Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Кобылкин Александр Сергеевич
обоснование параметров систем вентиляции горных выработок при их проходке с использованием пульсирующего режима проветривания
Специальность 05.26.03 Ц Пожарная и промышленная
безопасность (в горной промышленности)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет на кафедре Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона
Научный руководитель | доктор экономических наук, профессор Умнов Виталий Анатольевич |
Официальные оппоненты
Колесниченко Игорь Евгеньевич - доктор технических наук, профессор, заместитель директора Шахтинского института (филиала) по образовательной деятельности;
Костеренко Виктор Николаевич - кандидат физико-математических наук, начальник Управления вентиляции, дегазации и противоаварийной устойчивости предприятий ОАО СУЭК
Ведущая организация ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет (ТуГУ, г. Тула)
Защита диссертации состоится 11 декабря 2012 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д-212.128.06 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский пр., 6.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.
Автореферат разослан 11.2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук | КОРОЛЕВА Валентина Николаевна |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Освоение подземного пространства является одним из главных направлений развития мегаполисов, ежегодно возрастают объемы горнопроходческих работ по всей стране (метрополитен, транспортные тоннели, коллекторы). По данным Ростехнадзора, количество строящихся подземных объектов транспортного и специального назначения в период с 2005 по 2011 годы существенно возросло. До 2020 года только в Москве планируется построить дополнительно 120 км метро.
Горнопроходческие работы характеризуются интенсификацией производственных процессов, сопровождающейся ростом газо- и пылевыделения. Загрязнение атмосферы проводимых горных выработок пылью и вредными газами, концентрации которых превышают ПДК, создает опасность для жизни и здоровья рабочих.
При ведении горнопроходческих работ возникает необходимость проветривания системы выработок, представляющей собой сквозную горную выработку и примыкающие к ней тупиковые (одну или более). Применение традиционных схем вентиляции выработок при их проходке не всегда обеспечивает эффективный вынос вредных веществ. Местная вентиляция имеет ряд существенных недостатков, таких как: затраты средств и времени на установку и обслуживание вентиляторов местного проветривания, удлинение трубопровода с увеличением длины выработки и др. Одним из перспективных способов проветривания примыкающих тупиковых горных выработок является пульсирующая вентиляция (ПВ). Однако использование импульсов давления для проветривания примыкающих тупиковых горных выработок изучено недостаточно, нет методик определения параметров ПВ, поэтому определение параметров систем вентиляции горных выработок при их проходке с использованием пульсирующего режима проветривания для обеспечения безопасности по газовому фактору является актуальной задачей.
Цель работы - обоснование параметров систем вентиляции тупиковых горных выработок при их проходке на основе использования установленных закономерностей аэродинамики пульсирующего потока для обеспечения аэрогазовой безопасности.
Основная идея работы заключается в использовании пульсирующей вентиляции, в соответствии с установленными зависимостями средней по сечению потока и осредненной по времени скорости движения воздуха от параметров ПВ, для эффективного проветривания примыкающих тупиковых горных выработках без дополнительных источников тяги, за счет интенсификации турбулентности потока.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
- Эффективность вентиляции примыкающих тупиковых горных выработок по газовому фактору с использованием пульсирующего режима проветривания определяется значением критерия безопасности - средней по сечению потока и осредненной по времени скоростью движения воздуха (далее средняя скорость).
- Рациональный режим пульсирующей вентиляции примыкающих тупиковых горных выработок определяется с учетом установленных зависимостей средней скорости движения воздуха в горных выработках от величины избыточного давления, от расстояния между генератором импульсов давления и местом сопряжения выработок, от длины примыкающей тупиковой горной выработки, от частоты импульсов давления, а также от угла поворота генератора импульсов давления (ГИД).
- Максимальная эффективность проветривания примыкающей тупиковой горной выработки обеспечивается при размещении ГИД в сквозной выработке у ее борта со стороны примыкания тупиковой выработки, что позволяет повысить безопасность ведения горнопроходческих работ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются достаточным объемом и представительностью статистической выборки, удовлетворительной сходимостью результатов моделирования с лабораторными исследованиями (погрешность не превышает 15 %) и их соответствием общепризнанным теоретическим представлениям.
Научное значение работы заключается в разработке математической модели, описывающей нестационарные процессы массопереноса в примыкающих тупиковых выработках при использовании генератора импульсов давления, позволяющей определять рациональные параметры их проветривания, обеспечивающие безопасность при ведении горнопроходческих работ.
Практическая ценность работы состоит в разработке алгоритма и рекомендаций для выбора параметров систем вентиляции, реализующих проветривание примыкающих тупиковых горных выработок при использовании ГИД.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Рекомендации по выбору параметров систем вентиляции для проветривания примыкающих тупиковых горных выработок приняты к использованию Тоннельной ассоциацией России при проектировании и строительстве Калининской линии Московского метрополитена от станции Новогиреево до станции Новокосино.
Выводы и рекомендации диссертационной работы используются компанией Atlas Copco для оптимизации внедрения вентиляционного оборудования при проектировании вентиляции подземных сооружений. Математическое моделирование нестационарных процессов массопереноса в горных выработках позволяет упростить пусконаладочные работы, подобрать оптимальное вентиляционное оборудование и обеспечить наиболее эффективное проветривание, тем самым обеспечить безопасность горнорабочего
Апробация работы.
Основное содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на научных симпозиумах Неделя горняка (Москва, МГГУ, 2010 - 2012 гг.); на научных семинарах кафедры Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона (МГГУ 2010 - 2012 гг.), ФГБУН ИПКОН РАН (2010 - 2012 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 8 научных статьях (в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения; содержит 16 таблиц, 43 рисунка, список литературы из 108 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В настоящее время одним из приоритетных направлений развития городов является строительство подземных объектов, особенно транспортных коммуникаций мегаполисов. Рост количества строящихся подземных объектов приводит к увеличению опасности возникновения аварийных ситуаций. Широко распространенный подземный способ проходки горных выработок при строительстве тоннелей, коллекторов и других объектов характеризуется такими авариями, как: пожары и возгорания (60%), затопления горных выработок водой, плывунами, другими текучими массами (20%), загазирование выработок (10%), внезапные обрушения вмещающих пород (10%).
Загазирование атмосферы горных выработок - это превышение ПДК вредных веществ, выделяющихся при технологических процессах, из пород и с поверхности с поступающей струей воздуха.
Основным способом борьбы с загазированием горных выработок является вентиляция. Вопросы вентиляции горных выработок и подземных сооружений рассмотрены в работах таких ученых, как: Скочинский А.А, Айруни А.Т., Бурчаков А.С., Власов С.Н., Воронина Л.Д., Дремов В.И., Забурдяев В.С., Каледина Н.О., Клебанов Ф.С., Колесниченко И.Е., Косарев В.Д., Костеренко В.Н., Ксенофонтова А.И., Кудряшов В.В., Лайгна К.Ю., Лидин Г.Д., Маковский Л.В., Малашкина В.А., Матвиенко Н.Г., Меркин В.Е., Пучков Л.А., Ушаков. К.З., Филин А.Э., Ходот В.В и др. Эти ученые внесли значительный вклад в развитие аэрологии подземных сооружений.
Наиболее сложными для проветривания выработками являются примыкающие тупиковые горные выработки. При проходке станций метрополитена и сети перегонных тоннелей возле станций образуется система горных выработок, включающая сквозную горную выработку и примыкающие к ней тупиковые горные выработки длиной от 1м и более (сбойки, ниши для размещения оборудования, тяговых подстанций и др.). Проветривание примыкающих тупиковых выработок общей вентиляцией за счет турбулентной диффузии по правилам безопасности осуществляется на длину не более 10м. При большей длине тупиков необходимо применять дополнительные устройства. Широкое распространение получили способы проветривания с использованием вентиляторов местного проветривания (ВМП), но их применение связано с определенными неудобствами и ограничениями (табл. 1). Для более эффективного проветривания примыкающих тупиковых горных выработок длиной до 20м без дополнительных устройств предлагается использование пульсирующей вентиляции.
Для обоснования параметров системы проветривания в данной работе сформулированы и решены следующие задачи:
- описание механизма массопереноса при пульсирующем проветривании;
- разработка модели газопереноса в системе вентиляции тупиковых горных выработок с использованием генератора импульсов давления (ГИД);
- проведение лабораторных исследований и верификация математического моделирования (сравнение результатов математической модели и лабораторных исследований);
- обоснование рациональных параметров систем вентиляции при использовании ГИД, обеспечивающих снижение аэрогазовой опасности в тупиковых горных выработках;
Таблица 1
Основные способы снижения концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны в горных выработках
Способы снижения концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны горных выработок | Недостатки | Достоинства |
Общая вентиляция | Проветривание тупиковых выработок недостаточно эффективно и резко ухудшается с увеличением их длины | Не требует дополнительных затрат, так как является обязательной |
Местная вентиляция | Монтаж занимает большой промежуток времени, что увеличивает общее время ведения работ. Дополнительные энергозатраты. Возможно взметывание осевшей пыли вентиляционной струей | Эффективно разбавляет вредные вещества в воздухе |
Орошение | Применяется при борьбе с пылью, использование является небезопасным при сварке | Эффективно в борьбе с пылью |
Пульсирующая вентиляция | Возможно приведение пыли во взвешенное состояние | Эффективно разбавляет вредные вещества в воздухе |
Сущность способа проветривания примыкающих тупиковых горных выработок (рис. 1) за счет турбулентной диффузии заключается в следующем: импульс давления дополнительно турбулизирует поток воздуха, что приводит к интенсификации процесса конвективно-диффузионного массопереноса.
