Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж
В статті констатовано, що основною характеристикою виробок шахтної вентиляційної мережі, знання якої дозволяє сформувати хай неточну, але з достатнім ступенем точності відповіднну реальній мережі математичну модель, є кількість повітря в них. Надалі математична модель підлягає актуалізації з метою п...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2013
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87403 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж / Т.В. Бунько, І.Є. Кокоулін, М.М. Дуднік, В.М. Веретенник // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 221-230. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-87403 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-874032015-10-18T03:02:45Z Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж Бунько, Т.В. Кокоулін, І.Є. Дуднік, М.М. Веретенник, В.М. В статті констатовано, що основною характеристикою виробок шахтної вентиляційної мережі, знання якої дозволяє сформувати хай неточну, але з достатнім ступенем точності відповіднну реальній мережі математичну модель, є кількість повітря в них. Надалі математична модель підлягає актуалізації з метою підвищення ефективності рішень по вдосконаленню провітрювання шахти, які вироблюються. Проте вживані для цих цілей методи (коротка характеристика двох з них, розроблених в ІГТМ НАН України, приведена в статті) вимагають високої оперативності і точності актуалізації інформації для проведення вентиляційних розрахунків, що, в свою чергу, обумовлює необхідність використовування вимірювальних приладів сучасного технічного рівня. Один з них, переносний анемометр АПР-2, розроблений в ІГТМ НАН України, описаний у статті. В статье констатировано, что основной характеристикой выработок шахтной вентиляционной сети, знание которой позволяет сформировать пусть неточную, но с достаточной степеню соответствующей реальной сети математическую модель, является расходвоздуха в них. В дальнейшем математическая модель подлежит актуализации с целью повышения эффективности принимаемых решений по совершенствованию проветривания шахты. Однако применяемые для этих целей методы (краткая характеристика двух из них, разработанных в ИГТМ НАН Украины, приведена в статье) требуют высокой оперативности и точности актуализации информации для проведения вентиляционных расчетов, что, в свою очередь, обуславливает необходимость использования измерительных приборов современного технического уровня. Один из них, переносной анемометр АПР-2, разработанный в ИГТМ НАН Украины, описан в статье. As it is stated in the article, a key characteristic of any ventilation system is debit of air knowing of which helps to create a mathematic model which could more exactly and fully reflect a real state of the ventilation network in the tunnels. The mathematic model should be actualized from time to time in order to increase effectiveness of making decisions on the ventilation network improvement. Methods (two of them designed by the IGTM, NANU, are shortly described in the article) applied for this purpose require fast reactivity and high accuracy of the information actualization which can be ensured only by up-to-date instrumentation. One of such instruments – a portable anemometer APR-2 designed by the IGTM, NANU - is presented in this article. 2013 Article Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж / Т.В. Бунько, І.Є. Кокоулін, М.М. Дуднік, В.М. Веретенник // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 221-230. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87403 622.451.012.2: 004.04 uk Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
В статті констатовано, що основною характеристикою виробок шахтної вентиляційної мережі, знання якої дозволяє сформувати хай неточну, але з достатнім ступенем точності відповіднну реальній мережі математичну модель, є кількість повітря в них. Надалі математична модель підлягає актуалізації з метою підвищення ефективності рішень по вдосконаленню провітрювання шахти, які вироблюються. Проте вживані для цих цілей методи (коротка характеристика двох з них, розроблених в ІГТМ НАН України, приведена в статті) вимагають високої оперативності і точності актуалізації інформації для проведення вентиляційних розрахунків, що, в свою чергу, обумовлює необхідність використовування вимірювальних приладів сучасного технічного рівня. Один з них, переносний анемометр АПР-2, розроблений в ІГТМ НАН України, описаний у статті. |
| format |
Article |
| author |
Бунько, Т.В. Кокоулін, І.Є. Дуднік, М.М. Веретенник, В.М. |
