Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Шалимов Андрей Владимирович
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ, ПРОФИЛАКТИКИ И БОРЬБЫ С АВАРИЙНЫМИ НАРУШЕНИЯМИ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКОВ
Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Пермь - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки (ФГБУН) Горный институт Уральского отделения Российской академии наук
Научный консультант: доктор технических наук Казаков Борис Петрович
Официальные оппоненты: Алыменко Николай Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБУН Горный институт УрО РАН, главный научный сотрудник лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики Гендлер Семён Григорьевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Национальный минерально- сырьевой университет Горный, профессор кафедры безопасности производств Курилко Александр Сардокович доктор технических наук, ФГБУН Институт горного дела Севера СО РАН, зам. директора Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет
Защита состоится л16 ноября 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул.Сибирская, 78-а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.
Автореферат разослан л___ ____________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.-м.н., доцент Б.А.Бачурин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Практически все работающие сегодня шахты и рудники построены в годы советского периода и рассчитаны на технические нормативы того времени. В 80-е годы прошлого века, например, выдающимся результатом считалась добыча 1000 тонн угля в сутки или 500 тысяч тонн в год. Сегодня новая техника позволяет добывать до 3-5 млн. тонн угля в год, при этом нагрузки на шахты многократно возросли и превышают допустимые нормативы.
Аналогичная ситуация имеет место не только в угольной промышленности, но и, практически, на всех горнодобывающих предприятиях. Многократно увеличившиеся в размерах выработанные подземные пространства являются источником повышенной опасности для работающих в них людей в случае возникновения нештатных ситуаций, в частности связанных с нарушением проветривания горных выработок. В целях обеспечения безопасности горных работ добыча полезных ископаемых в современных условиях сопровождается разработкой и внедрением новых технологических схем вентиляции с использованием дополнительных источников тяги и элементов регулирования воздухораспределения. В связи с участившимися в последнее время авариями, связанными с гибелью шахтёров, особое значение приобретают исследования направленные на разработку систем контроля за состоянием и управлением движения воздуха с целью не допущения скоплений в нём взрывоопасных и вредных газов. Исследования процессов движения воздуха, переноса тепла, дыма и газов непосредственно во время аварий также необходимы, поскольку позволяют делать выводы относительно наиболее безопасных путей выхода людей на поверхность и способов скорейшей ликвидации аварий и их последствий.
Решение научных проблем контроля, прогнозирования и управления микроклиматическими параметрами рудничной атмосферы в нашей стране связаны с именами Щербаня А.Н., Кремнёва О.А., Дядькина Ю.Д., Воропаева А.Ф., Ушакова К.З., Медведева И.И., Красноштейна А.Е. и других учёных, которые разработали общие основы рудничной аэрологии и теплофизики, являющиеся инструментом обеспечения безопасных условий ведения горных работ.
Актуальность работы определяется необходимостью создания, уточнения и совершенствования методов прогнозирования изменений воздухораспределения и параметров рудничного воздуха во время аварий.
Исследования аэро- и теплогазодинамических процессов, протекающих в аварийных режимах проветривания, в частности во время пожаров, являются основой для разработки комплекса мероприятий, направленных как на предотвращение возникновения аварий, так и на управление аварийным проветриванием в реальном времени.
Целью работы является разработка и совершенствование теоретических основ прогнозирования, контроля и управления движением воздушных потоков, распространением тепла, газа и дыма по горным выработкам на базе комплексного математического моделирования нестационарных аэротеплогазодинамических процессов, которые позволят осуществлять детальное планирование мероприятий по профилактике и борьбе с рудничными авариями.
Основная идея диссертационной работы заключается в том, что создание и поддержание нормальных условий проветривания горных выработок, а также принятие решений относительно путей вывода людей на поверхность или возможных мер по обеспечению безопасности в местах их нахождения во время аварий, должно основываться на адекватных математических моделях аэрологических и теплофизических процессов, протекающих в вентиляционных сетях рудников и определяющих состояние рудничной атмосферы.
Задачи исследований:
разработать методы расчёта воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях применительно к моделированию нестационарных аварийных процессов с учётом инерционных свойств воздушных потоков и механической сжимаемости воздуха в отработанных пространствах рудников;
провести аналитические исследования процессов распространения газов и пыли в условиях нестационарного проветривания с рециркуляцией части рудничного воздуха и экстраполировать полученные результаты на численные модели рудничных пожаров;
разработать теорию сопряжённого нестационарного теплообмена вентиляционного воздуха с породным массивом, пригодную для расчёта быстрых теплообменных процессов с большим перепадом температур и моделирования динамики тепловых депрессий во время пожаров с количественной оценкой их влияния на движение воздуха по выработкам;
исследовать надёжность вентиляционных сетей на основе анализа устойчивости воздушных потоков в рудниках в аварийных режимах проветривания при остановке главных вентиляционных установок и их реверсировании;
исследовать специфику движения воздуха через рудник в зависимости от величины его эквивалентного отверстия и сечений выработок, и на основании полученных результатов разработать методику решения сетевых задач с учётом падения депрессии на сопряжениях горных выработок;
создать программное обеспечение, позволяющее производить численный расчёт прогнозных значений параметров вентиляционного воздуха в горных выработках до-, во время и после предполагаемых аварий;
разработать методы прогнозирования процессов развития аварийных ситуаций на основе комплексного компьютерного моделирования аэротеплогазодинамических процессов с целью создания методических основ для разработки планов ликвидации аварий, а также профилактики и борьбы с последствиями аварий.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Моделирование рудничных пожаров, характеризующихся большим перепадом температур на границе воздуха и породного массива и быстрыми теплообменными процессами, осуществляется в сопряжённой постановке с помощью преобразований Лапласа в приближении малых времён с использованием асимптотических разложений цилиндрических функций в области больших аргументов.
2. Интенсивность и устойчивость проветривания рудников за счёт естественной тяги при аварийном отключения главной вентиляционной установки зависит от времени года, конфигурации рудничной вентиляционной сети, количества стволов и вентиляционных горизонтов, а также начальных условий проветривания и моделируется решением единой сетевой аэротеплогазодинамической задачи с использованием экспериментальных данных и теории устойчивости конвективных течений.
3. Прогнозирование аварийного воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях, характеризующихся большим эквивалентным отверстием и выработками больших сечений, осуществляется с помощью разработанных универсальных аналитических зависимостей для узловых потерь депрессии, адаптированных для решения сетевых вентиляционных задач.
4. Быстрые аэрологические и теплообменные процессы в рудничном воздухе и породном массиве, связанные с возникновением пожаров, сопровождающиеся возникновением мощных тепловых депрессий, остановом или реверсированием главных вентиляционных установок, а также аварийными отключениями других источников тяги, моделируются с учётом инерционности воздушных потоков, путём представления второго закона сетей в нестационарной форме с дополнительным инерционным слагаемым.
5. Математические модели аэротеплогазодинамических процессов в вентиляционных сетях рудников, а именно, модели сопряжённого теплообмена, идеального вытеснения, потерь депрессии на сопряжениях горных выработок, инерционности воздушных потоков, устойчивости естественной тяги, интегрированные в единый программно-вычислительный комплекс, позволяют рассчитывать и прогнозировать процессы возникновения и развития аварийных нарушений проветривания, а также предусматривать мероприятия по их профилактике на стадии проектирования и разрабатывать планы ликвидации аварий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объёмом наблюдений, выполненных в натурных условиях, соответствием приведённых результатов данным, полученными другими авторами, а также удовлетворительной сходимостью с результатами тестового численного моделирования вентиляционных процессов в программной среде SolidWorks.
