close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Прогноз аэрогазодинамических процессов в подготовительных выработках большого поперечного сечения для совершенствования расчета количества воздуха

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЛЕВИН Александр Дмитриевич
ПРОГНОЗ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ БОЛЬШОГО
ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА
Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тула -2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Тульский государственный университет», г. Тула.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
КАЧУРИН Николай Михайлович.
Официальные оппоненты:
ГЕНДЛЕР Семён Григорьевич, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО "Санкт-Петербургский горный университет"/ профессор кафедры безопасности производств, г. Санкт-Петербург;
АФАНАСЬЕВ Олег Александрович, кандидат технических наук,
ООО Компания «Лидер-Экспресс»/ менеджер по логистике , г. Тула.
Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва.
Защита диссертации состоится «29» сентября 2016 г. в 1400 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6-й
уч. корпус, ауд. 220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула,
просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872) 35-81-81.
Автореферат разослан « 18» июля 2016 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
Стась Галина Викторовна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Устойчивое обеспечение потребностей страны во всех
видах минеральных ресурсов, топлива и энергии будет по-прежнему осуществляться за счет увеличения добычи полезных ископаемых. В настоящее время активно развивается добыча угля, руды и нерудного сырья
подземным способом. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития
страны. При этом предполагается обеспечить высокий уровень промышленной безопасности в угольной отрасли.
Высокие темпы развития добычи полезных ископаемых подземным
способом предъявляют особые требования к обеспечению эффективного
и безопасного проведения выработок большого поперечного сечения.
Главным фактором обеспечения безопасности проходческих работ является достоверный прогноз аэрогазодинамических процессов, позволяющий правильно рассчитать количество воздуха необходимого для проветривания подготовительных выработок. Особую сложность представляет
решение этой научно-технической задачи для выработок большого поперечного сечения. В условиях рыночных отношений достоверность прогноза безопасности горных работ по аэрологическому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью
горных работ по аэрологическому фактору приводит к несчастным случаям и крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт и рудников. С другой стороны, системный подход к данной проблеме может
уменьшить вероятность возникновения аварий, а достоверный прогноз
аэрогазодинамических ситуаций может существенно снизить расчетное
количество воздуха для проветривания подготовительных выработок
большого поперечного сечения, что уменьшает эксплуатационные затраты на их вентиляцию при строительстве шахт и рудников.
Особую актуальность эта проблема приобретает для подготовительных
выработок, проводимых по газоносным горным породам с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя. Российскими учеными разработаны научные основы расчета количества воздуха в горных выработках, основанные на использовании фундаментальных законов термодинамики, что существенно повышает точность расчета. Однако практика показывает, что существующие методы расчета количества воздух для проветривания подготовительных выработок большого поперечного сечения
4
требуют дальнейшего совершенствования. Следовательно, изучение аэрогазодинамических процессов в подготовительных выработках большого
поперечного сечения для совершенствования методики расчета количества воздуха представляет исключительную актуальность для шахт и рудников России.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим
планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минеральносырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы
«Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег.
номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт №
02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей газообмена горного массива с атмосферой подготовительной выработки большого поперечного сечения для совершенствования методики расчета количества
воздуха и прогноза газовых ситуаций.
Идея работы заключается в том, что совершенствование методики
расчета количества воздуха в подготовительных выработках большого
поперечного сечения основывается на математических моделях движения
воздуха и моделировании аэрогазодинамических процессов, основанных
на уравнениях диффузионного переноса газов и уравнениях движения О.
Рейнольдса, описывающих газовыделение и перенос газов в трехмерном
пространстве.
Основные научные положения состоят в следующем:
 динамика газовыделения с поверхности обнажения газоносного
горного массива в подготовительные выработки большого поперечного
сечения, удовлетворительно описывается решениями линеаризованных
уравнений параболического типа с источником, учитывающим динамику
десорбции газа, а максимальное значение абсолютной газообильности
имеет место при достижении проектного времени проведения данных выработок;
 взаимодействие кислорода с веществом горных пород в массиве
представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию, а перенос
кислорода к реагирующим поверхностям вещества полезного ископаемого посредством фольмеровской и кнудсеновской диффузии провоцирует
их взаимодействие, и являются причиной уменьшения содержания кислорода в атмосфере горной выработки;
5
 динамический метод расчета количества воздуха для капитальных
подготовительных выработок основывается на решении одномерного
уравнения стационарной конвективно-турбулентной диффузии, с учетом
утечек воздуха из вентиляционного трубопровода, а аэрогазодинамические ситуации следует моделировать на основе численных решений уравнений движения О. Рейнольдса;
 для прогнозирования аэрогазодинамической ситуации в строящихся
подготовительных выработках необходимо создавать математические модели аэродинамических режимов работы ВМП с использованием точных
аппроксимаций аэродинамических характеристик и потребляемой мощности от производительности вентиляторов.
Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:
 усовершенствована методика аналитического описания рабочих
характеристик вентиляторов местного проветривания, отличающаяся тем,
что используется программные средства для преобразования графически
заданных характеристик в цифровую базу данных, которая позволяет подобрать высокоточные аппроксимации;
 обоснован процесс 3d-моделирования аэрогазодинамических потоков в программном комплексе Solidworks, который позволяет визуализировать и моделировать воздушные потоки, в строящихся подготовительных выработках большого поперечного сечения;
 уточнены математические модели движения газовых примесей в
выработках, имеющих большую площадь поперечного сечения, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на
основе установленных закономерностей динамики газовыделений, входящих в уравнение конвективно-турбулентной диффузии.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
 корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, статистики и современных достижений вычислительной математики и средств вычисления;
 обработкой большого объема экспериментальной информации по
характеристиках современных вентиляторов местного проветривания, позволяющих выработать методику замены графических характеристик вентиляторов математическими функциями;
 значительным объемом вычислительных экспериментов.
Практическая значимость работы заключается в уточнении закономерностей газообмена в атмосфере подготовительных выработок, в про-
6
цессе их строительства, моделировании аэрогазодинамических ситуаций
и визуализацией последствий принимаемых решений, а также разработке
программных средств для выбора вентилятора местного проветривания и
мониторинга его режима работы, которые повышают эффективность проектирования вентиляции подготовительных выработок большого поперечного сечения и обеспечивают высокий уровень аэрологической безопасности.
Личный вклад автора заключается в следующем: разработаны математические модели газообмена горного массива с атмосферой подготовительной выработки большого поперечного сечения и формирования газовой ситуации; усовершенствована методика расчета количества воздуха; проведены вычислительные эксперименты и получены приближенные
зависимости для инженерных расчетов.
Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы
при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР в Тульском государственном университете. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий и
охране труда.
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и
строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2016 гг.), на
научно-технических советах АО ХК «СДС-Уголь» (г. Кемерово, 20132015 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорскопреподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2016 гг.); Научнопрактической конференции, посвященной 25-летию Горного института
УрО РАН «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (г. Пермь, 2013 г.) , 10-й и 11-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2014 - 2015 г.); 5-th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION (10 - 13. June 2015.
Vrdnik, Serbia).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей, из них 2 статьи опубликованы в изданиях, входящих в международную систему цитирования “Scopus”, и 2 статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
7
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 171 страницах
машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 9 таблиц, 79 рисунков, список литературы состоит из 121 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Современные методы прогноза аэрогазодинамических процессов в
подготовительных выработках большого поперечного сечения и расчета
количества воздуха являются результатом исследований, выполненных
научными школами ИПКОН РАН, ГИ УроРАН, Института угля СО РАН,
ВостНИИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МГГУ, Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ТулГУ и других организаций.
Большой вклад в решение проблемы внесли академик РАН К.Н. Трубецкой, чл. - корреспонденты РАН Л.А. Пучков, Д.А. Рубан, Д.Р. Каплунов,
А.Е. Красноштейн, В.И. Клишин, а также профессора А.А. Айруни, Ю.Ф.
Васючков, С.Г. Гендлер, Н.О. Каледина, Ф.С. Клебанов, Б.П. Казаков,
Н.М. Качурин, И.И. Медведев, А.Э. Петросян, Э.М. Соколов, М.Б. Сулла,
К.З. Ушаков и др. Анализ основных научных и практических результатов,
полученных в различных научных школах, позволил сформулировать
цель и идею работы, а также определить направление дальнейших исследований.
Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.
1. Разработать математические модели газообмена горного массива с
атмосферой подготовительных выработок и изучить конвективнотурбулентный перенос газовых примесей в призабойном пространстве и
по длине рассматриваемых выработок.
2. Обосновать математические модели движения воздуха в выработках, имеющих большую площадь поперечного сечения. Рассмотреть схемы вентиляции выработок большого поперечного сечения в период
строительства и учесть утечки воздуха по длине вентиляционного трубопровода.
3. Обосновать теоретические положения моделирования движения
воздуха в выработках большого поперечного сечения и провести 3dмоделирование аэрогазодинамических для прогноза и визуализации газодинамических ситуаций.
4. Усовершенствовать методику определения параметров аэродинамических характеристик вентиляторов, для автоматизации расчета шахтных
8
вентиляционных сетей, выбора типа вентилятора и оперативного контроля его работы.
5. Усовершенствовать методику динамического расчета количества
воздуха для проветривания подземных выработок большого поперечного
сечения.
Рассмотрены геомеханические условия проведения тоннелей. Произведён обзор способов проходки и проветривания автомобильных и железнодорожных тоннелей. В качестве объекта натурных наблюдений использовались камеры гипсового рудника, сечением 100 м2. Исследовались закономерности движения воздуха в выработках. Полученные вертикальные профили скорости воздуха и его тепло-влажностных параметров в
камерах рудника «Гипс-Кнауф» использованы для обоснования математического описания аэрогазодинамических процессов в горных выработках большого поперечного сечения. Обобщение результатов натурных
наблюдений, а также информация по строящимся тоннелям позволила
представить модель газообмена, при проходке выработок большого поперечного сечения в виде схемы, показанной на рисунке 1.
ГАЗОНОСНЫЙ
ГОРНЫЙ МАССИВ
Газ
Исходящая
вентиляционная
струя
АТМОСФЕРА
ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ
ВЫРАБОТКИ
Кислород
Вентиляционная
система
Приземный слой
атмосферы
Технологический
процесс
Рисунок 1 - Модель газообмена, обусловленная горно-геологическими
условиями, при проходке выработок большого поперечного сечения
Газовыделение в атмосферу подготовительной выработки с единичной
площади обнажения газоносного массива в единицу времени, проводимой
по газоносному массиву, следует определять по формуле:
t

exp()  , (1)
I уд (t )  0,282 0,5 (km p )0,5 ( p02  pc2 )t 0,5   exp(t ) 
d
 0,5
0


9
где , k, m – динамическая вязкость газа, газовая проницаемость и пористость массива соответственно;
p, p0, pc – параметр линеаризации, начальное и граничное давление газа в
массиве соответственно;
,  - параметры, характеризующие скорость десорбции газа.
Взаимодействие кислорода с веществом горного массива происходит
за счет проникновения кислорода в пористую структуру вещества и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. Система внутренних пор является в этом
случае транспортными каналами для проникновения газов внутрь твердого вещества. Обработка результатов вычислений показывает, что диффузионный поток кислорода, проникающего в пористую структуру вещества
горного массива, стремится к некоторому постоянному значению, которое
достигается через достаточно большое время. Это предельное значение
можно определить, как j  cв (uк Dк / к )0,5 , где cв – концентрация кислорода в воздухе; uк, Dк – скорость поглощения кислорода веществом горного массива и коэффициент диффузии кислорода в горном массиве; к –
константа Генри в изотерме сорбции кислорода веществом горного массива.
Моделирование аэрогазодинамических процессов при проветривании
выработок большого поперечного сечения основывается в общем случае
на системе уравнений Рейнольдса, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке, которая состоит
из основных уравнений сохранения. Дискретизация уравнений осуществлялась методом конечных объемов, при этом система уравнений движения принимает следующий вид:
   0 
Vol 
(2)
    u j Δn j ip  0 ;
 Δt  ip
 u  ui0 
0
Vol  i
   (u j Δn j )ip (ui )ip    PΔni ip  S ui Vol 
Δ
t
ip
ip





 u u j  2
u
2


  eff  i 
 eff l ij  ij   Δn j  ;

 x j xi  3
xl
3

ip  





ip
 H  H0 
 P  P0 
0
Vol 

Vol


   (u j Δn j )ip ( H )ip 
Δ
t
Δ
t



 ip
(3)
10
 T  h 

   
 t
Δn j   S E Vol  


Prt x j 
ip  x j
ip
 ip


 ui u j 
 

 
ui eff 
 
 x j xi 


u
2
2
k

 eff l ij  ij   
Δn j 
3
xl
3
x j
 

;
(4)
ip




   0 
t   
0
Vol 

(

u
Δ
n
)
(

)



Δ
n





 

j
j ip
ip
j   S  Vol 
  x j 
ip  

 Δt  ip
 
 ip
  u u j  u 2 
u  u 
i
(5)
  t  i 
    t l  k  Vol  Vol ;

xl  xk 
  x j xi  x j 3 


   0 
t   


0
Vol 
 Δn j   S  Vol 
   u j Δn j )ip ()ip       
  x j 
ip  
 ip
 Δt  ip

 

ul  uk 

   ui u j  ui 2 

(6)
c








c





 1 t


t
 2  Vol ,
    x j xi  x j 3 
xl  xk 



где uj, ui - компоненты средней скорости воздуха (j, i = 1, 2, 3);
t, xj, xi - время и пространственные координаты;
, P - плотность и статическое давление воздуха;
Sui - энтропия, обусловленная течением воздуха со средней скоростью ui;
, eff , t - динамическая, эффективная и турбулентная вязкость соответственно;
ij,  - дельта Кронекера и кинетическая энергия турбулентности;
Н, , Т - полная энтальпия, теплопроводность и температура воздуха, соответственно;
Prt - критерий Прандтля для турбулентного потока воздуха;
SЕ - энтропия, обусловленная диссипацией энергии воздушного потока;
S, S - значения энтропии, обусловленные кинетической энергией воздушного потока и скоростью диссипации этой энергии соответственно;
c, , , с1, с2, с - коэффициенты – модели турбулентности.
В настоящее время существует комплекс программных средств для
численного решения системы уравнений (2) – (6), который был использован для вычислительных экспериментов. На рисунке 2 показаны результаты комбинированного проветривания. Использовались три вентиляци
11
онных трубопровода, центральный трубопровод для нагнетания воздуха и
два симметрично расположенных трубопровода для всасывания.
На рисунке 3 показана выработка площадью 100 м2, количество подаваемого воздуха 18-30 м3/с. Данный алгоритм позволяет очень эффективно воспроизводить картину течения воздуха при различных схемах вентиляции выработок большого поперечного сечения.
Режим работы ВМП при проветривании подготовительной выработки
определяется физическими характеристиками системы «ВМП – ВС».
V
V
Рисунок 2 – Результат моделирования воздушных потоков
в призабойном пространстве подготовительной выработки большого
сечения
Рисунок 3 - Моделирование в системе Flow Simulation. Нагнетательный
способ проветривания (расстояние до забоя 15 м): а) линии тока
(скорость); б) траектории потока; в) образование турбулентных вихрей
Характеристики ВМП, как правило, задают графически. Для определения режима работы ВМП графическим методом совместно решают сле-
12
дующие уравнения: PV  PV  Q  и h  RQ 2 , где PV – давление, развиваемое ВМП; Q – количество воздуха; h – потери давления (депрессия) в ВС;
R – аэродинамическое сопротивление ВС. Однако графический метод обладает существенными недостатками, главным из которых является отсутствие возможности аналитических расчетов и полной автоматизации
вычислений при решении прямых и обратных задач функционирования
системы «ВМП – ВС». Эта проблема сформулирована давно и предложены сравнительно простые зависимости для аппроксимации характеристик
ВМП. Однако точность аппроксимации на всех интервалах устойчивой и
экономичной работы не высока и не связана технологией заводских испытаний и подготовки рабочих паспортов вентиляторов. То есть диспетчеры
должны контролировать режимы работы ВМП на подготовительных участках, оценивая, в том числе, и состояние вентиляционных трубопроводов. А это возможно только при точной аппроксимации всех характеристик ВМП.
Аппроксимация может быть эффективно осуществлена с помощью
комплекса программных средств AutoCAD и Eureqa Pro. Алгоритм решения этой задачи рассмотрен на конкретном примере аппроксимации характеристик вентилятора ВМЭ-12А (рисунок 4).
Рисунок 4 - Аэродинамические характеристики вентилятора
ВМЭ-12А
На рисунке 4 представлены следующие физические параметры ВМП:
PV - давление вентилятора, даПа; Q - производительность (подача) венти-
13
лятора, м /с; 15 ,25 ,35 - углы поворота лопаток вентилятора;  - КПД;
N - мощность вентилятора, кВт.
Изображения аэродинамических характеристик вентилятора ВМЭ -12
переводят в электронный вид. При помощи графически заданной сетки, в
программном комплексе AutoCAD осуществляют поиск пары чисел x и y,
которые являются координатами линий и одновременно исходными данными, необходимыми для программы Eureqa Pro.
Аппроксимация кривых производится ломаными линиями с помощью
специализированной программы Eureqa Pro. Примеры результатов обработки данных по ВМП отечественного производства типа ВЦГ-7М для
угла поворота лопаток 600 имеют следующий вид:
PV  Q  = 603,716+62,151Q2 +4,209cos  7,711Q3  
3
O
O
O
183,652Q  7,841Q3 ,
(7)
N  Q  = 156,003+1,401Q  0,010Q  cos  2,434Q  +5758,599 
2
2
1
cos  Q   58,658  3,266 cos  Q   0,114Q  cos  2,434Q  .
(8)
Были получены аппроксимации характеристик и зависимостей мощности от производительности для различных ВМП (ВЦГ-7М, В1М, В2М,
ВО-11 и др.). Полученные аппроксимации аэродинамических характеристик и зависимостей мощности от производительности ВМП характеризуются значением корреляционного отношения близким к 1. Такая точность аппроксимации позволяет достоверно определять производительность вентилятора. В рабочей точке, которая представляет собой точку
пересечения характеристики давления, развиваемого ВМП, и характери2
стики ВС, справедливо следующее равенство: PВМП (QВМ) = R QВМП . Тогда
зависимость (7) примет вид:
2
3
603,716+  62,151  R  QВМП
+4,209cos  7,711QВМП

3
(9)
183,652QВМП  7,841QВМП
 0,
где QВМП – производительность (подача) ВМП, м3/с.
Решая уравнение (9) получают фактическую или проектную подачу
ВМП (в зависимости от характера инженерной задачи) QВМП. Подставляя
полученную величину в зависимости (7) и (8) определяют давление, развиваемое ВМП PВМП, и потребляемую мощность NВМП, а КПД рассчитыва3
1
ет по общеизвестной формуле ВМП  0,01RQВМП
, где  ВМП - расчетN ВМП
ное значение КПД ВМП. Решение уравнения (9) осуществляют числен-
14
ным методом. Вычислительные эксперименты показали, что целесообразно использовать метод последовательных итераций.
Теоретическое обоснование динамического метода расчета количества
воздуха, необходимого для проветривания горных выработок, основывается на решении стационарных задач диффузии газов в вентиляционных
струях. Для прогноза газовой опасности протяженной горной выработки
большого поперечного сечения использована математическая модель стационарной диффузии газовой примеси в воздухе. Откуда следует, что
формула для расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительной выработки с учетом конвективного переноса газа,
имеет следующий вид:
IТ 1  exp  1 ln 2 
QВМП 
, (10)
1  aLТ   ПДК  cТ exp  1 ln 2   c0 1  exp  1 ln 2 
где 1  1  aLТ  / LТ ; 2  1/ 1  aLтр  ;
IТ – газовыделение в подготовительную выработку;
а - эмпирический коэффициент, характеризующий уменьшение коэффициента доставки воздуха с увеличением расстояния.
с0, c\Т– концентрация газа в свежей струе воздуха и в призабойном пространстве соответственно.
Анализ формулы (10) показывает, что учет процессов конвективного
переноса газа, позволяет уменьшить расчетное количество воздуха для
подготовительных выработок на 30 – 40 %, не повышая при этом уровня
газовой опасности. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении госбюджетных и
хоздоговорных НИР в Тульском государственном университете. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по
аэрологии горных предприятий и охране труда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований уточнены закономерности аэрогазодинамики и газообмена горного массива с атмосферой в подготовительных выработках
большого поперечного сечения, что позволило усовершенствовать методики расчета количества воздуха и прогноза газовых ситуаций с использованием математических моделей турбулентного движения воздуха и
конвективно-турбулентной диффузии газовых примесей, обеспечивающий безопасность подготовительных работ по аэрологическому фактору.
15
Основные выводы и практические рекомендации работы заключаются
в следующем.
1. Разработаны методические положения прогноза аэрогазодинамических процессов в подготовительных выработках большого поперечного
сечения с учетом закономерностей динамики газообмена горного массива
с их атмосферой, позволяющие моделировать турбулентное движение
воздуха, диффузию газовых примесей рассчитывать количество воздуха с
учетом диффузионного переноса и утечек воздуха в вентиляционных трубопроводах.
2. Прогноз газовыделений с поверхности обнажения горного массива
следует осуществлять для времени, соответствующего длительности проведения подготовительной выработки, т.к. этот момент времени соответствует максимальному значению абсолютной газообильности.
3. При поглощении кислорода в выработке для значений коэффициента эффективной диффузии кислорода в горный массив более 10-7 м2/с и
отношения начальной скорости сорбции газов веществом полезного ископаемого в горном массиве к константе Генри более 10-4 1/с нестационарные одномерные поля кислорода представляют собой монотонно убывающие этой функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению, а диффузионный поток кислорода, проникающего в пористую структуру вещества полезного ископаемого в горном массиве, стремится к некоторому постоянному значению.
4. Моделирование движения воздуха в выработках большого
поперечного сечения является одним из основных методов анализа
качества проветривания, при этом моделирование аэрогазодинамических
процессов основывается в общем случае на системе уравнений движения
О. Рейнольдса, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке, которая состоит из основных
уравнений сохранения.
5. Целесообразно дискретизацию уравнений движения осуществлять методом конечных объемов путем представления расчетной
области с использованием многоблочных, неортогональных, адаптивных, структурированных сеток. При этом каждая подобласть
представляется в виде трехмерной матрицы сеточных узлов, а в каждом сеточном узле определены все зависимые переменные. Для
описания распределения узлов внутри сеточной подобласти вводится понятие потокового элемента, который по своей сути являет-
16
ся конечным элементов и на котором определены функции формы
конечного элемента.
6. Результаты вычислительных экспериментов показывают, что разработанный алгоритм позволяет эффективно воспроизводить картину течения воздуха при различных схемах вентиляции выработок с большой
площадью поперечного сечения. Разумеется, следующим этапом является
инженерный анализ результатов моделирования и разработка технических средств для реализации выбранных схем вентиляции.
7. Доказано, что для каждой подготовительной выработки необходимо
создавать математическую модель аэродинамического режима работы
ВМП с использованием точных аппроксимаций аэродинамических характеристик конкретного вентилятора и аппроксимаций потребляемой мощности от производительности вентилятора. Предлагаемый подход к разработке индивидуальных, субъективно уникальных аэродинамических
математических моделей проветривания подготовительных выработок
существенно повысит безопасность горных работ по газовому фактору.
8. Разработан алгоритм моделирования режимов работы ВМП при
проведении подготовительных выработок большого поперечного сечения,
который позволяет решать прямые и обратные задачи местного проветривания в шахтах и рудниках, как на стадии проектирования, так и в шахтных условиях. Для решения инженерных задач разработан комплекс программных средств.
Основные научные и практические результаты отражены в следующих публикациях.
1. Моделирование аэрогазодинамических процессов при проветривании выработок большого поперечного сечения / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, Ф.М. Ботов // Известия ТулГУ. Науки
о Земле. 2015. №1 С.56-64.
2. Качурин Н.М., Левин А.Д., Ботов Ф.М. Аэрогазодинамические процессы при строительстве
тоннелей большого поперечного сечения // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2015. №1 С.46-55.
3. Моделирование движения воздуха в рудниках / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин,
В.И. Ефимов // Безопасность труда в промышленности. 2015. №11. С. 56-62.
4. Theoretical substantiation and practical results of underground workings ventilation simulation
/ N.M. Kachurin, S.A. Vorobev, A.D. Levin, F.M. Botov // Eurasian mining. 2015. №2. P. 35-39.
5. Аппроксимация аэродинамических характеристик вентиляторов местного проветривания при многоцелевом моделировании их работы / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин,
П.В. Васильев // Горный журнал. Промышленная безопасность и охрана труда 2015. №12 С.7679.
6. Моделирование режимов работы систем вентиляции подготовительных выработок / Н.
М. Качурин, С. А. Воробьев, А. Д. Левин, П. В. Васильев // Известия ТулГУ. Науки о Земле.
2016. №1 С.156 - 166.
Изд. Лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать 27.06.2016
Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 1,05. Тираж 100 экз. Заказ
Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр.Ленина, 92.
Отпечатано в Издательстве ТулГу. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа