Объемное моделирование как метод исследования и управления термои аэрогазодинамическими процессами на горных предприятиях

© Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин, 2013

Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин

ОБЪЕМНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМО-И АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ *

Разработана методика, позволяющая на основе использования разработанных моделей подземных аэрогазодинамических систем выполнять прогноз и анализ термо- газодинамических процессов в горных выработках и в выработанном пространстве для выбора рациональных технических решений по управлению газовыделением и тепловым режимом как при оперативном планировании развития горных работ и реконструкции, так и при разработке проектов вновь строящихся шахт.

Ключевые слова: моделирование, вентиляция, аэрогазодинамика, термодинамика

В современных условиях программу развития угольного предприятия определяют, прежде всего экономические факторы, при этом затраты на безопасность горного производства повышают себестоимость продукции, являются сдерживающим фактором увеличения производственной мощности. Вентиляционные системы шахт как основное средство создания безопасных и комфортных условий работы не обеспечивают в полном объеме необходимую аэрологическую безопасность ведения горных работ и выполнение требований законодательных и нормативных документов, о чем свидетельствует анализ причин аварийности на отечественных горнодобывающих предприятиях.

Отсутствие нормативно-методической основы проектирования вентиляции газообильных шахт и рудников связано с тем обстоятельством, что старые методики прогноза газовыделения

* Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы, Соглашение №14.В37.21.0655.

для расчета необходимого расхода воздуха базировались на эмпирических зависимостях, полученных при производительности в десятки раз меньшей, чем сегодня. Кроме того современные предприятия применяют более сложные схемы вентиляции участков, с многоштрековой подготовкой, для расчета которых методики также отсутствуют.

Для рудников проблемой является расчет вентиляции камер больших объемов, а также проветривание выработок с работающим в них оборудованием с двигателями внутреннего сгорания.

Получение новых эмпирических формул для расчета возможно было бы на основе обработки значительного статистического материала, который может быть предоставлен системами мониторинга состояния атмосферы шахт. Однако действующие нормативные документы по контролю параметров атмосферы шахт не содержат требования фиксации составляющих газового баланса, без чего невозможно проверить достоверность данных, получаемых системой, и увязать их между собой, чтобы выделить влияние основных определяющих факторов. Кроме того, использование эмпирических формул возможно в узком диапазоне параметров, при изменении условий они будут давать большую погрешность.

В этих условиях представляется весьма перспективным способом расчета сложных аэрогазодинамических и термодинамических процессов в шахтных вентиляционных системах на основе трехмерного моделирования с использованием возможностей современных информационных технологий.

Сегодня для этих целей наиболее широко применяется метод конечных объемов, основанный на методе конечных элементов. При этом аппроксимация расчетных полей осуществляется локально на некоторых конечных объемах среды. Положительным моментом этого метода является удобство решения задач течения в областях сложной формы, однако, основной недостаток — требование больших вычислительных ресурсов. Поэтому важное значение имеет создание моделей, позволяющих достаточно точно описать исследуемый процесс при минимально-возможных ресурсах.

Исследования, проведенные в МГГУ, позволили получить решение ряда сложных задач аэрогазодинамики выемочного

участка, включающего фильтрационное течение утечек через выработанное пространство, а также локальных задач термо- и аэрогазодинамики для ограниченных потоков, имеющих место в подготовительных выработках при их проходке.

В основе предлагаемого метода решения лежит многофакторная математическая модель, описывающая конвективную диффузию стратифицированных потоков в горных выработках и в прилегающем к ним выработанном пространстве. При построении математической модели диффузионно-фильтрационного движения рудничного воздуха в горных выработках и в выработанном пространстве была проделана аналитическая работа по обоснованию и определению параметров, учёт которых необходим в математической модели, для снятия ранее вводимых допущений, упрощающих задачу, и, соответственно, снижающих точность результатов.

Для решения математической модели и получения единственного решения уравнения задаются краевые условия протекания процесса переноса в начальный момент времени и на границах потока, а также строится расчетная трехмерная геометрическая форма области течения потока. Разработанный подход к системному проектированию, включает в себя многочисленное количество определенных в работе физических и технологических параметров и констант, ранее не учитываемых при проектировании вентиляции шахт.

Исследования показали [1, 2,] высокую эффективность использования численных методов при решении сложных задач рудничной аэрогазодинамики и необходимость их применения, особенно в сочетании с аналитическими и экспериментальными методами. Предлагаемые методы и модели позволяют решать задачи как научного исследования закономерностей аэродинамики и переноса примесей в атмосфере горных выработок, так и практического обоснования рациональных параметров систем вентиляции шахт, обеспечивающих безопасность ведения горных работ по газовому фактору.

В основе методики проектирования элементов шахтной вентиляционной сети используется численное решение при объемном моделировании аэрогазодинамических процессов конвективной диффузии в стратифицированных потоках [4, 5].

Рис. 1. Алгоритм методики проведения расчетов вентиляции с применением объемного моделирования

Блок-схема алгоритма проектирования приведена на рис. 1. В качестве исходных данных используются горногеологические и технико-технологические параметры, получаемые по данным геологоразведки и принимаемые на стадии проектирования разработки месторождения. В результате чего формируются блоки базы данных I и II, включающие в себя взаимозависимые параметры.

В зависимости от объекта исследования (выемочный участок (рис. 2) или проходческих (рис. 3), включающий выработанное пространство, околоствольной двор и т.д.) на основе планируемых проектных решений по системе вскрытия, подготовки и разработки, а также применяемого технологического оборудования создается трехмерная виртуальная модель в мас-

Velocity Plane 6

5-172

3.598

2.023

0.449

[ms"-1J

1-

Рис. 2. Результаты численного моделирования процессов вентиляции по лаве на шахте им. С.М. Кирова

10.26 9.12

3.42 2.28 1.14

0.00 [m sn-1]

315.08 310.41 305.73 301.06 296.38 291.70 287.03 282.35 277.68 273.00

Вентиляционный ствол с нагнетательным способом провертивания

Распределение скорости движения воздуха в вертикальном сечении ствола

Распределение температуры воздуха и вмещающих пород

Рис. 3. Изменение температурного режима при проходке ствола и изменение температуры окружающей породы

штабе 1:1. Возможно создание как отдельных элементов, так и всего горного предприятия, моделирование всей шахтной вентиляционной сети — от устья воздухоподающего ствола до воздуховыдающего. При этом возможно учесть как работу вен-

тилятора на эту сеть, так и естественную тягу (в том числе при изменяющейся погоде на поверхности).

При расчетах температурного режима необходимо учитывать нагревание и охлаждение от массива вмещающих пород воздушного потока, проходящего по горным выработкам. При этом существующими методиками невозможно учесть нагревание и охлаждение самого массива вмещающих пород, а разработанный авторами подход позволяет это учесть (рис. 3).

Важнейшей задачей при проектировании вентиляции шахт является расчет величины фильтрационных утечек через выработанное пространство [7]. Существующие программные средства [3] не дают возможности оценить скорость фильтрации и направление утечек воздуха в объеме выработанного пространства.

рщ 2,2Э7е+002 1.670е+ОО2

1.118е+002

5.592е+001

Рис. 4. Скорость и направление фильтрационных утечек воздуха в выработанном пространстве

Исследования показали наличие застойных зон, и зон со скоростями фильтрации 0,3—0,4 м3/(мин м2), являющимися опасными с точки зрения возникновения эндогенных пожаров при наличии в этих зонах горючего полезного ископаемого (рис. 4). Очаги самовозгорания угля обычно зарождаются в выработанном пространстве выемочного столба при величине утечек 0,4-0,8 м3/(мин м2).

Натурные исследования [6] подтвердили высокую степень достоверности разработанных моделей: расхождение расчетных значений и результатов шахтных измерений не превышали 15 %.

Заключение

Расчет задач проветривания горных предприятий на основе упрощенных инженерных методик не удовлетворяет современным требованиям. Назрела необходимость в практике научных и проектных расчетов создавать сложные многофакторные математические модели, позволяющие с требуемой точностью описывать аэродинамические и диффузионные процессы в шахтной атмосфере. Решение таких задач является сложной проблемой и возможно только с применением современных вычислительных ресурсов. Практическое применение разработанного авторами методологического подхода к проектированию вентиляции высокопроизводительных газообильных шахт позволяет повысить эффективность проветривания, и на этой основе, обеспечить повышение их производительности и безопасность ведения горных работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каледина Н.О., Кобыпкин С.С. Системное проектирование вентиляции шахт на основе объемного моделирования аэрогазодинамических систем// Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ) — М.: МГГУ, — 2012. — № ОВ 1. — Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка — 2012». — С. 282—294.

2. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Моделирование процессов вентиляции шахт для обеспечения метанобезопасности горных работ. Гонный журнал. М.: - 7.2011 — 101—103 с

3. Кобылкин С.С., Сологуб О. В. Обзор существующих средств программного обеспечения для моделирования вентиляции подземных сооруже-

ний и шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ) — М.: МГГУ, — 2009. — № ОВ 13. — Тем. пр. «Аэрология». — С. 115—133.

4. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Объёмное моделирование аэрогазодинамических процессов как основа расчетов вентиляции шахт / Учреждение Российской академии наук Всероссийский институт научной и технической информации РАН (ВИНИТИ РАН) — М.: ВИНИТИ РАН, — 2011. Деп. в ВИНИТИ №181-В2011, 15 с.

5. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Системное проектирование вентиляции шахт на основе объемного моделирования аэрогазодинамических систем Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка — 2012» — Москва: МГГУ. — 2012 С. 282—294.

6. Кобылкин С.С. Инновационное решение в проектировании вентиляции угольных шахт и рудников Горная техника 2 (10) СПб.: изд. "Славутич" 2012 С. 20—23.

7. Пучков Ё.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. М.: М/ГГУ, 1993. С. 11—206. ВЗШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ-

Каледина Нина Олеговна — доктор технических наук, зав. кафедрой, nok52@mail.ru,

Кобылкин Сергей Сергеевич — кандидат технических наук, доцент, sergey@kobylkin.ru,

Московский государственный горный университет.