Научная новизна:
При разработке теоретических основ прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников, следующие исследовательские работы были проведены впервые:
критерии устойчивости проветривания горных выработок во время рудничных аварий, основанные на математическом моделировании динамики тепловых депрессий в условиях интенсивного теплообмена между воздухом и породным массивом;
методика численного прогноза начальной стадии развития экзогенного рудничного пожара, позволяющая определять направления движения, температуру и задымлённость воздушных потоков;
воздействие тепловой стратификации скоростей движения воздушных потоков по сечению горных выработок на процессы теплогазопереноса и устойчивость проветривания;
математическая модель промерзания крепи вентиляционного ствола после реверсирования главной вентиляционной установки в холодный период года, основанная на решении задачи сопряжённого теплообмена между воздухом и двухслойным массивом операционным методом;
методы количественной оценки влияния инерционности воздушных потоков и сжимаемости воздуха в выработанных пространствах на протекание переходных процессов, связанных с остановом или реверсированием главных вентиляционных установок, а также внезапным возникновением мощных тепловых депрессий при возгораниях в наклонных выработках;
режимы проветривания калийных рудников естественной тягой после аварийного отключения вентилятора в зависимости от топологии вентиляционной сети, времени года и начальных условий;
математические зависимости для определения потерь депрессии на сопряжениях горных выработок, необходимые при проведении вентиляционных расчётов применительно к рудникам с большим эквивалентным отверстием;
условия безопасного использования систем рециркуляционного проветривания для предупреждения возникновения аварийных ситуаций, связанных с прекращением поступления свежего воздуха на проветриваемые участки, выраженные в недопущении критического соотношения величин депрессии главной вентиляционной установки, напора рециркуляционного источника тяги и аэродинамических сопротивлений участков.
Практическое значение и реализация результатов работы:
Результаты диссертационной работы открывают новые возможности в осуществлении детального планирования мероприятий по профилактике и борьбе с аварийными нарушениями рудничного проветривания, а разработанные и изложенные в работе математические модели аэротеплогазодинамических процессов, позволяют точно прогнозировать развитие аварий в рудниках и использовать прогнозные данные при составлении планов ликвидации аварий.
Полученные результаты реализованы и внедряются на горнодобывающих предприятиях России и Белоруссии. Разработаны разделы технологического регламента по организации проветривания рудников ОАО Уралкалий, относящиеся к управлению воздухораспределением и контролю за рудничной атмосферой, а также инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобинского месторождения калийных солей. Разработаны рекомендации и технические решения по борьбе с пылью и внешними утечками воздуха для условий Краснослободского рудника ОАО Беларуськалий. Проведено моделирование воздухораспределения и теплового режима с учетом развития горных работ и введения в эксплуатацию новых стволов на шахтах Верхняя и Глубокая рудника Скалистый Талнахского рудоуправления ОАО Норильский никель, на основании которого предложены технические мероприятия по улучшению качества проветривания рабочих зон. Разработаны технические и технологические мероприятия по приведению температуры воздуха в горных выработках нефтяных шахт Нефтешахтного управления Яреганефть ООО ПечорНИПИнефть до значений, предусмотренных правилами безопасности.
Все представленные в работе математические модели реализованы численно и используются для проведения технических расчётов. Большая часть из них интегрирована в программно-вычислительный комплекс АэроСеть, позволяющий производить комплексное моделирование аэрологических и теплогазодинамических процессов, протекающих в рудниках, как в штатных, так и в аварийных режимах проветривания. Для работы с аварийными вентиляционными режимами разработан отдельный программный модуль План ликвидации аварий, с помощью которого осуществляется детальное планирование аварийных мероприятий, в частности путей и времени вывода людей на поверхность при возникновении рудничных пожаров.
Апробация работы Отдельные разделы и материалы диссертационной работы докладывались на XXVII-ой научно-технической конференции (Пермь, 1991);
международном симпозиуме SRM-95 РАН Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах промышленных агломераций (Екатеринбург, 1997); на международной конференции Горные науки на рубеже XXI века (Пермь, 1997); на международной конференции Проблемы геотехнологии и недроведения (ИГД УрО РАН, Екатеринбург, 1998); на конференции Научно-педагогическое наследие профессора Медведева И.И. (Санкт-Петербург, 1999); на международной конференции Проблемы безопасности и совершенствование горных работ (Пермь, 1999); на 7-ом международном конгрессе по рудничной вентиляции (Польша, 2001); на 5-ой международной научной конференции Здоровье семьи - XXI век (Пермь, 2001); на международной конференции Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов (Пермь, 2003); на научно-технической конференции Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых (Кунгур, 2004); на научно-практической конференции Геология и полезные ископаемые Западного Урала (Пермь, 2005); на научно-технической конференции Уральский горнопромышленный форум Горное дело.
Оборудование. Технологии (Екатеринбург, 2006); на конференциях Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды (Новосибирск, 2006, 2007), на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999-2011). Основные положения диссертации докладывались на научной сессии Горного института УрО РАН.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 работ, в том числе 20 - в изданиях из списка ВАК, получено свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, общим объемом 329 страниц машинописного текста, включая иллюстраций, 8 таблиц, списка литературы из 266 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
I. Научное положение. Моделирование рудничных аварий, характеризующихся большим перепадом температур на границе воздуха и породного массива и быстрыми теплообменными процессами, осуществляется в сопряжённой постановке с помощью преобразований Лапласа в приближении малых времён с использованием асимптотических разложений цилиндрических функций в области больших аргументов.
Исследования теплообменных процессов в рудничной вентиляции направлены, главным образом, на изучение основных термодинамических характеристик вентиляционного воздуха - температуры и влажности, формирующих рудничный микроклимат и комфортные условия ведения горных работ. Объектом изучения в данном случае является движущийся воздух, а окружающий породный массив при моделировании рассматривается как источник тепла или холода. Внутренняя структура массива усредняется по плотности, теплоёмкости и теплопроводности и, как правило, для упрощения, конструируется интегральная характеристика, позволяющая по начальной температуре массива и текущей температуре воздуха судить о величине потока тепла из массива в воздух или наоборот.
Характеристика эта, называемая коэффициентом нестационарного теплообмена k, нашла широкое применение при решении тепловых задач в рудничной вентиляции и даёт хорошие результаты при моделировании теплообменных процессов в различных условиях. Тем не менее, согласно результатам проведённых теоретических исследований, изложенных в работе, область применимости модели k всё же ограничена размерами временных интервалов. Хорошая точность расчёта обеспечивается при расчёте теплообменных процессов продолжительностью порядка суток и более. Для описания быстрых процессов, например при внезапном возгорании, длительностью в часы и минуты данная модель не применима по причине появления больших погрешностей при расчёте. Подход к моделированию теплообмена рудничного воздуха с породным массивом в сопряжённой постановке, представленный в работе, в отличие от модели k, позволяет рассчитывать изменения температур воздуха и массива, как на длинных, так и на коротких промежутках времени с момента начала выделения тепла.
Задача теплообмена моделируется как цилиндрически симметричная с двумя пространственными координатами - радиальной r(м) и вертикальной z(м) в двухслойном приближении, имитирующем крепь ствола (рис.1).
Значения объёмных теплоёмкостей и температуропроводностей cv1(Дж/(м3С)) и 1(м2/с) первого внутреннего слоя толщиной h(м) (чугун) и cv2(Дж/(м3С)) и 2(м2/с) второго внешнего слоя бесконечной толщины (бетон и породный массив) предполагаются постоянными по глубине z и времени t(с). В ствол радиусом r0 (м) с поверхности (z=0) подаётся воздух с объёмной теплоёмкостью cv (Дж/(м3С)) (предполагается также не зависящей от z и t) и температурой T0=T0(t) (С). Скорость движения воздуха v=v(z)(м/с) считается известной убывающей функцией z не зависящей от времени t. Зависимость от z моделирует возможность наличия ответвлений и утечек по ходу движения воздуха. Считается, что в начальный момент времени весь массив (оба слоя) и весь воздух в стволе имеют температуру непотревоженного массива T(z), линейно возрастающую с глубиной. В сечении z=0 для воздуха в ( начальный момент времени температура воздуха равна T0 ), и, в дальнейшем, изменяется со временем как T0(t). Очевидно, что турбулентная теплопроводность воздуха намного больше, чем молекулярная теплопроводность твёрдого тела, поэтому можно считать, что температура воздуха по сечению выработки выравнивается мгновенно. С другой стороны, нет смысла учитывать диффузионную теплопроводность по ходу движения воздуха, и потому продольная теплопроводность воздуха полагается равной нулю (перенос тепла вдоль выработки осуществляется только движением воздуха). Аналогичное упрощение делается в связи с тем, что скорость r0 h r0 T0 ( t ) r0 r0 h a r ( ( T0 ) cv T0 ) 2 ca cvv v( z ) cv2 cv1 m cv1 cvm cv z g jm ja ja jm T( z,t ) T( z ) T( z ) z Рис.1. Двухслойная задача теплообмена рудничного воздуха с крепью воздухоподающего ствола: r и z - радиальная и вертикальная координаты (м), t - a cv время (с),, cv1 и cv2 - объёмные теплоёмкости воздуха, первого (чугун) и второго (бетон и породный массив) слоёв (Дж/(м3С)), 1 и 2 - температуропроводности первого (чугун) и второго (бетон и породный массив) слоёв (м2/с), r0 - радиус ствола (м), h - толщина первого слоя (м), v(z) - скорость движения воздуха (м/с), ( ( T0 ) - среднегодовая температура воздуха (С), T( z ) T0 ) z - температура непотревоженного массива (С), 1/ - величина геотермической ступени (м), T0 (t ) T(t,z ) - температура наружного воздуха (С), - текущая температура воздуха на глубине z (С), ja и jm - плотности потока тепла в воздухе к границе и в массиве от границы (Дж/(см2).