| spellingShingle |
Бунько, Т.В. Кокоулін, І.Є. Дуднік, М.М. Веретенник, В.М. Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Бунько, Т.В. Кокоулін, І.Є. Дуднік, М.М. Веретенник, В.М. |
| author_sort |
Бунько, Т.В. |
| title |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| title_short |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| title_full |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| title_fullStr |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| title_full_unstemmed |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| title_sort |
розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2013 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/87403 |
| citation_txt |
Розробка методів і технічних засобів автоматизованого збирання і обробки даних про стан шахтних вентиляційних мереж / Т.В. Бунько, І.Є. Кокоулін, М.М. Дуднік, В.М. Веретенник // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2013. — Вип. 112. — С. 221-230. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT bunʹkotv rozrobkametodívítehníčnihzasobívavtomatizovanogozbirannâíobrobkidanihprostanšahtnihventilâcíjnihmerež AT kokoulíníê rozrobkametodívítehníčnihzasobívavtomatizovanogozbirannâíobrobkidanihprostanšahtnihventilâcíjnihmerež AT dudníkmm rozrobkametodívítehníčnihzasobívavtomatizovanogozbirannâíobrobkidanihprostanšahtnihventilâcíjnihmerež AT veretennikvm rozrobkametodívítehníčnihzasobívavtomatizovanogozbirannâíobrobkidanihprostanšahtnihventilâcíjnihmerež |
| first_indexed |
2025-07-06T14:59:46Z |
| last_indexed |
2025-07-06T14:59:46Z |
| _version_ |
1836910103459004416 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________________________
221
УДК 622.451.012.2: 004.04
Т.В. Бунько, д-р техн. наук, ст. наук. співр.,
І.Є. Кокоулін, канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
М.М. Дуднік, магістр
В.М. Веретенник, магістр
(ІГТМ НАН України)
РОЗРОБКА МЕТОДІВ І ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ АВТОМАТИЗОВАНОГО
ЗБИРАННЯ І ОБРОБКИ ДАНИХ ПРО СТАН ШАХТНИХ
ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ МЕРЕЖ
Т.В. Бунько, д-р техн. наук, ст. научн. сотр.,
И.Е. Кокоулин, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.,
М.Н. Дудник, магистр
В.Н. Веретенник, магистр
(ИГТМ НАН Украины)
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
О СОСТОЯНИИ ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ
T.V. Bunko, D.Sc.(Tech.), Senior Researcher,
I. Ye. Kokoulin, Ph.D. (Tech.), Senior Researcher,
M.N. Dudnik, Master of Science,
V.N. Veretennik, Master of Science
(IGTM NAS of Ukraine)
METHODS AND HARDWARE FOR AUTOMATED
COLLECTION AND PROCESSING OF DATA ON THE STATE OF MINE
VENTILATION SYSTEMS
Анотація. В статті констатовано, що основною характеристикою виробок шахтної вен-
тиляційної мережі, знання якої дозволяє сформувати хай неточну, але з достатнім ступенем
точності відповіднну реальній мережі математичну модель, є кількість повітря в них. Надалі
математична модель підлягає актуалізації з метою підвищення ефективності рішень по вдос-
коналенню провітрювання шахти, які вироблюються. Проте вживані для цих цілей методи
(коротка характеристика двох з них, розроблених в ІГТМ НАН України, приведена в статті)
вимагають високої оперативності і точності актуалізації інформації для проведення вентиля-
ційних розрахунків, що, в свою чергу, обумовлює необхідність використовування вимірюва-
льних приладів сучасного технічного рівня. Один з них, переносний анемометр АПР-2, роз-
роблений в ІГТМ НАН України, описаний у статті.
Ключові слова: аеродинамічні параметри, витрата повітря, виміри, аеродинамічний пе-
ретворювач, структурна і параметрична ідентифікація.
____________________________________________________________________
© Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин, М.Н. Дудник, В.А. Веретенник, 2013
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
______________________________________________________________________________________________
222
Кількість повітря у виробці є єдиним параметром, який характеризує ефек-
тивність системи вентиляції з точки зору її основного призначення – створення
у підземних виробках нормальних атмосферних і кліматичних умов. Дані про
кількість повітря є для більшості виробок шахтної мережі, і їх постійно уточ-
нюють. Втрати депресії характеризують економічну ефективність системи вен-
тиляції.
На діючих шахтах звичайно відомі сумарні втрати депресії на головних вен-
тиляційних установках, які разом з кількістю повітря визначають режим роботи
вентиляторів і кількість електроенергії, яка витрачається.
Таким чином, можна вважати, що найбільш надійною інформацією, яка по-
стійно контролюється і уточнюється, для діючих шахт є топологія вентиляцій-
ної мережі, кількість повітря у виробках і режими роботи вентиляторів голо-
вного провітрювання. Цієї інформації недостатньо для однозначного розподілу
депресій по мережі і, отже, визначення аеродинамічних опорів усіх її гілок, але
з її використанням можна, використавши метод невизначених параметрів,
отримати якусь наближену математичну модель мережі, тотожну по топології,
подібну по потоках і енергетично еквівалентну реальній мережі. Таким чином і
поступають у нинішній час всі гірничі підприємства України.
Загальноприйнятим нині методом отримання інформації при аеродинаміч-
ний стан шахтної вентиляційної мережі (ШВМ) у нинішній час є повітряно-
депресійні зйомки (ПДЗ) всієї ШВМ. У ході їх проводяться виміри аеродинамі-
чних параметрів у максимальній кількості доступних для контролю точок
ШВМ. У подальшому ця інформація коригується, обробляється на ПЕОМ і ви-
користовується дільницями вентиляції і техніки безпеки (ВТБ) під час вирі-
шення задач по вдосконаленню вентиляції шахт. Хоча цей метод і є універсаль-
ним і дає найбільш наближені до реальних умов результати, однак він є досить
праце- і часомістким, і вимушено використовується рідко (у середньому один
раз на три роки). У період між ПДЗ дільниця ВТБ проводить регулярно часткові
анемометричні зйомки у ділянках ШВС, які найбільш динамічно змінюються.
За результатами цих зйомок результати основних ПДЗ актуалізуються, за раху-
нок чого підтримується реальна у часі інформація про аеродинамічний стан
ШВМ.
Технічних засобів виміру кількості повітря існує багато. Більшість із ниніш-
ніх є переносними, мають добрі технічні характеристики, нескладні у експлуа-
тації і успішно використовуються на шахтах. Найбільш досконалим з них є роз-
роблений у ІГТМ НАН України прилад АПР-2.
Анемометр переносний АПР-2 призначений для вимірювань середньої
швидкості і визначення кількості повітря в гірничих виробках шахт і копалень
всіх категорій, газопроводах, тунелях метрополітенів, системах контролю вен-
тиляції промислових підприємств і підприємств атомної енергетики.
Робота анемометра заснована на тахометричному принципі перетворення
швидкості повітряного потоку в частоту електричного сигналу за допомогою
металевої крильчатки, кутова швидкість обертання якої пропорційна швидкості
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________________________
223
набігаючого повітряного потоку. Тривалість одного вимірювання може бути
довільною від 1 до 999 с.
Анемометр дозволяє обчислювати об'ємну витрату повітряного потоку
для трьох загальноприйнятих основних способів визначення середньої швидко-
сті руху потоку, при яких враховується вплив положення місця виміру резуль-
тат.
З 2013 року в анемометрі АПР-2, після проведених чергових Державних
контрольних випробувань, розширений діапазон вимірювань до 0,15 м/с, три-
разово підвищена точність вимірювань малих швидкостей, а також додана фун-
кція вимірювання витрати повітряного потоку (кількості повітря). Значення ви-
трати в ньому визначається з урахуванням виміряної середньозваженої швидко-
сті повітряного потоку, способу обводу замірного перетину виробки і введеного
значення її площі. У нормативних документах приведені повні нормовані хара-
ктеристики і нова функція визначення витрати повітряного потоку.
Розроблено функціональну схему, схему електричну принципову, алго-
ритм і програму, а також виготовлено експериментальний зразок комбінованого
засобу вимірювань швидкості руху повітря та перепаду (різниці) його тиску на
перепонах та повздовж гірничих виробок для ПДЗ шахт.
Схемотехніка експериментального зразка виконана з урахуванням вимог
до вибухозахищеного устаткування Правил безпеки у вугільних шахтах [1]
ДНАОП 1.1.30-1.01-00 и ГОСТ 22782.5-78 «Електроустаткування вибухозахи-
щеного с видом вибухозахисту «Іскробезпечне коло». Технічні вимоги і мето-
ди випробувань».
Для метрологічного забезпечення створеного експериментального зразка
комбінованого засобу вимірювань було удосконалено розроблений і виготов-
лений ІГТМ та атестований Держстандартом України робочий еталон малих
швидкостей (до 1,2 м/с) повітряного потоку РЭСВП-1. Розроблено, виготовлено
і підготовлено до державної метрологічної атестації робочий еталон тиску
МКВ-600.