Рис. 1. Проветривание примыкающей тупиковой горной выработки с применением генератора импульсов давления (ГИД)
Импульс давления увеличивает среднюю скорость движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке, на рис. 2 показана динамика изменения скорости движения частицы воздуха. На 5-й секунде включается ГИД и выдает два импульса избыточного давления, при этом скорость движения воздуха увеличивается в несколько раз, как по основному направлению движения потока воздуха, так и поперек его.
Рис. 2. Динамика изменения скорости движения воздуха
Для проведения математического моделирования была выбрана система нелинейных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, численное решение которой выполнено методом конечных объемов. Расчеты сводятся к решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики c учетом вязкости в постановке Навье-Стокса. Кроме того, должны удовлетворяться уравнения неразрывности (сохранения массы) и состояния.
Анализ факторов, определяющих эффективность пульсирующей вентиляции тупиковых горных выработок, показал следующее: критерием оценки уровня безопасности атмосферы тупиковой горной выработки необходимо выбрать среднюю по сечению потока и осредненную по времени скорость движения воздуха в примыкающей тупиковой выработке - ср, так как коэффициент турбулентной диффузии, определяющий разбавление и вынос вредных веществ, пропорционален средней скорости движения потока. Параметрами пульсирующей вентиляции, влияющими на проветривание примыкающих тупиковых выработок, приняты: избыточное давление, создаваемое пульсатором р Па; расстояние от генератора импульсов давления до примыкающей тупиковой выработки Lс м; длина примыкающей тупиковой выработки Lт м; расстояние от генератора импульсов давления до борта сквозной выработки, непосредственно примыкающей к тупиковой Lсеч; частота импульсов давления Гц; угол поворота ГИД.
Для задания импульсов давления, создаваемых ГИД с необходимой частотой, была применена функция:
р(sin(t)), (1)
где р - избыточное давление, Па; - частота импульсов давления; t - время, с.
На основе анализа существующих моделей турбулентности была выбрана модель SST (shear stress transport, перенос сдвиговых напряжений). Модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной к- модели в пристеночных областях и эффективность k- модели на удалении от стенок.
Для верификации математической модели была разработана лабораторная установка, представляющая собой физическую модель системы горных выработок. При создании лабораторной модели соблюдались геометрическое и кинематическое подобие. Кинематическим критерием подобия принята средняя скорость движения воздуха (по Ушакову К.З.).
Результаты математического моделирования и лабораторного эксперимента достаточно близки (табл. 2), что говорит об удовлетворительной сходимости результатов (погрешность не превышает 15 %).
Таблица 2
Результаты измерения скорости движения воздуха при математическом моделирования и в лабораторном эксперименте
Точки замеров | Математическое моделирование | абораторный эксперимент | ||
Скорость движения воздуха, м/с | ||||
Без ГИД | При работе ГИД | Без ГИД | При работе ГИД | |
Точка 1 | 0,337 | 0,261 | 0,34 | 0,26 |
Точка 2 | 0,333 | 0,241 | 0,33 | 0,24 |
Точка 3 | 0,332 | 0,265 | 0,33 | 0,27 |
Точка 4 | 0,314 | 0,239 | 0,32 | 0,24 |
Точка 5 | 0,248 | 0,222 | 0,25 | 0,22 |
Точка 6 | 0,183 | 0,063 | 0,18 | 0,06 |
Точка 7 | 0,01 | 0,005 | 0,01 | 0,01 |
Точка 8 | 0,012 | 0,016 | 0,01 | 0,02 |
Точка 9 | 0,014 | 0,031 | 0,01 | 0,03 |
При математическом моделировании вентиляционных процессов участка системы горных выработок, состоящей из сквозной выработки и примыкающей к ней тупиковой горной выработки, были получены следующие результаты:
- поток воздуха без использования ГИД осуществляет проветривание тупиковой выработки в недостаточной мере и на незначительную длину тупиковой выработки 0,51 м (рис. 3 а);
- при использовании ГИД наблюдается эффективное проветривание по всей длине тупиковой выработки (рис. 3 б).
а)
б)
Рис. 3. Линии тока воздуха в системе выработок: а) без использования ГИД,
б) с использованием ГИД
Для установления зависимости средней скорости движения воздуха от принимаемых во внимание факторов (величины избыточного давления, частоты, расстояния от генератора до примыкающей выработки, от длины примыкающей выработки) была спроектирована система горных выработок: сквозная и две примыкающие к ней на расстоянии 10,5 м и 32,5 м от ГИД. Длина сквозной составляет 80 м, сечение выработок 6 м2. ГИД находится в центре выработки на расстоянии 0,5 м над почвой.
Результаты исследования зависимости средней скорости движения воздуха от величины избыточного давления, создаваемого генератором импульсов давления представлены на рис. 4, 5.
В сквозной выработке при увеличении избыточного давления возрастает средняя скорость движения воздуха (рис. 4), зависимость имеет вид:
ср - скв = 0,1424р 0,5211. . (2)
Из графика на рис. 5 видно, что при увеличении величины избыточного давления увеличивается средняя скорость движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке. Зависимость имеет вид:
ср = 0,0281р0,3411 . (3)
Рис. 4. Динамика изменения средней скорости движения воздуха в зависимости от величины избыточного давления в сквозной выработке
Рис. 5. Динамика изменения средней скорости движения воздуха в зависимости от величины избыточного давления в примыкающей тупиковой горной выработке
Динамика изменения средней скорости движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке в зависимости от расстояния до ГИД в сквозной выработке представлена на рис. 6.
С увеличением расстояния до ГИД средняя скорость в сквозной выработке изменяется по зависимости, которая имеет вид:
ср = 18,525Lc-0,75 . (4)
Зависимость скорости движения воздуха от длины тупиковой выработки представлена на рис. 7.
С увеличением расстояния от места пересечения тупиковой и сквозной выработок до конца тупиковой выработки средняя скорость в тупиковой выработке изменяется в соответствии с зависимостью, которая имеет вид:
ср = 4,3377e-0,256Lm . (5)
Рис. 6. Зависимость средней скорости движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке от расстояния до генератора импульсов давления (в сквозной выработке)
Рис. 7. Зависимость средней скорости движения воздуха от расстояния от места пересечения тупиковой и сквозной выработок до конца тупиковой выработки
Была исследована динамика изменения средней скорости движения воздуха в зависимости от частоты импульсов давления 0,5 - 10 Гц, и сделан вывод о том, что средняя скорость движения воздуха в сквозной выработке больше на 30% при частоте импульсов давления 8 Гц.
Зависимость средней скорости движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке от расположения ГИД по сечению выработки (рис. 8) имеет вид:
ср = 0,0432Lсеч 2 - 0,2309Lсеч + 0,5106 . (6)
Изменение угла поворота ГИД, установленного в сквозной выработке, влияет на среднюю скорость движения воздуха в примыкающей тупиковой выработке. При повороте выходного отверстия ГИД к примыкающей выработке на угол 60o средняя скорость движения воздуха в ней максимальна.
Рис. 8. Зависимость средней скорости движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке от расположения ГИД по сечению выработки
На основе полученных результатов был разработан алгоритм выбора рациональных параметров пульсирующего режима вентиляции для проветривания примыкающих тупиковых горных выработок (рис. 9).
Для оценки экономической целесообразности применения режима пульсирующей вентиляции был произведен расчет затрат на вентиляцию с использованием ВМП и с использованием ГИД, по результатам которого при использовании ГИД затраты на вентиляцию снижаются более чем в 2 раза, по сравнению с проветриванием за счет ВМП.
Рис. 9. Алгоритм выбора параметров систем вентиляции для проветривания примыкающих тупиковых горных выработок
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной при проходке горных выработок задачи - повышение эффективности проветривания тупиковых выработок при их проходке, на основе определения рациональных параметров систем вентиляции с использованием ГИД, обеспечивающих безопасность по газовому фактору.
Основные научные и практические результаты, полученные лично автором в процессе исследования:
- Анализ результатов научных исследований и применяемых способов снижения концентрации вредных веществ в атмосфере горных выработок при их проходке показал, что наиболее эффективным способом является пульсирующая вентиляция.
- На основе изучения механизма массопереноса установлен перечень параметров пульсирующей вентиляции, от которых зависит эффективность проветривания примыкающих тупиковых горных выработок, а также критерий безопасности - средняя скорость движения воздуха по сечению потока и осредненная по времени в примыкающих тупиковых выработках.
- Обосновано, что изменяющиеся во времени процессы массопереноса в примыкающих тупиковых выработках при пульсирующем проветривании достоверно описываются математической моделью, основанной на нелинейных уравнениях Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, законах сохранения массы и энергии, моделью турбулентности - перенос сдвиговых напряжений, синусоидальной функцией для выражения импульсов давления.
- Для верификации математической модели разработана физическая модель системы горных выработок, в которой соблюдались геометрическое и кинематическое критерии подобия. Кинематическим критерием подобия выбрана средняя скорость движения воздуха (по Ушакову К.З.).
- На основе выполненных исследований установлены следующие зависимости средней скорости движения воздуха от параметров систем вентиляции, при использовании ГИД, для проветривания горных выработок (сквозная и примыкающие тупиковые горные выработки):
- с увеличением избыточного давления, создаваемого генератором импульсов давления, возрастает средняя скорость движения воздуха в примыкающих тупиковых горных выработках;
- место установки ГИД существенно влияет на эффективность проветривания, с увеличением расстояния между ГИД и местом сопряжения выработок, а также с увеличением длины тупика средняя скорость движения воздуха снижается;
- наиболее эффективное проветривание осуществляется при частоте 8 Гц;
- при угле поворота ГИД на 60о к месту сопряжения выработок средняя скорость в примыкающей тупиковой горной выработке существенно возрастает;
- с удалением ГИД от стенки сквозной выработки, непосредственно примыкающей к тупиковой, эффективность проветривания последней существенно снижается.
- Достоверность полученных корреляционных зависимостей подтверждается высокими значениями коэффициентов парной корреляции (R2 0,84-0,99), а также сходимостью результатов, полученных в лабораторных экспериментах, с математическим моделированием.
- Разработаны алгоритм и рекомендации по выбору параметров систем вентиляции при использовании ГИД для проветривания горных выработок (сквозная и примыкающие тупиковые горные выработки), обеспечивающих газовую безопасность.
- На основе проведенного сравнительного анализа затрат на вентиляцию с использованием ВМП и с использованием ГИД установлено что применение ГИД снижает затраты более чем в 2 раза.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Кобылкин А.С. Новый способ проветривания тупиковых горных выработок/ Горная техника. - 2012. - выпуск №1. - С. 32-35.
- Кобылкин А.С., Кобылкин С.С. Зависимость скорости движения воздуха в примыкающей тупиковой горной выработке от расположения ГИД по сечению сквозной выработки /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ. - 2012. - №12. - С. 225-230.
- Кобылкин А.С., Умнов В.А. Анализ технологических операций при строительстве метрополитена с точки зрения обеспечения газопылевой безопасности/ Горный информационно-аналитический бюллетень. ЦМ.: МГГУ. - 2011. - Отдельный выпуск №7 Аэрология, Метан, Безопасность. - С. 50-64.
- Кобылкин А.С., Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Моделирование пульсирующего проветривания горных выработок/ Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2011. - Отдельный выпуск №7 Аэрология, Метан, Безопасность. - С. 449-453.
- Кобылкин А.С., Филин А.Э. Анализ состояния безопасности сварочных работ при строительстве тоннелей/ Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2010.
- Кобылкин А.С. Анализ состояния воздуха рабочей зоны тоннелей метрополитена при ведении технологических работ/ Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2009. - Отдельный выпуск №13 Аэрология. - С.65-69.
- Кобылкин А.С., Кобылкин С.С. К вопросу о достоверности получаемых данных с приборов и систем аэрогазового и пылевого контроля рудничной атмосферы/ М.: УРАН ИПКОН РАН - Сборник материалов №6 Международной научной школы молодых ученых и специалистов. - 2009.
- Кобылкин А.С., Филин А.Э., Слюнин М.А. Автоматизированная информационно-аналитическая система мониторинга состояния охраны труда и промышленной безопасности в организациях/ Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2008. - Отдельный выпуск №6 Безопасность. - С.177-180.
Подписано в печать 29.10.2012 Формат 60х90/16
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №
ОИУП ФГБОУ ВПО Московского государственного горного университет
Москва, Ленинский проспект, д. 6
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям