Аэрогазодинамические процессы в вентиляционных сетях рудников, обусловленные диффузией газовых примесей
Информация - Геодезия и Геология
Другие материалы по предмету Геодезия и Геология
Аэрогазодинамические процессы в вентиляционных сетях рудников, обусловленные диффузией газовых примесей
вентиляционный сеть рудник газовый
Представлены результаты математического моделирования аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях рудников, обусловленных диффузией газовых примесей. Приведены результаты вычислительных экспериментов и обоснованы подходы к оценке количества воздуха, необходимого для проветривания очистных участков и подготовительных выработок.
Ключевые слова: аэрогазодинамический процесс, рудник, вентиляционная сеть, газовая примесь, диффузия, математическая модель.
Классификация газовых ситуаций. Условно можно выделить несколько уровней опасности по газовому фактору, каждый из которых характеризуется определенным составом шахтного воздуха. Поэтому, разумеется, что в качестве главного признака, определяющего уровень опасности по газовому фактору целесообразно рассматривать максимальные значения нестационарного поля концентраций выделяющихся газов.
Шахтные наблюдения, лабораторные эксперименты, а также результаты математического моделирования свидетельствуют о том, что связь между газовыделением и формированием поля концентраций выделяющихся газов, проявляется в виде взаимообусловленности существования этих явлений, разделенных в пространстве и времени. При этом рассматриваемая связь может относиться по формам детерминизма как к однозначной при математическом моделировании), так и к вероятностной или корреляционной (при натурных наблюдениях и лабораторных экспериментах). В ряде же случаев эта связь может быть рассмотрена как связь функционирования и управления, так как отражает перенос вещества и энергии в горном массиве и свободном воздушном потоке.
Выделив, таким образом, главный классификационный признак и учитывая формы связи между газовыделением в выработки и дальнейшими процессами переноса газов, газовые ситуации можно классифицировать по месту их возникновения; по вероятности взрыва; по пригодности атмосферы горной выработки для дыхания.
По месту возникновения все газовые ситуации целесообразно связать с метанообильными шахтами и негазовыми шахтами и рудниками.
Газовые ситуации по вероятности взрыва можно подразделить на следующие классы: чрезвычайно опасные ситуации (концентрация взрывчатых газов находится между значениями нижнего и верхнего пределов взрывчатости); весьма опасные ситуации (концентрация взрывчатых газов значительно выше верхнего предела взрывчатости, например, при слоевых скоплениях метана); опасные ситуации (концентрация взрывчатого газа превышает ПДК, но меньше нижнего предела взрывчатости); неопасные ситуации (концентрация взрывчатого газа не превышает ПДК).
Газовые ситуации по пригодности атмосферы горной выработки для дыхания людей подразделяются на две категории - это ситуации непригодные для дыхания (концентрация кислорода менее 17 %, или же концентрация токсичных газов выше ПДК); ситуации, соответствующие санитарно-гигиеническим нормам.
Анализируя взаимосвязи газовых ситуаций различных классов и категорий, можно сделать следующие выводы: на метанообильных шахтах газовые ситуации каждого класса по взрывоопасности будут также принадлежать одной из категорий по пригодности атмосферы для дыхания; газовые ситуации на углекислотообильных шахтах и негазовых рудниках также могут быть чрезвычайно опасными, когда в горной выработке происходит резкое нарушение состава воздуха, например, при подземном пожаре и атмосфера становится смертельно опасной для человека.
Предложенная классификация газовых ситуаций служит также и обоснованием в выборе методов их прогноза. Очевидно, что это методы математического моделирования, позволяющее заранее определить поле концентраций газов в конкретной выработке.
Очистные участки шахт и рудников. Особенности прогноза газовых ситуаций на очистных участках заключаются в том, что это по существу фрагменты общей вентиляционной сети с распределенными источниками выделения газовых примесей и поглощения кислорода, поэтому модели рование средней в сечении выработки концентрации сводится к решению задачи сетевой газодинамики. Очевидно, что очистной участок можно рассматривать как вентиляционную сеть, имеющую ветвей и узлов. Процессы переноса в каждой ветви вполне обоснованно можно считать, происходящими за счет одномерной конвективной диффузии, тогда нестационарное поле концентраций в ветвях будет описываться следующим уравнением:
, (1)
где ; ; - концентрация газовой примеси в ветви с номером ; - интенсивность поступления газовой примеси в ветвь с номером ; - скорость воздуха и объем выработки; l - пространственная координата; - смежные узлы, соединяющиеся ветвью .
Начальные и граничные условия для уравнения (1) имеют вид:
для внешних узлов
; ; ; (2)
для внутренних узлов
, , (3)
(4)
где - множество входящих (исходящих) ветвей, смежных с узлом i; - то же для ветвей, смежных с узлом j; - площадь поперечного сечения и длина ветви с номе ром ; - концентрации метана в узлах i и j со ответственно.
Решение уравнения (1) для постоянного начального и переменного граничного условий имеет следующий вид:
(5)
где ; ;
Подставляя (5) в условие