движения воздуха много больше скорости распространения тепла в массиве, т.е. перепады температур по оси z и в радиальном направлении в массиве будут разного порядка (если по z - это десятки метров, то по r- это десятки сантиметров). Это позволяет пренебречь распространением тепла в направлении оси z в массиве. Таким образом, считается, что и в массиве, и в воздухе имеет место только радиальная теплопроводность, а продольная теплопроводность считается не существенной.
Заливка бетоном закрепного пространства между тюбинговой колонной и горной породой в идеале образует единый трёхслойный массив. Бетон и порода в модели объединены, а граница между бетонной опалубкой и чугунными тюбингами рассматривается как граница скачкообразных изменений термодинамических характеристик материалов - объёмной теплоёмкости и температуропроводности. Скачков температуры на этой границе быть не должно в силу отсутствия на ней воздушного зазора, а, значит, необходимости в постановке граничного условия третьего рода тоже нет. Таким образом, двухслойная задача теплообмена сводится к однослойной со скачкообразным изменением тепловых параметров на границе r0+h, а оба слоя считаются породным массивом с объёмной cv1, r [ r0; r0 h] m теплоёмкостью cv и температуропроводностью cv2, r r0 h 1, r [ r0; r0 h] m (индекс m - означает отношение величины к 2, r r0 h массиву, a - к воздуху). Для упрощения математической записи задачи вводятся безразмерные координаты: расстояние по r и по z измеряется в r0, а ( время - в r 1, температура отсчитывается от T0 ).
Нестационарная цилиндрическая задача теплообмена решена с помощью преобразований Лапласа и имеет следующее решение для функцииизображения температуры воздуха, как функции пространственной координаты z и комплексного параметра p:
z z ( )d ( )d ( ) d a( p,z ) exp exp, (1) ( p ) a( ) p a( ) a( ) 0 0 v( )r0 1 J1( p) AN1( p) где r0 a( ) , ( ) p , b p,, 1 1 1 c( ) J0( p) AN0( p) 2cv2( )rДж v( )(м / с)0. b , c( ) , - коэффициент ( ) 3. a a cv 1 м2 с C D(м)0. сv теплоотдачи, D - диаметр ствола, а A - представляет собой сложную комбинацию функций Бесселя Ji и Неймана Ni и в автореферате не приводится.
Если утечек и ответвлений по ходу движения воздуха нет, то v(z)=const и, соответственно, a и от z не зависят. Формула (1) в этом случае приобретает вид:
z z z a a a a( p, z ) 0( p )e 1 e. (2) p a Выражение для изображения температуры первого слоя z a( p, z) J0r p AN0r p z p (1) m (r, p, z) (3) p J0 p AN0 p 1 c(z) и второго слоя:
z a( p, z) J0R p AN0R p J0r p / (2 1) iN0r p / (2 1) z p ( m2)(r, p, z) p J0 p AN0 p J0R p / (2 1) iN0R p / (2 1) , (4) 1 c(z) R 1 h rгде - граница раздела слоёв в безразмерном виде.
Численные расчёты температур воздуха и массива по формулам (2)-(4) показали, что удовлетворительная сходимость интеграла в обратном преобразовании Лапласа xi pt Ta,m( r,t,z ) a,m e ( r, p,z )dp (5) 2i xi обеспечивается, если вещественная часть показателя экспоненты (5) положительна и порядка единицы, что имеет место при выборе Re(p)~1/t. С другой стороны, вещественная часть аргумента функций Бесселя не должна быть слишком большой (Re(p)10), поскольку при расчёте эти функции аппроксимируются степенными рядами. Это означает, что с помощью полученных формул можно рассчитывать температуры воздуха и массива спустя время t0.1 с начала теплообмена, что составляет примерно трое суток в размерных единицах. При уменьшении времени погрешность расчёта интеграла быстро увеличивается по причине растущей неточности вычислений функций Бесселя. Расчёт изменений температуры воздуха в течение малых времён с начала теплообмена (например, реверсивный режим работы главной вентиляционной установки (ГВУ) в случае аварии может длиться несколько часов) становится возможен при использовании асимптотических разложений функций Ганкеля 1-го и 2-го рода ( ( Hn1)() Jn() iNn() Hn2)() Jn() iNn() и при больших значениях аргумента .
В однослойном приближении при v(z)=const получается b p, а зависимости для вычисления температуры массива (3)-(4) принимают вид z ( p, z) a p 1 z (r, p, z) e(r1) p . (6) m p b p r 1 c(z) Z=300 м Z=200 м Z=100 м Z=0 м Рис.1. Расчётные изменения температуры воздуха по глубине ствола с течением времени после реверсирования ГВУ в зимний период (T0 = -20C) Z=300 м Z=200 м Z=100 м Z=0 м Рис.2. Расчётные изменения температуры тюбинговой крепи вентиляционного ствола после реверсирования ГВУ в зимний период (T0 = -20C) (графики построены с интервалом в 1 см по толщине от поверхности крепи и через 100 м по глубине ствола) Формулы (2) и (6) позволяют производить расчёты температуры воздуха и массива в течение малых времён (минуты, часы) с начала теплообмена. С физической точки зрения проведённая математическая процедура разложения эквивалентна переходу от цилиндрической задачи теплообмена к плоской. Действительно, если учесть, что при малых временах с начала теплообмена глубина проникновения тепла или холода от воздуха вглубь стенок выработки невелика (мала по сравнению с её радиусом), то задача может быть представлена, как плоская.
В качестве демонстрационного примера моделирования динамики теплообмена в аварийном режиме проветривания на рис.1 и 2 представлены результаты расчётов изменений температуры воздуха и крепи вентиляционного ствола после реверсирования ГВУ в зимний период. Из анализа графиков следует точная количественная оценка глубины и времени промерзания крепи вентиляционного ствола, на основании которой делается вывод о безопасном времени реверсирования при заданных условиях. Если предполагаемое время реверсирования вентилятора больше, и согласно расчётным данным в закрепном пространстве прогнозируется замерзание воды, то, во избежание возникновения аварийных деформаций крепи, должна быть предусмотрена система обогрева поступающего через ствол воздуха.
II. Научное положение. Интенсивность и устойчивость проветривания рудников за счёт естественной тяги при аварийном отключения главной вентиляционной установки зависит от времени года, конфигурации рудничной вентиляционной сети, количества стволов и вентиляционных горизонтов, а также начальных условий проветривания и моделируется решением единой сетевой аэротеплогазодинамической задачи с использованием экспериментальных данных и теории устойчивости конвективных течений.
Расположенные на разных высотных отметках устья стволов при разных температурах наружного и рудничного воздуха приводят к возникновению перепада гидростатических давлений, что неизбежно вызывает движение воздуха из области более высокого к области более низкого давления. В калийных рудниках устья стволов, обычно расположены на одном уровне, и, теоретически, в случае отключения вентилятора естественной тяги быть не должно. Тем не менее, согласно экспериментальным данным, естественная тяга в калийных рудниках есть. В холодное время года или суток тяжёлый холодный воздух опускается в ствол и выталкивает лёгкий нагретый, причём режим выталкивания воздуха в данном случае, вообще говоря, может быть разным в разных условиях.
Например, при проходке ствола, когда он один, холодный воздух опускается вниз по центру ствола, а нагретый вдоль стенок поднимается вверх. Если стволов два или более с устьями, расположенными на одном уровне, и вентилятор выключен, то такой режим движения воздуха тоже реален.
Однако может оказаться, что тяжёлый воздух будет проваливаться по всему сечению одного ствола и, нагреваясь в руднике, выходить тёплым через другой ствол. Не исключён также комбинированный режим, когда часть воздуха проходит через рудник, а часть поднимается обратно вверх по стволу. Вопрос о том, какой из режимов, в какой мере и в каких случаях реализуется, относится к области исследований гидродинамической неустойчивости турбулентных течений и ввиду сложности топологии рудничных вентиляционных сетей, многофакторности и нестационарности задачи в настоящее время не может быть в точности решён теоретически.
Методы исследования естественной тяги после отключения ГВУ в рудниках, устья стволов которых находятся на одном уровне, опираются, главным образом, на экспериментальные данные.
Из анализа теоретических и экспериментальных исследований естественной тяги следует следующий сценарий теплового движения воздуха для рудника с одноуровневыми стволами. Если понижение температуры наружного воздуха происходит в отсутствие движения воздуха через рудник, то воздух через рудник не идёт. Реализуется режим, когда холодный воздух опускается по центру стволов, а тёплый вдоль стенок поднимается вверх. В случае же, когда похолодание происходит во время движения воздуха через рудник, это движение и поддерживается естественной тягой, даже если отключается источник этого движения - ГВУ. Интенсивность движения воздуха падает после отключения ГВУ, но не до нуля, а до реальной величины, обусловленной разностью плотностей холодного воздуха в подающем стволе и тёплого - в вентиляционном. Если затем происходит потепление, то процесс прекращается и снова не возобновляется при похолодании. Для возобновления требуется разгон. Из этого следует, что после отключения ГВУ в холодное время движение воздуха через рудник поддерживается естественной тягой до очередного потепления. Двигателем такого варианта временного проветривания является теплота породного массива, передающаяся к холодному воздуху и уменьшающая его плотность.
Интенсивность этого движения определяется, во-первых, разностью плотностей воздуха в подающем и вентиляционном стволах и, во-вторых, аэродинамическим сопротивлением рудника.
Депрессия естественной тяги определяется разностью столбов воздуха в подающем и вентиляционном стволах. Главное условие сохранения движения воздуха после отключения вентилятора за счёт естественной тяги - это превышение плотности воздуха в подающем стволе над плотностью воздуха в вентиляционном стволе. Соответственно, чем ниже температура поступающего в рудник воздуха, тем большая разность плотностей воздуха в стволах, поскольку при прохождении рудника воздух нагревается до стандартной для данной глубины залегания пород температуры. Что, касается влагосодержания, то для него характер изменения плотности воздуха - противоположный. Уменьшение плотности воздуха при его прохождении через рудник может в некоторой степени компенсироваться вбиранием влаги при движении, поскольку относительная влажность воздуха при нагреве уменьшается.
В калийных рудниках зимой наблюдаются более сложные процессы взаимодействия вентиляционного воздуха с конденсационными рассолами на почве выработок, когда влага сначала вбирается сухим тёплым воздухом, а затем по мере его движения и охлаждения выпадает снова, мигрируя, таким образом, по выработкам рудника. Подобные сложные тепло- массообменные явления также оказывают влияние на возникновение, поддержание и интенсивность естественной тяги в руднике.
На температуру вентиляционного воздуха оказывает влияние глубина разрабатываемого горизонта. Причём, влияние это обусловлено двумя, совершенно различными, механизмами. Первый механизм заключается в повышении температуры горных пород с глубиной за счёт геотермального тепла, что приводит к увеличению температуры исходящей струи воздуха.
Второй механизм - термодинамический - чем больше столб воздуха, тем больше давление внизу, и тем больше воздух разогревается за счёт сжатия, причём, во всех стволах - и в вентиляционном, и в подающем. Однако однозначно сказать, что глубокий рудник предпочтительнее для возникновения естественной тяги, чем неглубокий, нельзя. С одной стороны, чем больше глубина, тем больше воздух нагревается, тем больше тепловой энергии земли идёт на поддержание естественной тяги. С другой стороны, чем глубже рудник, тем больше его аэродинамическое сопротивление, препятствующее движению воздуха.
Существенно усложняет процедуры проведения замеров и расчёта естественной тяги изменчивость температуры наружного воздуха. И если сезонные колебания температуры наружного воздуха приводят лишь к тому, что естественная тяга в разное время года имеет разные величину и знак, то суточные колебания температуры делают весь процесс нестационарным и трудно предсказуемым. Непродолжительные похолодания или потепления атмосферного воздуха в течение одних или нескольких суток не дают возможности с помощью каких-либо простых зависимостей определить, как при этом будет изменяться величина и направление естественной тяги. Для моделирования естественной тяги в руднике при переменной температуре наружного воздуха использовались результаты теоретических исследований нестационарного теплообмена рудничного воздуха с породным массивом, изложенные выше. Проведённые исследования позволяют судить о том, как глубоко и как быстро колебания температуры наружного воздуха проникают в рудник, как быстро выравнивается температура воздуха при его удалении от воздухоподающих стволов.
Направление движения воздуха через рудник - не единственное отличие режимов реализации естественной тяги на руднике после отключения вентилятора. Несмотря на гидростатическое сжатие воздуха в стволах, плотность его с глубиной в холодное время года (температура поступающего в рудник воздуха ниже, чем температура пород) может уменьшаться в результате притока тепла от породного массива. В этом случае столб воздуха в стволе может оказаться неустойчивым, и реализуется режим локальной внутристволовой конвекции, при котором холодный воздух опускается вниз по центру ствола, а тёплый вдоль стенок поднимается вверх. Такая перестройка режима, очевидно, приведёт к существенному уменьшению интенсивности сквозного проветривания рудника. Возникновение локальной конвекции в стволе приводит к быстрому перемешиванию воздуха, выравниванию его температуры и, в результате, уменьшению депрессии естественной тяги.
Оценочный расчёт устойчивости проветривания рудника естественной тягой проводился по аналогии с анализом устойчивости профиля скорости ламинарного течения v0 в плоском вертикальном слое с вертикальным градиентом температуры A. В зависимости от турбулентного числа Рэлея RaТ профиль скорости, экстраполированный на турбулентное движение воздуха vg vA 2 x Рис.3. Профили движения скорости воздуха в плоском вертикальном слое под действием вертикального градиента температуры по стволу, имеет вид, представленный на рис.3, на котором cos( x ) cos( ) ch(x ) ch( ) gA, где v0 h4 RaТ.
tg( ) th( ) т т Решение задачи устойчивости этого течения среды к длинноволновым ( возмущениям даёт величину критического числа Рэлея Raткр ) 100, превышение которого в стволе означает начало развития внутристволовой конвекции.
Турбулентное число Рэлея является показателем устойчивости сквозного движения воздуха в стволе. Если RaТ<100, то движение устойчиво и рассчитывается обычным образом. Если же RaТ100, то сквозное проветривание прекращается в результате потери устойчивости.
Чем холоднее наружный воздух, тем сильнее вертикальная стратификация плотности воздуха в подающих стволах и тем вероятнее возникновение внутристволовой конвекции. Нарушение режима сквозного проветривания рудника естественной тягой после отключения ГВУ исследовалось на руднике 3РУ ОАО Беларуськалий в зимний период, что привело к возникновению межгоризонтной рециркуляции.
III. Научное положение. Прогнозирование аварийного воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях, характеризующихся большим эквивалентным отверстием и выработками больших сечений, осуществляется с помощью разработанных универсальных аналитических зависимостей для узловых потерь депрессии, адаптированных для решения сетевых вентиляционных задач.
Расчёт воздухораспределения в вентиляционной сети базируется на знании аэродинамических сопротивлений всех её отдельных элементов.
Элементами рудничной вентиляционной сети являются горные выработки, либо группы соседних выработок, объединённых по какому-нибудь характерному признаку. Сопротивления выработок определяются по результатам воздушно-депрессионных съёмок (ВДС), а также расчётным способом с использованием экспериментальных зависимостей для типовых выработок. Как правило, при проведении обработки результатов ВДС и составлении расчётных схем вентиляционных сетей считается, что потери депрессии приходятся лишь на трение движущегося воздуха о стенки выработок, т.е. учитываются только линейные сопротивления. Однако, согласно экспериментальным исследованиям, вклад местных сопротивлений изгибов, тройников, сужений и расширений в распределении расходов воздуха составляет для калийных рудников порядка 30% и возрастает с увеличением сечений выработок.
Имеющиеся в литературе по рудничной вентиляции зависимости для определения аэродинамических сопротивлений сопряжений ограничиваются несколькими вариантами - это плоские тройники под прямыми углами.
Зависимости носят явно не экспериментальный, а эмпирический характер, в них не соблюдены условия симметрии между формулами относительно смены знаков расходов и их обнуления. В литературе по гидравлическим сопротивлениям число рассмотренных вариантов сопряжений значительно больше, и приводимые зависимости и коэффициенты имеют экспериментальное происхождение. Однако перенос формул, предназначенных для проведения расчётов течения жидкостей по трубам, на вентиляцию выработок большого сечения не корректен. Но, даже если пренебречь этим обстоятельством, предлагаемые в литературе зависимости для расчётов местных сопротивлений представляют собой отдельные для каждого случая формулы, никак не связанные и не согласующиеся между собой в предельных случаях. Поэтому интеграция их в процедуру численного расчёта воздухораспределения в вентиляционных сетях в таком виде однозначно обрекает её на расходимость в случае неопределённости направлений движения воздуха по выработкам. Причина расходимости итерационной процедуры в данном случае - скачок потерь депрессии на сопряжении при смене знаков расходов, исключить который, используя известные зависимости, не представляется возможным.
С целью устранения отмеченной проблемы разработана математическая модель падения депрессии на сопряжениях горных выработок, позволяющая использовать её в расчётах воздухораспределения в вентиляционных сетях.
Потери энергии при движении потока воздуха могут быть вычислены исходя из закона сохранения импульса. Чем меньше доля взаимодействия воздуха со стенками по сравнению с взаимодействием воздушных потоков между собой, тем точнее будет такой расчёт. Исходя из этих соображений, моделируются потери энергии не только на сужение-расширение потока, но и на смешение-разделение. Для этого произвольное сопряжение формально распрямляется - в одну сторону направляются входящие в узел выработки, в другую - исходящие. Потери на изгиб при этом исчезают, а для полученной проекции узла используется закон сохранения импульса:
qi viqi v qj 10SiPi, (7) j Q j где i и j - индексы, соответствующие выработкам с исходящими и входящими в узел потокам воздуха соответственно, vi, vj - скорости (м/с), qi=viSi, qj=vjSj - объёмные расходы (м3/с), Q q q - общий j i j i объёмный расход воздуха через узел (м3/с), Si (м2) - сечение i-ой выработки, Pi - перепад статических давлений между сопряжением и исходящей выработкой (дПа). В рамках данной модели сопротивление узла определяется только исходящими i-ыми участками. Сопротивления входящих j-ых участков полагаются равными нулю.
В предположении сохранения импульса с учётом изменения кинетической энергии изменение полного напора (7) приводится к наглядной и понятной с физической точки зрения симметричной форме:
qiq vi v j j Piполн , (8) Qj из которой очевидны следующие важные особенности (8), без соблюдения которых интеграция её с методами расчёта воздухораспределения в вентиляционной сети была бы невозможна:
Piполн 0 - смешение-разделение потоков воздуха в узлах сети сопровождается всегда потерей энергии, исключения были бы физически абсурдны;
потеря энергии в узле тем больше, чем больше разность скоростей vi vj исходящего и входящего потоков, определяющей величину сдвигового трения;
при обращении qi в ноль потеря напора также обращается в ноль, что исключает скачок напора при реверсировании потока, что крайне важно для обеспечения сходимости итерационной процедуры расчёта воздухораспределения;
симметрия (8) относительно qi и qj также является гарантом плавного превращения исходящих из узла потоков воздуха в входящие и наоборот при опрокидывании без нарушения сходимости.
Представленная математическая модель потерь депрессии на сопряжениях горных выработок протестирована на расчётных сетях различного типа путём сравнения с результатами численного моделирования воздухораспределения в программной среде SolidWorks и показала удовлетворительную сходимость и хорошее соответствие ожидаемым результатам. Математические зависимости для расчёта потерь депрессии на сопряжениях горных выработок и полученные результаты позволяют судить о том, где, когда и в каких условиях пренебрежение этими потерями приводят к существенным вычислительным ошибкам. Интеграция этой математической модели в разрабатываемый программный комплекс АэроСеть уточняет прогнозную динамику воздушных потоков, что особенно важно при моделировании нестационарных аварийных процессов, когда незначительные изменения депрессионного поля могут нарушать устойчивость проветривания выработок, опрокидывать воздушные потоки, меняя направления распространения дыма и тепла во время пожаров.
IV. Научное положение. Быстрые аэрологические и теплообменные процессы в рудничном воздухе и породном массиве, связанные с возникновением рудничных пожаров, сопровождающиеся возникновением мощных тепловых депрессий, остановом или реверсированием главных вентиляционных установок, а также аварийными отключениями других источников тяги, моделируются с учётом инерционности воздушных потоков, путём представления второго закона сетей в нестационарной форме с дополнительным инерционным слагаемым.
Вентиляционная сеть задаётся ориентированным графом, аэродинамическими сопротивлениями всех ветвей и напорами всех источников тяги. Математическая постановка задачи расчёта воздухораспределения заключается в составлении уравнений 1-го и 2-го законов сетей. Пусть сеть состоит из n ветвей и v узлов. Первый закон сетей записывается в виде v-1 уравнений в узлах:
0 Q(j s ) ) (, (9) j где s - номер узла (от 1 до v-1), j - номера выработок, инцидентных узлу с номером s, - расходы воздуха. Поскольку общее число уравнений Q( s ) j должно быть равно числу неизвестных n, то оставшееся число уравнений m=n-(v-1). Это уравнения, отражающие второй закон сетей:
( i ) ) ) ) ( ) ( R(ji )Q(ji Q(ji, (10) j j j где i - номер (от 1 до m) уравнения (независимого контура), j - номера ( i ) выработок, содержащихся в контуре с номером i, - напор источника тяги j в выработке с номером j контура с номером i.
Алгоритмы расчёта стационарного воздухораспределения (9)-(10) применяются также и для расчёта меняющегося со временем воздухораспределения в квазистационарной постановке. В этом приближении в каждый момент времени решается задача стационарного воздухораспределения с новыми величинами источников тяги и тепловых депрессий. Данный подход не учитывает инерционности воздуха, т.е. того, что работа сил давления идёт не только на преодоление аэродинамических сопротивлений выработок, но и на разгон и торможение воздушного потока.
Корректность такого способа моделирования нестационарных процессов тем лучше, чем медленнее эти процессы и чем менее заметны инерционные эффекты. Численный эксперимент и оценочные расчёты показывают, что к медленным процессам следует отнести изменения расходов воздуха, происходящие в течение нескольких минут. Если же эти изменения происходят в течение нескольких секунд, то квазистационарное моделирование приводит к большим погрешностям, и возникает необходимость учитывать инерционность воздуха. Подобная ситуация возникает при моделировании пожаров в горных выработках, когда быстро растущие тепловые депрессии в считанные секунды изменяют движение воздуха вплоть до опрокидывания потоков.
Учесть наличие массы у воздуха можно соответствующей корректировкой второго закона сетей (10). Работа сил давления A(Дж) по перемещению фрагмента воздушного потока сечением выработки S(м2) длиной L(м) на расстояние L(м) идёт на преодоление сил трения F(Н) и на Ek изменение кинетической энергии (Дж) фрагмента:
A FL Ek. (11) Q Здесь L t, а падение давления пропорционально квадрату среднего S F объёмного расхода Q(м3/с) воздуха по выработке Q2rL, где t(с) - время S прохождения воздухом участка L, r(кг/м8) - аэродинамическое сопротивление выработки в расчёте на единицу длины, LQ2 QL dQ LQ2 d Ek t t, (кг/м3) - средняя плотность 2S S dt 2S dt воздуха по выработке. Предполагается, что вклад изменений плотности воздуха в Ek невелик, и вторым слагаемым можно пренебречь. Таким образом, при подстановке в (11), получается:
L dQ t. (12) A QrLQ2 S dt Теперь, если учесть, что rLQ2 P - это падение давления на трение (Па), а QPt - работа сил трения, то второе слагаемое есть искомая инерционная L dQ поправка Pин . Поскольку при выводе считалось, что плотность и S dt объёмный расход воздуха неизменны по длине выработки и равны средним значениям, то можно осуществить переход от участка L к целой выработке L(м). Значит потеря депрессии на выработке при нестационарном движении воздуха с учётом его инерционности равна L dQ P RQ2 , (13) S dt где R(кг/м7) - аэродинамическое сопротивление выработки, Q(кг/с) - массовый расход воздуха. С учётом выше изложенного второй закон сетей (10) приобретает вид (с теми же правилами расстановки знаков):
L dQ(ji ) j j ( i ) ) i ) ) ( ) ( ) R(ji Q(j Q(ji S dt . (14) j j j j Расчёт изменений воздухораспределения после возникновения сильного пожара в наклонной выработке (100 МВт на 10 метров) демонстрирует влияние инерционности воздуха на его движение (рис.4). Опрокидывание воздушной струи и дальнейшее изменение расхода происходит в течение нескольких секунд, что и является причиной проявления механизма воздушной инерции, в подавляющем большинстве других более медленных процессов себя никак не проявляющем.
Рис.4. Расчётные изменения расхода воздуха в наклонной выработке после возникновения в ней пожара (100МВт на 10 метров): 1 - без учёта инерции воздуха; 2 - с учётом инерции воздуха Рис.5. Расчётные изменения расхода воздуха в наклонной выработке после возникновения в ней пожара (1МВт на 10 метров): 1 - без учёта инерции воздуха;
2 - с учётом инерции воздуха Для сравнения более слабый пожар в аналогичной ситуации (1 МВт на метров) показывает несущественное влияние инерции на движение воздуха при значительно более медленном его изменении (рис.5).
Приведёнными примерами доказана необходимость моделирования быстрых переходных аварийных процессов с учётом инерционности воздушных потоков, заключающаяся в корректировке 2-го закона сетей инерционным слагаемым с соответствующим изменением увязочной формулы метода контурных расходов.
V. Научное положение. Математические модели аэротеплогазодинамических процессов в вентиляционных сетях рудников, а именно, модели сопряжённого теплообмена, идеального вытеснения, потерь депрессии на сопряжениях горных выработок, инерционности воздушных потоков, устойчивости естественной тяги, интегрированные в единый программно-вычислительный комплекс, позволяют рассчитывать и прогнозировать процессы возникновения и развития аварийных нарушений проветривания, а также предусматривать мероприятия по их профилактике на стадии проектирования и разрабатывать планы ликвидации аварий.
На базе разработанных математических моделей, представленных в работе и реализованных численно в программном комплексе АэроСеть (рис.6) могут детально моделироваться аэротеплогазодинамические процессы, протекающие в рудничном воздухе, как в штатных, так и аварийных режимах проветривания. Основные выводы по численной реализации моделей:
1. Анализ быстрых переходных процессов, вызванных возгоранием, включением-отключением вентилятора или открытием-закрытием ворот выявил грубость квазистационарного подхода к их моделированию в определённых условиях, связанных со скоростью депрессионного возмущения. В связи с этим обстоятельством в расчётный модуль интегрирована физическая модель, учитывающая инерционность воздушного потока. Сохранена возможность отключения учёта инерционности с целью проведения анализа действенности этого механизма различных условиях.
2. Рециркуляционное проветривание является эффективным способом улучшения проветривания удалённых участков вентиляционных сетей, но и, в то же время, источником опасности чрезмерного загазирования свежей струи (особенно во время аварий) ввиду использования части отработанной струи повторно. Для организации такого способа проветривания, как правило, используются эжекторные установки, как эффективные и легко управляемые источники тяги, предназначенные для преодоления небольшого аэродинамического сопротивления. Напорные характеристики этих источников тяги присутствуют в программе в виде аналитических зависимостей, полученных в результате разработки универсальной физической модели эжекции, позволяющей производить расчёты в широкой области расходов воздуха и геометрических параметров установок.
Рис.6. Графический интерфейс программно-вычислительного комплекса АэроСеть 3. Согласно результатам численного эксперимента расчёт воздухораспределения с автоматическим расчётом аэродинамических сопротивлений выработок по их длинам и сечениям является тем менее соответствующим реальности, чем больше сечение выработок. Причиной такого несоответствия является пренебрежение падением депрессии на сопряжениях горных выработок, вклад которых растёт с увеличением их сечений. Без учёта сопротивлений сопряжений вентиляционные расчёты, например, гипсовых шахт, сечение выработок которых составляет порядка 100 м2, дают неадекватные, чрезмерно завышенные по расходам результаты.
Существенную погрешность в расчёты вносит также пренебрежение сопротивлениями сопряжений стволов с горизонтами и каналами ГВУ на калийных рудниках. Для преодоления этих трудностей разработана физикоматематическая модель потерь депрессии на сопряжениях горных выработок.
4. Расчёт процессов распространения газа, дыма, тепла и пыли реализован в программе на базе модели идеального вытеснения, согласно которой на фоне быстро движущихся потоков воздуха диффузионной составляющей переноса можно пренебречь. Величины источников и стоков задаются и предполагаются неизменными, за исключением стоков тепла, задание которых осуществляется с помощью разработанной математической модели сопряжённого теплообмена рудничного воздуха с породным массивом.
5. Динамика тепловых депрессий и её влияние на изменение движение воздуха по горным выработкам моделируется с учётом действия следующих механизмов - 1) температура пород увеличивается с глубиной; 2) воздуха нагревается в результате гидростатического сжатия в стволах; 3) тепло массива тратится не только на нагрев воздуха, но и на совершение работы по его расширению; 4) потери депрессии на трение воздуха о стенки выработок неравномерны по длине и возрастают с ростом температуры по причине увеличения объёмного расхода. Указанные физические механизмы, согласно результатам численных экспериментов, несущественные при обычных условиях проветривания, становятся заметны в быстрых аварийных режимах и оказывают существенное влияние на их протекание.
6. Возможность регулирования и управления вентиляционными потоками осуществлена в программе заданием открывающихся - закрывающихся ворот и включающихся - выключающихся источников тяги. Анализ возникающих при воздействии на движение воздуха положительных и отрицательных регуляторов переходных процессов позволяет получить более полное и точное представление о природе и устойчивости установившегося в результате стационарного воздухораспределения.
7. Для прогнозирования мест возникновения аварийных ситуаций, связанных с опрокидыванием вентиляционных струй, в программе предусмотрен отдельный модуль расчёта устойчивости вентиляции в стационарных режимах. Модуль позволяет определять на схеме сети выработки, в которых направление движение воздуха находится в рамках погрешности задания параметров сети и может изменяться при незначительных их колебаниях.
Представленные элементы программной среды АэроСеть в комплексе являются универсальным инструментом для моделирования предполагаемых Рис. 7. Программный модуль План ликвидации аварий Рис.7. Программный модуль План ликвидации аварий аварийных нарушений рудничного проветривания, а также способов их профилактики и устранения. В качестве специализированного программного приложения для этих целей создан программный модуль План ликвидации аварий (рис.7), предназначенный для разработки подробных схем планов ликвидации аварий, используемых во время возникновения чрезвычайных ситуаций для спасения работающих в руднике людей. Схема плана представляется в виде набора ветвей, соединенных друг с другом с высокой степенью детализации, без каких-либо упрощений.
Разработанная вычислительная система позволяет осуществлять инженерные расчеты, производимые специалистами рудника и ВГСЧ при имитации и в момент аварии, прорисовывать маршруты движения отделений и определять их протяженность, что делает её мощным аналитическим аппаратом поддержки в условиях чрезвычайных ситуаций, способствующим увеличению скорости принятия решений и исключению влияния человеческого фактора.
На основании результатов расчётно-имитационного моделирования развития аварий в рамках электронного плана ликвидации аварий предусматривается выработка рекомендаций относительно:
мероприятий по спасению людей и путей вывода людей, застигнутых аварией, из зоны опасного воздействия, связанной с аварией;
мероприятий по ликвидации аварий и предупреждению их развития;
действия должностных лиц (специалистов) и рабочих при возникновении аварий;
действия ВГСЧ и вспомогательных горноспасательных команд (ВГК) в начальной стадии возникновения аварий.
Тестовая эксплуатация системы была произведена на Краснослободском руднике, аксонометрическая схема которого (рис.8) была предоставлена Рис.8. Фрагмент электронной аксонометрической схемы Краснослободского рудника пользователям рудника для апробации одновременно с развертыванием программы и базы данных на сервере предприятия.
Программный интерфейсный модуль План ликвидации аварий с интегрированным в него программно-вычислительным комплексом АэроСеть является практической реализацией разработанных и представленных в работе теоретических моделей вентиляционных процессов применительно к прогнозу, профилактике и борьбе с рудничными авариями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ На базе многолетних исследований сложных аэрологических процессов, протекающих в рудничных вентиляционных сетях в различных условиях, разработаны теоретические основы моделирования аварийных ситуаций, связанных с нарушением нормального проветривания рудников. Основные научные результаты исследований, представленных в работе, могут быть сформулированы следующим образом.
1) Решена математически и реализована численно сопряжённая задача теплообмена с учётом следующих факторов: конечного значения коэффициента теплоотдачи, переменного по длине расхода воздуха (учёт ответвлений), переменной по времени температуры воздуха на входе (атмосферные, суточные и сезонные колебания температуры), поглощения и выделения тепла при испарении и конденсации влаги, наличия геотермической ступени, а также двухслойности массива (крепь стволов), позволяющая адекватно и точно описывать процессы теплообмена рудничного воздуха с породным массивом в условиях больших перепадов температур в широких временных интервалах, от нескольких секунд до нескольких лет. Установлено, что расчёт непродолжительных теплообменных процессов, происходящих, как правило, в аварийных режимах проветривания, должен производиться в приближении малых времён, что эквивалентно решению задачи теплообмена в плоском слое.
Построенная математическая модель даёт возможность рассчитывать сложные теплообменные и связанные с ними физические процессы, происходящие в рудниках и формирующих их микроклимат. Преимущество представленной в работе модели теплообмена вентиляционного воздуха с породным массивом заключается в том, что предметом вычислений является реальная, а не модельная, физическая характеристика - температура, погрешность вычисления которой можно оценить и сделать сколь угодно малой при численном расчёте.
2) Разработан алгоритм расчёта нестационарных процессов движения воздуха по горным выработкам в условиях меняющихся тепловых депрессий и напоров источников тяги, в основу которого положен современный быстро сходящийся численный метод расчёта стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях - метод контурных расходов. Определены условия применимости квазистационарного приближения этого метода для вычисления переменных расходов воздуха. В постановке задачи расчёта быстропротекающих переходных процессов учтено, что потенциальная энергия давления идёт не только на преодоление аэродинамического сопротивления выработок, но и, частично, на изменение кинетической энергии движения воздуха. Установлено, что часть эта будет тем больше по сравнению с потерями энергии на трение, чем быстрее происходят изменения расходов. По результатам численных экспериментов сделан вывод, что инерционность воздуха, не учитываемая при моделировании стационарных и медленных нестационарных режимов проветривания, должна быть учтена при описании быстрых переходных процессов, происходящих, как правило, во время аварий.
3) Разработан алгоритм численного решения нестационарной задачи распространения тепла и примесей в атмосфере горных выработок на базе модели идеального вытеснения. Алгоритм реализован численно в программной среде Аэросеть в предположении несущественности медленных диффузионных процессов на фоне его кондуктивного переноса быстрым воздушным потоком. Интегрированный в методы расчёта нестационарного воздухораспределения алгоритм идеального вытеснения позволяет отслеживать направления движения и изменения концентрации вредных газов, дыма, пыли и тепла в сложных вентиляционных условиях при наличии большого количества источников тяги и тепловых депрессий.
4) Дано математическое описание изменений теплофизических характеристик рудничного воздуха с учётом его сжимаемости. Исследованы и проанализированы следующие термодинамические механизмы, влияющие на движение воздуха - нагрев воздуха в результате его гидростатического сжатия в стволах, совершение работы силами давления при сжатиирасширении воздуха, а также зависимость сопротивления выработок движению воздуха от его объёмного расхода. Показано, что влияние данных механизмов на проветривание следует учитывать, в частности, в случае отключения ГВУ. Изучена динамика тепловых депрессий во время пожаров и их влияние на движение воздуха в горных выработках с учётом расслоения конвективных потоков по сечению горных выработок. На основе решения задачи сопряжённого теплообмена между вентиляционным воздухом и породным массивом и разработанного алгоритма численного решения нестационарной задачи распространения газовых примесей по выработкам смоделированы изменения тепло-, газо-, воздушной ситуации на руднике после возникновения пожара. Полученные математические зависимости позволяют рассчитывать изменения величин и направлений движения воздушных потоков, их температур и задымлённостей в процессе пожара.
5) Определено на основании анализа экспериментальных данных и результатов численных экспериментов, что в следующих условиях пренебрежение потерей депрессии на сопряжениях приводит к ошибкам, существенно превышающих погрешности измерений при проведении ВДС:
сопряжения стволов с горизонтами, калориферными и вентиляционными каналами; участки вентиляционных сетей с большой плотностью узлов и рудники с выработками больших сечений. В соответствии с законом сохранения импульса в местах слияния-разделения воздушных потоков разработан универсальный подход к моделированию узловых сопротивлений. Полученные формулы обеспечивают количественный учёт влияния сопротивлений сопряжений произвольной размерности на воздухораспределение в вентиляционной сети в единообразной форме и интегрируются в метод контурных расходов после внесения соответствующих изменений в исходные формулы метода. Произведена проверка зависимостей для расчёта потерь депрессии на сопряжениях горных выработок путём сравнения с результатами численного моделирования воздухораспределения в программной среде SolidWorks.
6) Установлено, что во время отключения ГВУ или её работе с малой производительностью (в реверсивном режиме) ощутимое влияние на движение воздуха по вентиляционным стволам и через рудник в целом начинает оказывать конвективная сила, вызванная разностью плотностей воздуха различной температуры. В одних условиях конвекция эта приводит к возникновению устойчивой естественной тяги, проветривающий рудник, в других - к движению воздуха только внутри вентиляционных и воздухоподающих стволов. На основании проведённых исследований определены условия и критерии реализации того или иного режима конвективного движения воздуха в вентиляционных стволах после отключения или реверсирования ГВУ. Определены факторы, влияющие на возникновение и устойчивость этих режимов, к которым, прежде всего, следует отнести геометрию сопряжений стволов с горизонтами и начальные условия, определяющие специфику переходных процессов движения воздуха сразу после отключения или реверсирования ГВУ.
7) На примере вентиляционной сети калийного рудника БКПРУ-4 ОАО Уралкалий определены варианты наиболее безопасных путей вывода людей из рудника по результатам численного моделирования развития различных пожаров. При этом установлено, что в зависимости от конкретных условий, а именно, места и интенсивности пожара, а также прошедшего времени с начала его возникновения, эти пути оказываются различными.
8) На основе комплексного компьютерного моделирования разработаны методы управления аэротеплогазодинамическими процессами в руднике с помощью устройств отрицательного и положительного регулирования воздухораспределения.
Все представленные в диссертационной работе модели аэрологических и теплофизических процессов реализованы численно в программновычислительном комплексе АэроСеть и интегрированы в программноинтерфейсный модуль План ликвидации аварий, предназначенный для практического использования разработанных моделей вентиляционных процессов применительно к прогнозу, профилактике и борьбе с рудничными авариями.
Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1) Математическое моделирование работы эжекторных установок при проветривании подземных выработок / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Известия ВУЗов / Горный журнал, №2. - 2004. - С. 39-44;
2) Моделирование нестационарных процессов распространения газовых примесей по выработкам рудника в условиях рециркуляционного проветривания / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, №1. - 2006. - С.
95-101;
3) О температуре крепи вентиляционных стволов при реверсировании главных вентиляторных установок / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Безопасность труда в промышленности, №10. - 2006. - С. 12-14;
4) Особенности моделирования процесса эжектирования воздуха на базе законов сохранения энергии и количества движения выработок / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Известия ВУЗов / Горный журнал, №2. - 2006. - С. 6872;
5) Математическое моделирование процессов теплообмена рудничного воздуха с горным массивом при пожаре / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №3. - 2006. - С. 94-102;
6) Проветривание калийных рудников с частичным повторным использованием воздуха / Казаков Б.П., Исаевич А.Г., Шалимов А.В. // Известия ВУЗов / Горный журнал, №4. - 2007. - С. 47-52;
7) Моделирование процессов нестационарного теплообмена между рудничным воздухом и массивом горных пород / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №5. - 2007. - С. 77-85;
8) К моделированию сложных аэрогазотермодинамических процессов в атмосфере рудников / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №6. - 2008. - С. 105-111;
9) Совершенствование ресурсосберегающих систем вентиляции рудников Верхнекамского месторождения калийных солей / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Исаевич А.Г., Стукалов В.А. // Горный журнал, №10. - 2008. - С. 81-83;
10) Моделирование аэродинамических сопряжений горных выработок / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Стукалов В.А. // Горный журнал, №12. - 2009. - С. 56-58;
11) Моделирование нестационарных процессов движения воздуха и переноса тепла и примесей по выработкам рудничных вентиляционных сетей в программном комплексе АэроСеть / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е.Л. // Известия ТуГУ, №2. - 2010. - С. 64-68;
12) Моделирование переходных процессов нестационарного воздухораспределения в руднике в аварийных режимах / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Киряков А.С. // Известия ТуГУ, №2. - 2010. - С. 83-88;
13) Проветривание выработок большого сечения с помощью вентиляторных установок, работающих без перемычки / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Левин Л.Ю. // Известия ТуГУ, №2. - 2010. - С. 89-97;
14) Адаптация метода узловых давлений к расчётам воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях / Шалимов А.В. // Известия ТуГУ, №1. - 2011. - С. 95-101;
15) Учет инерционных сил движения воздуха при расчетах нестационарного воздухораспределения в вентиляционной сети / Шалимов А.В., Зайцев А.В., Гришин Е.Л. // Горный информационно-аналитический бюллетень, №4. - 2011. - С. 218-222;
16) Теплообмен вентиляционного воздуха с крепью воздухоподающего ствола и породным массивом / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е.Л. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №5. - 2011. - С. 92-100;
17) Моделирование теплофизических процессов в горных выработках и их влияние на воздухораспределение / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е.Л. // Горный журнал, №7. - 2011. - С. 97-100;
18) Численное моделирование газовоздушных потоков в экстремальных ситуациях и аварийных режимов проветривания рудников и шахт / Шалимов А.В. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №6.
- 2011. - С. 84-92;
19) Разработка энергосберегающей системы автоматического управления проветриванием рудников / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Известия ВУЗов / Горный журнал, №3. - 2012. - С. 57-63;
20) Влияние закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках в условиях рудников ОАО Норильский никель / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Зайцев А.В. / Геология. Нефтегазовое и горное дело // Вестник ПНИПУ, №2, Пермь. - 2012. - С. 110-114;
Патенты 21) Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ АэроСеть. Роспатент, № 2006612154 / Исаевич А. Г.; Казаков Б.П., Круглов Ю. В., Левин Л. Ю., Шалимов А.В.;
22) Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ План ликвидации аварий. Роспатент, № 2011616768 / Гришин Е.Л., Казаков Б.П., Кашников А.В., Киряков А.С., Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Шалимов А.В.;
Публикации в других изданиях 23) К устойчивости плоскопараллельных адвективных течений бинарной смеси / Гершуни Г.З., Мызников В.М., Шалимов А.В. // Вестник Пермского университета, серия физика, вып.2. - Пермь, 1994. - С. 219-224;
24) Plane-parallel advective binary mixture flow stability in a horizontal layer / Gershuni G.Z., Myznikov V.M., Shalimov A.V. // International Journal Heat Mass Transfer, Vol.37, No.15. - 1994. - P. 2327-2342;
25) Устойчивость плоскопараллельных адвективных течений жидких и газовых смесей / Гершуни Г.З., Мызников В.М., Шалимов А.В. // Информационный бюллетень РФФИ, Т.4, № 1. - 1996. - С. 195;
26) Использование нетрадиционных энергоресурсов для нормализации микроклимата калийных рудников / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах промышленных агломераций / Материалы международного симпозиума SRM-95 РАН, Екатеринбург. - 1997. - С. 218-226;
27) Использование нетрадиционных источников энергии при регулировании микроклимата подземных рудников / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Проблемы геотехнологии и недроведения / Тезисы докладов международной конференции. - ИГД УрО РАН, Екатеринбург, 1998. - Т. 3. - С.
105-110;
28) Исследование процессов миграции конденсационных рассолов в выработках рудников / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Горные науки на рубеже XXI века / Материалы Международной конференции 1997 г., Екатеринбург. - 1998. - С. 207-213;
29) Технологические схемы и теоретические основы обработки вентиляционного воздуха в тепломассообменных модулях / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Сборник научных докладов конференции научнопедагогическое наследие профессора И.И. Медведева, Санкт-Петербург. - 1999. - С. 174-179;
30) Динамика воздушных потоков вентиляционного воздуха в верхней части ствола / Шалимов А.В. // Проблемы безопасности и совершенствование горных работ // Тезисы докладов международной конференции, Пермь, 1999. - С. 241-243;
31) The connected task of non-stationary heat exchange between mine air and mining massif / Kazakov B.P., Shalimov A.V. // Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress (Poland). - 2001. - P. 63-68;
32) Ресурсосберегающие системы подготовки рудничного воздуха на основе математической модели нестационарного теплообмена / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов:
тез. докл. Междунар. конф. / ГИ УрО РАН [и др.]. - Пермь, 2001. - С. 19-21;
33) Методика расчета вентиляционной сети при установке в произвольной ветви дополнительного источника тяги / Казаков Б.П., Шалимов А.В // Материалы международной конференции и научной сессии ГИ УрО РАН Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов, Пермь. - 2003.
- С. 193-196;
34) Компьютерное моделирование воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях при наличии в них эжекторных источников тяги / Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых // Сборник докладов научнотехнической конференции, посвящённой 75-летию профессора И.И. Медведева, Кунгур. - 2004. - С. 16-17;
35) Оценка эффективности использования эжекторной установки для организации рециркуляционного проветривания / Шалимов А.В., Куклин А.А.
// Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых // Сборник докладов научно-технической конференции, посвящённой 75-летию профессора И.И. Медведева, Кунгур. - 2004. - С. 18-21;
36) Использование отрицательного регулирования в централизованной системе автоматического управления проветриванием рудника / Шалимов А.В.
// Материалы регионаьной научно-практической конференции Геология и полезные ископаемые Западного Урала, ПГУ, Пермь. - 2005. - С. 342-344;
37) Использование программно вычислительного комплекса АэроСеть для моделирования воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Круглов Ю.В. // Уральский горнопромышленный форум Горное дело. Оборудование. Технологии: Тез.
докл. науч.техн. конф., Екатеринбург, 2006. - С. 26-28;
38) Разработка системы автоматического управления проветриванием рудника с использованием алгоритма оптимизации воздухораспределения / Казаков Б.П., Шалимов А.В., Круглов Ю.В. // Сборник научных докладов конференции Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды, Новосибирск. - 2006. - С. 52-57;
39) Разработка математической модели теплофизических процессов сопряженного тепломассообмена между рудничным воздухом и гигроскопическим горным массивом для вентиляционных сетей сложной топологии / Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. // Региональный конкурс РФФИ-Урал. л Результаты научных исследований полученных за 20год. Сборник статей Пермь-Екатеринбург. - 2008. - С. 173-176;
40) Моделирование переходных процессов нестационарного воздухораспределения в руднике в аварийных режимах / Шалимов А.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов. - 2010. - С. 186-189.
Сдано в печать л___ ____________ 2012 г.
Формат 60х84/16. Тираж л___ экз.
Отпечатано сектором НТИ ФГБУН Горный институт УрО РАН 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле