Аэрологическая безопасность горных предприятий

Рудничная аэрология – отрасль горной науки, изучающая свойства атмосферы шахт и рудников, законы движения воздуха, переноса газообразных примесей, пыли и тепла в горных выработках и прилегающем к ним массиве горных пород. Эта область знаний базируется на законах общей аэромеханики и термодинамики, использует применяемые в них методы исследований и наблюдений состояния рудничной атмосферы.

Свое активное развитие рудничная аэрология получила в конце 19-го – начале 20-го веков в России и странах Европы. Сегодня рудничная аэрология работает на стыке фундаментальной и прикладной наук, решает задачи, которые позволяют добиться существенной экономии ресурсов, сократить расходы на проветривание. Рудничная аэрология помогает обеспечить выполнение правил безопасности, повысить надёжность работы систем вентиляции в штатном и аварийном режимах, сделать работу служб вентиляции горных предприятий более удобной.

Современные условия добычи полезных ископаемых характеризуются горнотехническими параметрами, которые ведут к осложнению условий разработки месторождений полезных ископаемых: увеличивается глубина разработки (более километра), увеличиваются площади шахтных полей (свыше 100 квадратных километров), снижается содержание полезных компонентов в руде (что приводит к необходимости увеличения объемов извлечения).

Из-за изменения горнотехнических параметров значительно возрастают капитальные затраты на строительство объектов производства. Становится всё сложнее организовать проветривание и доставку воздуха на удаленные горные участки, что приводит к ухудшению условий труда горнорабочих и к увеличению числа аварийных ситуаций. Также усложняется проведение мероприятий по локализации и ликвидации аварий.

Именно с такими проблемами сталкиваются наши заказчики. Это как крупнейшие, так и небольшие горнодобывающие предприятия: Уралкалий, Беларуськалий, Норильский никель, Акрон, ЕвроХим, Алроса, Руссоль. Каждое горное предприятие уникально. Даже на рудниках одного месторождения системы разработки могут сильно различаться, иметь свою специфику, особые горногеологические условия. Именно поэтому созданные под конкретные задачи технологические решения и проекты приносят максимальный экономический эффект.

Мы ведем комплексную работу по совершенствованию вентиляции, теплового и газового режимов подземных рудников. Наши разработки имеют высокую актуальность и востребованность на горных предприятиях.

Одна из актуальнейших задач сегодня – разработка автоматизированных систем мониторинга и управления шахтной вентиляцией. Несоблюдение аэрологического режима может стать причиной старшейшей аварии. Многие слышали об аварии на угольной шахте «Распадская» в Кемеровской области, когда два взрыва метана, прогремевшие в ночь на 9 мая 2010 года, унесли жизни 91 человека. Не менее известная авария произошла 7 сентября 2006 года в Читинской области. В центральном стволе золотоносного рудника «Вершино-Дарасунский», произошел пожар. В результате задымления все выработок рудника погибли 25 человек. После расследования этой аварии все шахты и рудники обязали оснастить датчиками обнаружения начальной стадии возникновения пожаров.

Контроль и своевременное управление вентиляцией горных выработок – залог создания безопасных и комфортных условий труда в подземных рабочих зонах. Исторически это всегда являлось важнейшей эксплуатационной задачей при разработке месторождений полезных ископаемых.

Все мероприятия по контролю проветривания горных выработок можно разделить на две большие группы – периодические и оперативные.

К первой относятся ручные инструментальные измерения расхода воздуха, его микроклиматических параметров и концентрации горючих и ядовитых примесей. Периодический контроль параметров рудничной вентиляции невозможно использовать для оценки состояния системы вентиляции в режиме реального времени, и, тем более, для прогноза развития аварийного воздухораспределения.

Ко второй группе относится оперативный мониторинг параметров проветривания горных выработок: автоматические системы раннего обнаружения пожаров и системы аэрогазодинамического контроля.

Высокая сложность систем вентиляции современных шахт и рудников затрудняет обеспечение измерительной аппаратурой замерных пунктов, необходимых для оперативного контроля. Практика показывает, что выход из строя датчиков случается довольно часто. Это приводит к полной потере контроля параметров проветривания в выработке (в которой датчик установлен) и снижению надежности системы мониторинга в целом. Как результат, неправильная оценка текущей ситуации проветривания и ошибки в прогнозировании воздухораспределения, в том числе, в аварийных ситуациях.

Наша задача – получение полного объема информации о распределении воздуха в вентиляционной сети при использовании минимального количества датчиков. С этой целью нами разработан метод расчета воздухораспределения, позволяющий делать прогноз на основании математической модели вентиляционной сети.

Аналитическое ядро и рабочий интерфейс системы мониторинга реализованы в программе Аэросеть. Принцип работы нашей системы мониторинга следующий. Скорость движения воздуха передается с датчиков в программу, где в модели вентиляционной сети производится прогнозирование расходов воздуха во всех выработках. А на основании информации о фактическом воздухораспределении можно производить моделирование распространения газов при различных авариях.

Такая система мониторинга за счет прогнозирования распределения воздуха может сама выявлять датчики, вышедшие из строя. Кроме того, она обладает очевидной экономической эффективностью: при одинаковой информативности с другими способами мониторинга наша система требует гораздо меньшего количества датчиков.

На сегодняшний день автоматическая система мониторинга успешно прошла испытания на аэродинамическом стенде научно-производственного объединения «АэроСфера». Первым горным предприятием, оснащенным такой системой контроля воздуха будет рудник «Таймырский» ПАО «ГМК «Норильский никель». Для безупречной работы системы спроектирована и изготовлена автоматическая замерная станция, представляющая собой стационарный аппарат для измерения скорости движения воздуха и концентраций газов и позволяющая обеспечить помехоустойчивую передачу данных на значительные расстояния в шахтных условиях даже при отключении электроснабжения.

Это новая для мировой практики рудничной вентиляции задача – мониторинг распределения воздушных потоков в реальном времени с возможностью прогноза распространения газов при возникновении нештатных ситуаций. Мониторинг позволяет проводить оперативное автоматическое управление воздухораспределением, основанное на совместном управлении вентиляторными установками и автоматическими регуляторами (вентиляционными перемычками). Такой «альянс» обеспечит доставку свежего воздуха всем потребителям рудника в нужном количестве – в автоматическом режиме и при минимальных затратах электроэнергии.

Отметим, что потенциал автоматического управления воздухораспределением подземных рудников сегодня используется не полностью. Если говорить про такое управление, то аналогов в российской практике нет. А в мире только сейчас начинают внедрять отдельные элементы подобных систем: контроль параметров проветривания (дублирование функции мониторинга) и, в лучшем случае, ручное дистанционное управление вентиляционными устройствами. К тому же, там еще не решена задача разработки алгоритмов оптимального управления всей системой вентиляции рудника в целом.

Данные обстоятельства поставили перед нами задачу разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников. Комплексный подход позволил эффективно и полно решать задачи управления вентиляцией рудников. Именно поэтому ООО «НПО «Аэросфера» разрабатывает новейшее оборудование: автоматические вентиляционные двери, установки частичного повторного использования воздуха, автоматические замерные станции и установки кондиционирования воздуха. Все это оборудование объединяется с главными вентиляторными установками в единый организм, управляющий вентиляцией горного предприятия. Для его работы используется уникальный алгоритм, который перераспределяет воздух в шахте или руднике таким образом, чтобы обеспечить минимальные энергозатраты на проветривание.

Наши системы управления проветриванием доказали свою эффективность на рудниках ОАО «Беларуськалий» и ПАО «Уралкалий». На руднике 4 рудоуправления ОАО «Беларуськалий» внедрение новых технологий управления рудничной вентиляцией позволило снизить количество электроэнергии потребляемое главной вентиляторной установкой с 4 до 1 МВт и обеспечить технический резерв вентиляции, позволяющий увеличить мощность рудника по добыче с 6 до 12 млн тонн руды в год.