9. Weryfikacja opracowanych metod i programów komputerowych dotyczących optymalizacji rozpływów powietrza w oddziałach eksploatacyjnych

Dla praktycznego zobrazowania możliwości zastosowania poszczególnych wariantów regulacyjnych wykonano optymalizację rozpływu powietrza na froncie eksploatacyjnym, wykorzystując do minimalizacji funkcji celu zarówno metodę mnożników Lagrange'a, jak i metodę simpleks.

W tym celu przygotowano dwa przykłady rozprowadzenia powietrza. Przykład pierwszy (rys. 9.1) obrazuje oddział komorowo-filarowy złożony z 3 pasów i 5 komór. Sieć wentylacyjna odwzorowująca ten oddział składa się z 22 bocznic i 15 węzłów. Wyznaczono dla niej 8 oczek niezależnych. Żądany rozpływ powietrza, opory bocznic oraz dyssypacje energii, jakie zachodzą w poszczególnych bocznicach tej sieci, zamieszczono w tabeli 9.1.

Rys. 9.1. Sieć wentylacyjna oddziału filarowo-komorowego (przykład 1)

Dla tego przykładu (rys. 9.1), stosując metodę mnożników Lagrange'a, wyznaczono regulatory w tej sieci dla trzech wariantów:

- wariant I, w którym nie stosowano żadnych ograniczeń co do miejsca wstawienia regulatora,

- wariant II, w którym ze względów ruchowych, dla zapewnienia przejazdu maszyn samojezdnych, ograniczono możliwość wstawiania regulatorów (tam) na dwóch pasach,

- wariant III, analogiczny do wariantu II, z tym, że ze względu na małe dyssypacje energii użytecznej zachodzące w regulatorach wyeliminowano część regulatorów, przyjmując kryterium, że rozpływ powietrza wzdłuż pasów nie powinien różnić się więcej niż 25% od rozpływu żądanego.

Analogiczne warianty doboru regulatorów dla tego przykładu przeprowadzono stosując metodę simpleks, przy czym w metodzie tej regulację wykonano za pomocą tam dławiących lub wentylatorów. Wartości dyssypacji energii użytecznych, zachodzących na regulatorach, dla poszczególnych wariantów regulacji zestawiono w tabeli 9.1, przy czym wartości dodatnie dyssypacji energii oznaczają, że w tych bocznicach powinny być zainstalowane tamy dławiące, natomiast w bocznicach, w których wartości dyssypacji energii w regulatorach są ujemne, powinny być zainstalowane wentylatory pomocnicze, których spiętrzenie ma być równe wartości bezwzględnej podanej dyssypacji energii użytecznej.

Z analizy regulacji sieci wentylacyjnej oddziału wydobywczego (rys. 9.1) metodą mnożników Lagrange'a (tabela 9.1) widać, że w wariancie I, najbardziej ogólnym, kiedy nie ma ograniczeń co do miejsca występowania regulatorów, należałoby w 13 bocznicach (na 22) jako regulatory zastosować wentylatory pomocnicze o spiętrzeniach poniżej 0,2 Pa (rys. 9.2). Ponadto w pasie najbliższym calizny (od góry rysunku) konieczne byłoby zainstalowanie tamy, co ze względów ruchowych jest kłopotliwe, bo utrudniałoby ruch maszyn.

Rys. 9.2. Rozmieszczenie regulatorów dla metody mnożników Lagrange'a - wariant I

W wariancie drugim regulację prowadzono w kierunku zapewnienia ruchu maszyn na pierwszych dwóch pasach od calizny oraz znacznego ograniczenia liczby wentylatorów pomocniczych. W rezultacie przez ograniczanie miejsc, w których jest możliwa lokalizacja regulatorów, udało się wyeliminować tamy regulacyjne z pierwszych dwóch pasów od calizny oraz zredukować liczbę wentylatorów pomocniczych do trzech (rys. 9.3).

W wariancie trzecim ustalono, że nie będą instalowane wentylatory, dla których wyznaczone spiętrzenia są mniejsze od 0,2 Pa. Pozwoliło to zmniejszyć liczbę wentylatorów do dwóch (rys. 9.4), ponieważ zmiana żądanego strumienia objętości powietrza na pasach w tym przypadku nie przekroczyła założonych 25% i wyniosła 12,4%. Eliminacja pozostałych wentylatorów nie była możliwa, bo zmiana rozpływu powietrza wzdłuż pasów przekraczałaby znacznie założony próg (25%).

tabela 9.1

Rys. 9.3. Rozmieszczenie regulatorów dla metody mnożników Lagrange'a - wariant II

