачи исследования -
1. Обобщить существующие закономерности формирования процессов тепломассообмена в горных выработках глубоких шахт и разработать компьютерные модели прогноза тепловлажностных параметров воздуха и определения необходимой для нормализации тепловых условий холодопроизводительности средств охлаждения .
2. Исследовать тепловые условия на выемочных участках при искусственном охлаждении воздуха и провести сравнительный анализ закономерностей формирования теплового режима в горных выработках с охлаждением и без охлаждения воздуха на основе статистического анализа шахтных экспериментальных данных.
3. Выявить особенности технологических процессов охлаждения рудничного воздуха на горнодобывающих предприятиях, провести анализ параметров и определить исходные данные для проведения вычислительных экспериментов.
4. Провести вычислительные эксперименты на основе компьютерных моделей и определить параметры средств искуственного охлаждения рудничного воздуха.
Объект исследования - тепловой режим глубоких шахт и способы его нормализации.
Предмет исследования - комплексные способы нормализации тепловых условий в глубоких шахтах и рудниках.
Методы исследований - систематизация и анализ научно-патентной литературы, теплоэнергетический анализ существующих технологий вентиляций и кондиционирования рудничного воздуха, обобщение и статистический анализ шахтных данных, математическое и имитационное моделирование, разработка компьютерных моделей и проведение вычислительных экспериментов, поиск и проектирование научно-обоснованных и целесообразных технических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
— компьютерная модель прогноза теплового режима горных выработок при обработке рудничного воздуха, основанная на применении технологий визуального объектно-ориентированного моделирования и компьютерного проектирования сложных производственных объектов в графической среде Simulink;
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
На основе обобщения закономерностей процессов тепломассообмена в глубоких шахтах разработана компьютерная модель прогноза теплового режима горных выработок при искусственном охлаждении/подогреве воздуха. Модель отличается использованием технологии визуального моделирования, позволяющей применять для описания процессов настраиваемые блоки и функциональные схемы графической среды Simulink. Впервые построены и отлажены компьютерные модели, характеризующие процессы тепломассообмена на выемочных участках глубоких шахт, отличающиеся точностью и достоверностью при описании процессов тепломассообмена и представленные в виде графической библиотеки. Предложенная технология моделирования позволяет эффективно строить модели сложных физических систем вида “производственная среда - техника нормализации микроклимата” и проводить вычислительный эксперимент на виртуальном стенде, что открывает ряд новых возможностей в исследовании процессов тепломассообмена на выемочных участках глубоких шахт.
Практическое значение полученных результатов заключается в:
• разработке метода прогноза теплового режима горных выработок на базе технологии и программных средств визуального моделирования;
• создании в среде Simulink библиотеки компьютерных моделей в виде графических объектов выемочных участков глубоких шахт, позволяющих применить методику визуального компьютерного проектирования сложных производственных систем при прогнозе теплового режима;
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 22 наименований и изложена на 70 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 4 таблиц.
Купить

В ходе выполнения магистерской диссертации решена научно-техническая задача, целью которой является совершенствование методов прогноза теплового режима горных выработок при искусственной обработке приточного воздуха и разработка промышленно и экологически безопасного способа нормализации тепловых условий в глубоких шахтах и рудниках, позволяющего обеспечить улучшение условий труда шахтеров, повышение безопасности применения техники кондиционирования воздуха и снижение воздействий на окружающую природную среду.
Выводы и результаты работы сводятся к следующему.
1. Проанализированы методики для прогноза тепловлажностных условий в горных выработках шахт, а также методы расчета и подбора параметров климатического оборудования для нормализации микроклимата на рабочих местах в шахтах. Произведен анализ данных замеров тепловлажностных параметров рудничного воздуха. Обобщены закономерности формирования тепловых условий в горных выработках глубоких шахт и предложена методика построения компьютерных моделей процессов тепломассопереноса в шахтах.
2. Обобщены закономерности формирования тепловых условий в глубоких шахтах и разработана математическая модель прогнозирования тепловлажностных параметров воздуха в горных выработках. На основе данной модели предложена методика построения компьютерных моделей для расчета процессов тепломассопереноса в шахтах.
3. Построены компьютерные модели для расчета тепловлажностных параметров вентиляционного воздуха в горных выработках, которые представлены в виде графических моделей в среде моделирования Simulink. Разработанные модули включены в графическую библиотеку Simulink.
4. Выполнен сравнительный анализ процессов тепломассообмена на выемочных участках некоторых глубоких шахт. Установлены зависимости и законы вероятностных распределений для тепловлажностных параметров влажного воздуха на выемочных участках глубоких шахт.
5. Проведены вычислительные эксперименты по имитационному моделированию климатических условий в воздухоподающих, очистных и вентиляционных выработках. Определены параметры средств нормализации тепловых условий.

Купить