Для вивчення перехідних характеристик тахометричних перетворювачів
типу АПР-2 у діапазоні швидкостей нижче порогу їх чутливості розроблено і
виготовлено мікропроцесорний засіб (ИПХ). Виготовлено новий змінний пер-
винний перетворювач на діапазон від 0,1 до 1,2 м/с з відносною похибкою ви-
мірів не більше 5%, який може працювати у складі розробленого та серійно ви-
роблюваного ІГТМ анемометра АПР-2, що є основним засобом контролю вен-
тиляції на шахтах України, Росії, Білорусі та Казахстану.
Проведено лабораторні дослідження експериментального зразка комбіно-
ваного приладу, у результаті яких отримано характеристики які відповідають
сучасним вимогам та потребам гірничої аерології:
1) діапазон вимірів швидкості повітряного потоку від 0,1 м/с до
20,0 м/с, що забезпечується двома первинними перетворювачами, які працюють
у піддіапазонах від 0,1 до 1,2 м/с і від 0,2 до 20,0 м/с із відносною похибкою
вимірів не більше 5%;
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
______________________________________________________________________________________________
224
2) діапазон вимірів диференціальних тисків від 0,1 до 600,0 мм вод. ст.
(від 1 до 6000 Па) з абсолютною похибкою у піддіапазоні 0,1 - 250 мм вод. ст.
не більше 0,2 мм вод. ст., у піддіапазоні 250 - 600 мм вод. ст. не більше
1 мм вод. ст.
Розроблений комбінований портативний засіб вимірювання параметрів ат-
мосфери відповідає кращим світовим зразкам приладів для вимірювання окре-
мих параметрів шахтної атмосфери.
Отримані і актуалізовані дані про аеродинамічний стан ШВМ дозволяють
знизити інтервал між черговими етапами вирішення досить складних задач по
керуванню вентиляцією, які потребують максимально достовірної і оперативної
інформації про стан провітрювання.
Однією з таких задач, яка була поставлена і вирішена у ІГТМ НАН України,
є задача структурної ідентифікації ШВМ з невизначеними зонами [2], яка поля-
гає у встановленні відповідності між елементами реальної вентиляційної систе-
мі шахти та її математичної моделі (ММ) шляхом виявлення основних аероди-
намічних зв'язків між її елементами та визначенні множини основних і додат-
кових споживачів повітря.
Метод розв’язання задачі структурної ідентифікації для випадку ШВС з не-
визначеною структурою є таким.
1. Задана початкова мережа Gи (Xи,Uи). На множині гілок Uм модельованого
графа виділяється постійна частина Uconst, тобто гілки, які відображаються у
ММ ШВС без зміни структури і аеродинамічних параметрів. Для цього викори-
стовуються критерії структурної подібності.
2. У модельованій мережі головний маршрут від об'єкту провітрювання до
ВГП і вузлів поверхні повинен співпадати з маршрутом в початковій мережі,
для цього використовується критерій функціональної подібності; таким чином
виявляються основні аеродинамічні зв'язки об'єктів провітрювання з ВГП і вуз-
лами поверхні.
3. Частина мережі, яка залишилася (зони невизначеності ), буде відображе-
на в ММ топологічною структурою Mk(XM
k,UM
k). При формуванні цих структур
нові вузли у множину Uм не включаються.
4. Результати виміру повітря і депресій (викладення методів і технічних за-
собів виміру депресії гірничих виробок не входило до мети цієї публікації) на-
носяться на моделюючий граф Gм(Xм,Uм). У моделюючому графі визначаються
вузли з порушенням першого закону мереж таким чином:
( , )
( ( , )) | ( , ) | , 1, ,
l
i
i j U
q siqn Q i j Q i j l n
⊂
Δ = =∑ ',1, niqi =≥Δ ξ ,
де Δqi – нев'язка витрат повітря в i - тому вузлі; ζ – необхідна точність моделю-
вання повітророзподілу в i –тому вузлі; n’ – кількість вузлів з порушенням пер-
шого закону мереж.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________________________
225
5. Визначається множина гілок (i,j), які моделюють невизначену частину
мережі топологічною структурою Mk(XM
k,UM
k). Для цього виконуються операції
порівняння
1) Δqi>0, 2) Δqj<0, 3) ji qq Δ=Δ .
Якщо виконуються всі три умови, то гілка (i,j) вміщується у множину гілок
Um моделюючого графа.
6. Визначається значення max{ad Gм} критерію адекватності, в якості якого
може бути прийнята максимальна нев'язка витрат повітря у вузлах модельова-
ної мережі:
maх
( , )
( ( , )) | ( , ) | , 1,
li j U
siqn Q i j Q i j l nξ
⊂
≤ =∑ ,
Таким чином, задача структурної ідентифікації полягає в тому, щоб макси-
мальне відхилення в будь-якому з вузлів реальної і модельованої мереж, не пе-
ревищувало значення критерію адекватності, пов'язаного з вимірюваннями ви-
трат повітря за умови min {dim Gм}- мінімізації критеріїв розмірності та пере-
творення мережі.
Результати вимірів повітря ефективно використовуються і при реалізації
фрагментів іншої розробки ІГТМ НАН України - задачі параметричної іденти-
фікації ШВМ з невизначеними аеродинамічними параметрами [4], яка полягає в
оцінці вірогідності значень витрат повітря на всіх ділянках мережі та тиску у
всіх вузлах мережі на підставі зміни тільки деяких із цих змінних. У результаті
вирішення задачі за розрахунковими або експериментальним даними визнача-
ються значення аеродинамічних опорів, розподілу депресій і витрат повітря у
всіх виробках ШВМ, що задовольняють мережним законам.
Математична постановка задачі ідентифікації аеродинамічних параметрів
ШВМ полягає у мінімізації функціонала:
min)),(),((
)(
1)),(),((
)(
1
),(
2*
2
),(
2*
2
),(
→
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−+−= ∑
⊂Uji
h
jj
q
jj
jiHjiHjiQjiQF
δδ
(1)
при обмеженнях:
( , )
( ( , )) | ( , ) | 0, 1, ,
li j U
siqn Q i j Q i j l m
⊂
= =∑ (2)
2
( , ) ( , ) ( )
( ( ( , )) ( , ) ( , ) ) ( , ) 0, 1, 1,
b
е
i j U i j U U
sign Q i j R i j Q i j h H i j n m
μ μ
μ
⊂ ⊂
± − = = − +∑ ∑
∩ (3)
,),(),,(),(),(),( 2
bUjijiQjibjiajiH ⊂−= (4)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
______________________________________________________________________________________________
226
,),(),( , bнорм UjiHjiH ⊂≤ (5)
2,5
( , ) ( , ) ( , )( , ) , ( , ) ,
( , ) x
i j L i j P i jR i j i j U
S i j
α
= ⊂ (6)
Q(i,j)=S(i,j)V(i,j), (i,j) \ bU U⊂ , (7)
min max( , ) ( , ) ( , ), ( , ) \ ,bV i j V i j V i j i j U U≤ ≤ ⊂ (8)
min max( , ) ( , ) ( , ), ( , ) \ bR i j R i j R i j i j U U≤ ≤ ⊂ (9)
min max( , ) ( , ) ( , ), ( , ) \ bQ i j Q i j Q i j i j U U≤ ≤ ⊂ , (10)
min max( , ) ( , ) ( , ), ( , ) \ bH i j H i j H i j i j U U≤ ≤ ⊂ , (11)
де Ul, - множина гілок, інцидентних l-тому вузлу; Uμ, - множина гілок, що нале-
жать μ-тому незалежному контуру; Ub – множина гілок, що відображають ВГП;
hе – величина природної тяги, що діє в μ-тому незалежному контурі; L(i,j), - до-
вжина виробки, м; S(i,j), Smin(i,j), Smax(i,j)- відповідно площа поперечного пере-
тину виробки, його мінімально і максимально припустимі значення, м2; Q(i,j),
Qmin(i,j), Qmax(i,j)- відповідно витрата повітря у виробці, її мінімально і макси-
мально припустимі значення, м3/з; H(i,j), Hmin(i,j), Hmax(i,j)- відповідно депресія
виробки, її мінімально і максимально припустимі значення, Па; Ннорм- обме-
ження на величину загальношахтної депресії, Па; V(i,j), Vmin(i,j), Vmax(i,j)- відпо-
відно швидкість руху повітря у виробці, її мінімально і максимально припусти-
мі значення, м/с; R(i,j), Rmin(i,j), Rmax(i,j)- відповідно аеродинамічний опір вироб-
ки, його мінімально і максимально припустимі значення, одиниць СІ; α – кое-
фіцієнт аеродинамічного опору виробки; ),(),,( jiji hq δδ - відповідно значення
вірогідності завдання величин Q(i,j), H(i,j) у виробці; a(i,j) b(i,j) – коефіцієнти
апроксимації характеристик ВГП, Q*(i,j), H*(i,j ) – вимірювані значення витрат
повітря і депресій гірничих виробок відповідно.
Мінімізація функціонала (1) є завданням нелінійного математичного про-
грамування, при цьому враховуються насту наступні обмеження у вигляді рів-
нянь і нерівностей: закони розподілу повітря у ШВМ (2), (3), залежності між
аеродинамічним опором виробки, її перетином, довжиною та коефіцієнтом ае-
родинамічного опору виробки (6), швидкістю руху та витратою повітря у виро-
бці (7); на можливі місця установки регуляторів і на величини їх аеродинаміч-
них опорів, а також гірничих виробок (9); мінімально та максимально припус-
тимі швидкості повітря у виробці (8), витрати повітря (10) і депресії (11); мак-
симально можлива величина загальношахтної депресії (5); рівняння, що апрок-
симує робочу характеристику ВГП (4).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________________________
227
Дослідження необхідних та достатніх умов існування мінімуму функціонала
(1) при обмеженнях (2) і (3) показало, що функція цілі (1) є опуклою, тому що
являє собою суму опуклих функцій виду
* 2
2
( , )
1 ( ( , ) ( , ))
( )q
j j
Q i j Q i j
δ
− і * 2
2
( , )
1 ( ( , ) ( , ))
( )h
j j
H i j H i j
δ
− ,
тобто функція має єдиний екстремум.
Постановка задачі ідентифікації аеродинамічних параметрів ШВМ в умовах
неповної та недостатньо достовірної інформації повинна бути доповнена дво-
сторонніми обмеженнями на змінні (8) – (11). У цьому випадку передбачається,
що за розрахунковими формулами і експериментальними залежностями зміни
аеродинамічного опору можна одержати оцінку верхньої та нижньої межі зміни
аеродинамічних параметрів ШВМ.
У постановці задачі вперше враховується P(i,j) -якісна характеристика стану
виробки. Для цього множина виробок розбивається на 3 групи залежно від ста-
ну виробки: I- добре (виробки без істотної деформації); II- задовільне (виробки
з частково деформованим кріпленням); III- погане (аварійно деформовані виро-
бки, або зі значною кількістю породи та устаткування). Кількісна оцінка аеро-
динамічного опору цих виробок визначаться за формулою (6).
Для розв’язання задачі ідентифікації аеродинамічних параметрів ШВМ в
умовах неповної та недостатньо достовірної інформації пропонується викорис-
товувати метод множників Лагранжа. При цьому завдання оптимізації з обме-
женнями перетвориться в еквівалентне завдання безумовної оптимізації, у якій
фігурують деякі невідомі параметри (множники Лагранжа). У загальному ви-
гляді задача мінімізації функцій N змінних F(x1, x2, x3, xn) min→ з урахуван-
ням обмежень у вигляді рівності h(x1, x2, x3,…,xn)=0 перетвориться на задачу бе-
зумовної оптимізації L(x;λ)=f(x)- λ h(x) min→ , де L(x;λ)- функція Лагранжа, λ -
множник Лагранжа.
Основними етапами методу ідентифікації невизначених аеродинамічних па-
раметрів ШВС є наступні:
1. Розв’язується задача структурної ідентифікації ШВМ із невизначеною то-
пологією та виконуються диакоптичні перетворення мережі.
2. У гілках моделюючої ШВМ діакоптичною процедурою визначаються ви-
трати повітря, які мінімізують функціонал (1) при виконанні обмежень (2), (8) -
(11):
2
*
1
( ( , ))( , ) ( , ) ( ) ,
2
q m
l l
l
i jQ i j Q i j signδ λ λ
=
= − ∑
3. Отримане рішення використовується під час мінімізації функціонала (1)
при обмеженнях (3), (8) - (11).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
______________________________________________________________________________________________
228
2 2 1
*
1
( ( , )) ( , )( , ) ( , ) ( ) ,
2
h n m
l l
l
i j Q i jR i j R i j signδ λ λ
− +
=
= − ∑
4. За отриманими у результаті реалізації етапів 2 і 3 витратами повітря і
значенням депресій у гілках ШВМ обчислюються їхні аеродинамічні опори.
5. Виконується розрахунок природного повітророзподілу (контроль вико-
нання обмежень (2) і (3)).
min min
max max
( , ) ( , ), ( , ) ( , )
( , ) ( , ), ( , ) ( , ),
R i j R i j якщо R i j R i j
R i j R i j якщо R i j R i j
⎧ = <⎪
⎨
= >⎪⎩
( , ) \ bi j U U⊂
6. Визначаються чисельні значення критеріїв адекватності (табл. 1) реальної
ШВМ і ШВМ, яка моделюється.
7. Робиться висновок про коректність отриманого рішення задачі ідентифі-
кації аеродинамічних параметрів ШВМ.
На рис. 1 наведено приклад рішення задачі структурної та параметричної
ідентифікації ШВМ із невизначеною топологією розмірністю 348 гілок.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4
а) б)
а) структурна та функціональна подібність ШВМ; б) параметрична ідентифікація ШВМ.
Рисунок 1 – Результати вирішення задач ідентифікації
За результатами рішення задачі було визначено PR- функціональне призна-
чення гілок, відображене по осі абсцис (рис. 1а): РR =1- виробки, які підтриму-
ються, РR=2 – витоки повітря; РR=3 – гілки, умовно послідовні відособленим
об'єктам провітрювання. У ШВМ було виконано 62 виміри, за результатами
яких були визначені витрати повітря у 56 гілках. Усі результати були поділені
на категорії за відхиленнями виміряної та розрахованої кількості повітря: менш
ніж 5%, у діапазоні 5-10%, більш ніж 10%. Результати автоматизованої (1 стов-
пчик) та ручної (2 стовпчик) обробки даних наведені на рис. 1б; 3 стовпчик –
відхилення витрат повітря.
Запропонований метод знайшов застосування при розрахунках складних ба-
гатовентиляторних систем сучасних вугільних шахт, де в період між проведен-
нями ПДЗ працемістким є одержання достовірних значень аеродинамічних па-
раметрів ряду ділянок ШВМ з необхідним ступенем вірогідності, та розроблено
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
________________________________________________________________________________________________
229
методичний документ «Методичні вказівки щодо аналізу стану вентиляційних
систем діючих шахт».
Таким чином, використання нових методів і засобів виміру і обробки аеро-
динамічних параметрів ШВМ дозволяє забезпечити більш ефективне і операти-
вне використання складних сучасних методів вентиляційних розрахунків і, тим
самим, - підвищити їх ефективність.
_________________________________
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. НПАОП 10.0-1.01-10 Правила безпеки у вугільних шахтах: затв. наказом Державного комітету
України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду 22.03.2010 № 62. – Київ: 2010 –
2154 (Нормативний документ Мінвуглепрому України).
2. Бунько, Т.В. Основные положения структурной идентификации вентиляционной сети и ее
применение при анализе вентиляции шахты им. А.Ф. Засядько / Т.В. Бунько // Геотехническая меха-
ника: межвед. сб. научных трудов. – Днепропетровск, 2002.- вып.35.- С. 122-128.
3. Бунько, Т.В. Метод идентификации вентиляционных сетей с неопределенными аэродинамиче-
скими параметрами / Т.В. Бунько // Геотехническая механика: межвед. сб. научных трудов. – Днеп-
ропетровск, 2005.- вып.57.- С. 233-238.
REFERENCES
1. State committee of Ukraine on industrial safety, labour protection and mining supervision (2010),
NPAOP 10.0-1.01-10: Pravila bezpeki u vugilnirh shakhtakh [NPAOP 10.0-1.01-10 Rules of safety in coal
mines], Kiev, Ukraine
2. Bunko, Т.V. (2002), «Main positions of structural authentication of ventilation network and its appli-
cation at the analysis of ventilation of A.F. Zasyadko mine», Geo-Technical Mechanics, no. 35, pp. 122-128.
3. Bunko, Т.V.(2005) «Метод authentications of ventilation networks with indefinite aerodynamic pa-
rameters», Geo-Technical Mechanics, no. 57, pp 233-238
__________________________________
Об авторах
Бунько Тетяна Вікторівна, доктор технічних наук,старший науковий співробітник, старший на-
уковий співробітник у відділі проблем розробки родовищ на великих глибинах Інституту геотехніч-
ної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (ІГТМ НАН України), Дніпропе-
тровськ, Україна, bunko2007@mail.ru
Кокоулін Іван Євгенович, кандидат технічних наук,старший науковий співробітник, старший на-
уковий співробітник у відділі проблем розробки родовищ на великих глибинах Інституту геотехніч-
ної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (ІГТМ НАН України), Дніпропе-
тровськ, Україна, bunko2007@mail.ru
Дуднік Михаїл Миколайович, інженер у відділі гірничої термоаеродинаміки і автоматизованих
систем Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (ІГТМ
НАН України), Дніпропетровськ, Україна,
Веретеннік Віктор Миколайович , інженер у відділі гірничої термоаеродинаміки і автоматизо-
ваних систем Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України
(ІГТМ НАН України), Дніпропетровськ, Україна,
About the authors
Bunko Tatyana Viktorovna, Doctor of Technical Sciences (D.Sc), Senior Reseacher, Senior Reseacher
in the Department of Mineral Mining at Great Depths N.S. Polyakov Institutute of Geotechnical Mechanics
under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
bunko2007@mail.ru
Kokoulin Ivan Yevgenyevich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D.), Senior Reseacher, Senior Re-
seacher in the Department of Mineral Mining at Great Depths N.S. Polyakov Institutute of Geotechnical
Mechanics under the National Academy of Sciences of Ukraine (IGTM NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
bunko2007@mail.ru
Dudnik Michail Nikolayevich, ingeneer in the Department of Rock Thermoatrodynamics and Auto-
mated Systems N.S. Polyakov Institutute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sci-
ences of Ukraine (IGTM NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
mailto:bunko2007@mail.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2013. №112
______________________________________________________________________________________________
230
Veretennik Victor Nikolayevich, ingeneer in the Department of Rock Thermoatrodynamics and Auto-
mated Systems N.S. Polyakov Institutute of Geotechnical Mechanics under the National Academy of Sci-
ences of Ukraine (IGTM NASU), Dnepropetrovsk, Ukraine,
_____________________________________
Аннотация. В статье констатировано, что основной характеристикой выработок шахт-
ной вентиляционной сети, знание которой позволяет сформировать пусть неточную, но с до-
статочной степеню соответствующей реальной сети математическую модель, является рас-
ходвоздуха в них. В дальнейшем математическая модель подлежит актуализации с целью
повышения эффективности принимаемых решений по совершенствованию проветривания
шахты. Однако применяемые для этих целей методы (краткая характеристика двух из них,
разработанных в ИГТМ НАН Украины, приведена в статье) требуют высокой оперативности
и точности актуализации информации для проведения вентиляционных расчетов, что, в свою
очередь, обуславливает необходимость использования измерительных приборов современ-
ного технического уровня. Один из них, переносой анемометр АПР-2, разработанный в
ИГТМ НАН Украины, описан в статье.
Ключевые слова: аэродинамические параметры, расход воздуха, замеры, аэродинамиче-
ский преобразователь, структурная и параметрическая идентификация.
Abstract. As it is stated in the article, a key characteristic of any ventilation system is debit of
air knowing of which helps to create a mathematic model which could more exactly and fully re-
flect a real state of the ventilation network in the tunnels. The mathematic model should be actual-
ized from time to time in order to increase effectiveness of making decisions on the ventilation net-
work improvement. Methods (two of them designed by the IGTM, NANU, are shortly described in
the article) applied for this purpose require fast reactivity and high accuracy of the information ac-
tualization which can be ensured only by up-to-date instrumentation. One of such instruments – a
portable anemometer APR-2 designed by the IGTM, NANU - is presented in this article.
Keywords: aerodynamic parameters, debit of air, measurements, aerodynamic transformer, structural and
parametrical authentication.
Статья поступила в редакцию 25.08. 2013
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук С.П. Минеевым
|