Rys. 9.4. Rozmieszczenie regulatorów dla metody mnożników Lagrange'a - wariant III

Optymalizacja rozpływu powietrza metodą simpleks wymaga wstawienia w sieci liczby regulatorów (tam lub wentylatorów) równej liczbie oczek niezależnych.
Podczas regulacji żądanego rozpływu powietrza tamami dławiącymi, ze względu na minimum dyssypacji mocy, w pierwszych dwóch pasach od calizny konieczne byłoby zabudowanie czterech tam regulacyjnych (wariant I, rys. 9.5). Aby wyeliminować, lub zmniejszyć liczbę tam na tych pasach, ograniczono liczbę miejsc, w których jest możliwa zabudowa tam. W wyniku takich działań udało się ograniczyć liczbę tam do dwóch (wariant II, rys. 9.6), przy czym przyjęto, że nie będzie się instalować tam, dla których wyznaczona dyssypacja energii użytecznej będzie mniejsza od 0,2 Pa. W ten sposób udało się zlikwidować dwie tamy regulacyjne (wariant III, rys. 9.7), co umożliwiło uzyskanie dodatkowej drogi przejazdu między pasami 1 i 2. Zmniejszenie ilości powietrza na pasach wywołane takimi działaniami wynosi 12% i jest mniejsze od założonego (25%).

Rys. 9.5. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji tamami (wariant I)

Rys. 9.6. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji tamami (wariant II)

Rys. 9.7. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji tamami (wariant III)

Nadmienić należy, że podane zabiegi, w przypadku stosowania metody simpleks z regulacją rozpływu powietrza tamami, nie zapewniły eliminacji wszystkich tam z  pierwszych dwóch pasów, licząc od calizny.

Optymalizacja rozpływu powietrza za pomocą wentylatorów pomocniczych wymaga zainstalowania dla tego przykładu 8 wentylatorów, przy czym aż 6 na dwóch pierwszych pasach licząc od calizny (wariant I, rys. 9.8). Aby zmniejszyć liczbę wentylatorów na tych pasach, ograniczono liczbę bocznic, w których możliwa jest instalacja regulatorów. W rezultacie zmniejszono liczbę wentylatorów do dwóch (wariant II, rys. 9.9). Dla zmniejszenia ogólnej liczby wentylatorów potrzebnych do optymalizacji żądanego rozpływu powietrza przyjęto założenie, że nie będzie się instalować wentylatorów, dla których wyznaczone spiętrzenie jest mniejsze od 0,35 Pa. Przyjęcie tego założenia pozwoliło zmniejszyć liczbę potrzebnych wentylatorów do sześciu, przy czym zmniejszenie ilości powietrza na pasach wyniosło wówczas maksymalnie 20% i było mniejsze od założonego (25%) (rys. 9.10).

Rys. 9.8. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji wentylatorami (wariant I)

Rys. 9.9. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji wentylatorami (wariant II)

Rys. 9.10. Rozmieszczenie regulatorów dla metody simpleks podczas regulacji wentylatorami (wariant III)

Drugi przykład przedstawia natomiast front oddziału G-54 (rys. 9.11) z kopalni Polkowice-Sieroszowice obejmujący 3-5 pasów i 18 komór. Utworzony dla tego przykładu model sieci wentylacyjnej obejmuje 137 bocznic i 78 węzłów. Wynika z tego, że liczba wewnętrznych oczek niezależnych w tej sieci jest równa 59. Opory bocznic tej sieci, stanowiących odcinki pasów leżące między dwoma komorami, przyjęto równe R_fp = 0,000581 kg/m⁷, natomiast opory komór (między dwoma pasami) wynoszą R_{fk `}= 0,000306 kg/m⁷.

Żądany rozpływ powietrza w bocznicach tej sieci wyznaczono na podstawie wzorów podanych w rozdziale --> 3[Author:FR] . Do sieci tej wpływa 78 m³/s powietrza, przy czym prędkości powietrza na pasach wynoszą od 0,51 do 3,71 m/s, natomiast w komorach założono, że minimalna prędkość powietrza będzie wynosić 0,15 m/s.

Dla sieci tej optymalizację rozmieszczenia regulatorów wykonano, analogicznie do poprzedniego przykładu, metodą mnożników Lagrange'a i metodą simpleks. Wyniki obliczeń dla obu metod zesta­wio­no w tablicy 9.2.

Stosując metodę mnożników Lagrange'a, otrzymano rozmieszczenie regulatorów przedstawione w tablicy 9.2 jako wariant I (rys. 9.11). W wariancie tym nie stosowano żadnych ograniczeń ruchowych co do liczby i rozmieszczenia regulatorów. W związku z tym uzyskanie żądanego rozpływu powietrza w tej sieci wymagałoby zabudowy 70 tam i zainstalowania 65 wentylatorów. Dyssypacja energii na tamach powinna wynosić od 0,001 do 0,324 J/m³ (średnio 0,095 J/m³), natomiast spiętrzenia wentylatorów zawierać się powinny między 0,001 a 0,647 Pa (średnio 0,115 Pa). Widzimy więc, że do regulacji rozpływu powietrza w tym oddziale komorowo-filarowym konieczne byłoby zastosowanie dużej liczby regulatorów o bardzo małych parametrach. Ze względów ruchowych jest to niemożliwe, tym bardziej że w pierwszych dwóch pasach, licząc od calizny, konieczna byłaby zabudowa tam, co uniemożliwiłoby przejazd maszyn przez front oddziału. Dlatego też, mimo że wariant ten jest najkorzystniejszy pod względem energetycznym, ograniczono liczbę bocznic, w których mogą być zainstalowane regulatory rozpływu powietrza. Wybór tych miejsc podporządkowano potrzebom ruchowym, przede wszystkim w zakresie przejazdu maszyn samojezdnych przez front oddziału.

W wyniku tych zabiegów uzyskano rozmieszczenie regulatorów przedstawione w tabeli 9.2 jako wariant II dla metody mnożników Lagrange'a (rys. 9.12). W wariancie tym z zachowaniem przejezdności pierwszych dwóch pasów, licząc od calizny, ograniczono znacznie liczbę wentylatorów pomocniczych z 65 do 18, natomiast tamy regulacyjne z 70 do 58. Dyssypacja energii na tamach powinna w tym wariancie wynosić od 0,004 do 0,812 J/m³ (średnio 0,287 J/m³), natomiast spiętrzenia wentylatorów zawierać się powinny między 0,059 a 4,306 Pa (średnio 1,138 Pa). Widzimy więc, że w stosunku do wariantu I wzrosła średnio wartość dyssypacji energii użytecznej w tamach i spiętrzenia wentylatorów pomocniczych. W dalszym ciągu jednak do regulacji rozpływu powietrza na froncie tego oddziału konieczna jest duża liczba regulatorów o małych parametrach. W związku z tym wyeliminowano regulatory charakteryzujące się dyssypacją energii lub spiętrzeniem poniżej 0,15 Pa. Rozmieszczenie regulatorów dla tego wariantu (tabela 9.2 - wariant III dla metody mnożników Lagrange'a) przedstawiono na rys. 9.13. Analiza rozpływu powietrza po wyeliminowaniu części regulatorów wykazuje, że zmniejszenie wydatku powietrza na pasach istotnych ze względu na prowadzone roboty górnicze nie przekroczyło założonych 25 %. Zmniejszyła się za to liczba potrzebnych regulatorów. Liczba zabudowanych tam powinna wynosić 32, natomiast liczba wentylatorów 11. Dyssypacja energii użytecznej w tamach powinna więc wynosić od 0,153 do 0,812 J/m³ (średnio 0,459 J/m³), natomiast spiętrzenia wentylatorów zawierać się powinny między 0,162 a 4,306 Pa (średnio 1,797 Pa).

Dalsze ograniczanie liczby regulatorów na froncie tego oddziału spowoduje, że rozpływ powietrza będzie różnił się znacznie od rozpływu żądanego, a tym samym nie będą zapewnione, w niektórych bocznicach tej sieci, właściwe warunki klimatyczne.

Zastosowanie do regulacji rozpływu powietrza na froncie oddziału G-54 metody simpleks wymaga zainstalowania w tej sieci liczby regulatorów równej liczbie oczek wewnętrznych, co w tym przypadku wymaga zabudowy 58 tam lub wentylatorów. Podczas regulacji tamami dławiącymi rozmieszczenie i parametry regulatorów przedstawiono w tabeli 9.2 jako wariant I dla metody simpleks (rys. 9.14). Dyssypacje energii użytecznej w tamach wynoszą od 0,006 do 1,121 J/m³ (średnio 0,437 J/m³).

W pierwszych dwóch pasach, licząc od calizny, konieczne jest w tym wariancie zabudowanie 12 tam (rys. 9.14), co utrudni przejazd po nich maszyn samojezdnych. Dla zmniejszenia liczby tam na tych pasach wykonano ponowną regulację (wariant II w tabeli 9.2 (rys. 9.15)) mającą na celu wyeliminowanie jak największej liczby tam z tych pasów.

W wariancie tym, spełniającym częściowo warunki ruchowe, liczba tam na tych pasach uległa zmniejszeniu do 7, a dyssypacje energii użytecznej w tamach dla tego wariantu wynoszą od 0,006 do 4,306 J/m³ (średnio 0,566 J/m³).

Widzimy więc, że w wariancie tym dyssypacje energii użytecznej w tamach, w stosunku do wariantu I (rys. 9.14) wzrosły, lecz w dalszym ciągu wiele z nich charakteryzuje się znikomymi wartościami dyssypacji energii.

W związku z tym wyeliminowano tamy, w których dyssypacja energii będzie mniejsza od 0,25 J/m³.

W wyniku tego uzyskano rozmieszczenie tam przedstawione na rys. 9.16 (wariant III w tabeli 9.2). Do regulacji rozpływu powietrza na froncie tego oddziału należy zastosować 32 tamy, w których dyssypacja energii użytecznej wynosi od 0,276 do 4,306 J/m³ (średnio 1,231 J/m³). Eliminacja części tam regulacyjnych nie spowodowała jednak zmniejszenia wydatków powietrza na pasach leżących najbliżej calizny powyżej założonego progu, tj. 25%. Mimo tych działań nie udało się wyeliminować wszystkich tam z tych pasów. Dalsza eliminacja tam regulacyjnych prowadzi do coraz większych różnic między rozpływem żądanym a rzeczywistym.

Regulacja rozpływu powietrza na froncie oddziału G-54 metodą simpleks za pomocą wentylatorów wymaga instalacji na froncie 44 wentylatorów (wariant I w tabeli 9.2 (rys. 9.17)). Spiętrzenia tych wentylatorów wynoszą od 0,023 do 3,229 Pa (średnio 0,899 Pa). Na dwóch pasach, leżących najbliżej calizny, w wariancie tym pracuje 14 wentylatorów. W celu wyeliminowania z pierwszych dwóch pasów części wentylatorów, co może być korzystne z uwagi na warunki ruchowe, wykonano regulację przedstawioną jako wariant II (tabela 9.2 (rys. 9.18)). W wariancie tym dyssypacje energii użytecznej w tamach wynoszą od 0,023 do 3,348 Pa (średnio 0,952 Pa). Zmniejszeniu w wyniku tych działań uległa liczba wentylatorów z 14 na 9. Ogólna liczba wentylatorów na froncie pozostała jednak taka sama jak w wariancie I, czyli wynosi 44.

Dla zmniejszenia liczby koniecznych do zainstalowania na froncie oddziału wentylatorów ustalono próg spiętrzeń eliminowanych wentylatorów, równy 0,15 Pa, przy którym żądany rozpływ powietrza nie różni się od rzeczywistego więcej niż założone wcześniej 25 %.

W wyniku tego uzyskano rozmieszczenie wentylatorów przedstawione na rys. 9.19 (wariant III w tabeli 9.2).

Spiętrzenia tych wentylatorów wynosiłyby wówczas od 0,154 do 3,229 Pa (średnio 1,143 Pa). W wyniku tych ograniczeń udało się zmniejszyć liczbę wentylatorów do 34 (rys. 66), lecz w dalszym ciągu jest ona zbyt duża, by analizowany sposób regulacji mógł być praktycznie wykorzystywany.

Podsumowując analizę możliwości regulacyjnych rozpływu powietrza na froncie oddziału G-54 należy stwierdzić, że w obu metodach optymalizacji rozpływu powietrza konieczne jest zabudowanie dużej liczby regulatorów, najczęściej o małych parametrach, tzn. o dyssypacjach energii użytecznej w tamach lub spiętrzeniach wentylatorów dużo mniejszych od 1 Pa. Nadmienić należy, że obecnie brak jest typoszeregu wentylatorów, które mogłyby być wykorzystywane do tego rodzaju regulacji.

Ze względu na zastosowane metody optymalizacji liczba regulatorów nie może być mniejsza niż liczba oczek wewnętrznych. Aby więc ograniczyć liczbę regulatorów na froncie, należy ograniczyć liczbę węzłów i bocznic przez zmniejszenie liczby pasów i komór. Można to uzyskać np. przez okresowe izolowanie od reszty frontu tych komór i pasów, w których aktualnie nie prowadzi się robót górniczych. Inną możliwością zmniejszenia liczby potrzebnych regulatorów jest doprowadzanie do frontu eksploatacyjnego większej ilości powietrza niż żądane. Pozwoli to na wyeliminowanie części regulatorów przy zapewnieniu jednak co najmniej żądanego rozpływu powietrza we wszystkich bocznicach. Im większą nadwyżką powietrza dopływającego do frontu będziemy dysponować, tym mniejsza będzie liczba potrzebnych regulatorów.

Wstawić odpowiedni numer rozdziału

---