CC BY
36
10. Wang Yixuan A study on the chemical stabilization of Oil Sands Ma-ture Fine Tailings. 2017. Electronic Thesis and Thesis Repository. 4937.
11. Das Braja M. Fundamentals of geotechnical engineering. 4th (fourth) edition // Cengage Learning, Technology & Engineering. 2012. 656 p.
12. Ermolovich EA, Donetsk SV, Ermolovich OV Directional changes in the properties of the water-bearing massif // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2018. № 2. P. 201-211.
13. Ermolovich EA, Donetsk SV, Ermolovich OV Influence of flocculants on the choice of the method of fixing the hydrorefilling array // GIAB. 2016. No. 10. pp. 201-211.
14. GOST 13078-81. Sodium liquid glass. Technical conditions. Moscow: FGUP Standartinform, 2006. 15 p.
15. Golik V.I. Optimization of the normative strength of hardening mixtures when laying voids // GIAB. 1999. №3. Pp. 69-70.
УДК 622.4
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПАНЕЛЕЙ ГИПСОВОЙ ШАХТЫ ЭЖЕКТОРНЫМИ
УСТАНОВКАМИ
Б.П. Казаков, М.А. Семин, С.В. Мальцев
Разработана численная модель для расчета трехмерного течения воздуха в выработке с эжекторной установкой, работающей без перемычки. Проведен анализ закономерностей распределения скоростей и давления воздушного потока в окрестности работающей эжекторной установки. Модель использована для расчета напора, создаваемого эжекторной установкой в выработках широкого сечения шахты «Кнауф Гипс Новомосковск». Определены места размещения эжекторной установки и камеры смешения в сечении выработки, позволяющие добиться максимизации создаваемого ей напора. Камеру смешения следует устанавливать на расстоянии 0-1 м от выходного сечения вентилятора. Размещение эжекторной установки в центре сечения выработки является наиболее эффективным и позволяет увеличит напор на 35 %.
Ключевые слова: вентиляция шахт, гипсовая шахта, эжекторная установка, численное моделирование, ANSYSFluent, напорная характеристика.
Введение
Шахта ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск» с 1949 года ведет разработку Новомосковского месторождения гипса, расположенного в 70 км юго-восточнее г. Тулы. Схема проветривания шахты - центральная. Способ проветривания - нагнетательный. Свежая струя воздуха поступает от главной вентиляторной установки, состоящей из двух вентиляторных агрегатов: первый агрегат-ВОД-ЗОМ, второй агрегат - В-УПДТ-2,4М, расположенных на клетевом стволе. Далее по выработкам околоствольного двора направляется на проветривание камер служебного назначения и очистных камер, расположенных на панелях восточного направления. Исходящая
струя из очистных камер поступает на вентиляционные квершлаги и выдается по скиповым стволам №№ 1-2, грузовому стволу № 3, а также вентиляционному шурфу [1, 2].
Шахтная вентиляционная сеть имеет один горизонт. Горные выработки шахты пройдены с использованием буровзрывного способа. Поперечное сечение панельных и очистных выработок имеет прямоугольную форму, а площадь сечения находится в интервале 120-140 м . Длина панелей составляет 1,5-2 км.
Подача воздуха к местам ведения горных работ обеспечивается практически полностью за счет работы эжекторныхвентиляторных установок местного проветривания (ВУМП), размещенных на панелях и главных направлениях шахты (рис. 1). Напор главной вентиляторной установки тратится на преодоление аэродинамических сопротивленийкалориферной установки и шахтных стволов.
Рис. 1. Схематический вид панели № 15 шахты «Кнауф Гипс
Новомосковск»
ВУМП представляют собой эжекторные установки, находящиеся на почве выработки, работающие без перемычки и имеющие камеру смешения (см. рис. 2).
Ввиду большого поперечного сечения выработок панели и наличия эжекторных установок, работающих без перемычки, распределение скоростей воздуха в выработках панелиявляется существенно неодномерными. Это усложняет теоретический анализ системы вентиляции шахты и делает некорректным прямое применение классического подхода к расчету воз-духораспределения в шахтной вентиляционной сети, основанного на решении системы одномерных уравнений Кирхгоффа 1-го и 2-го рода [3]. Существующие аналитические модели эжекции [4 - 6] в данном случае
также оказываются неприменимы. Модели [4, 5], основанные на законе сохранения энергии, имеют высокую погрешность при малом аэродинамическом сопротивлении выработки, либо же включают в себя большое количество параметров, определяемых эмпирическим путем. Модель [6], основанная на законе сохранения импульса, применима только в том случае, когда струя, выходящая из эжектора, полностью «раскрывается» в сечении выработки. Таким образом, для определения фактического воздухо-распределения в системе выработок шахты становится необходимым привлечение численных методов вычислительной газодинамики в трехмерной постановке. Применение методов трехмерного численного моделирования в рудничной аэрогазодинамике описано, в частности, в работах
Рис.2. Геометрическая модель транспортного штрека панели гипсовой шахты с установленной на ней эжекторной установкой
с камерой смешения
В данной работе разрабатывается численная 3D модель течения воздуха в транспортном штреке большого поперечного сечения с работающей эжекторной установкой. Конечной целью данной работы является определение эквивалентной напорной характеристикиэжекторной установки как функции от суммарного расхода воздуха, проходящего по выработке с учетом неравномерного распределения скоростей воздуха в окрестности эжекторной установки.
Численное моделирование Численное моделирование осуществлялось в программно-вычислительном комплексе AnsysFluent 17.1. Использованная геометрическая модель представлена на рис. 2. Рассматривался участок транспортного
штрека с одной эжекторной установкой. Напорная характеристика эжек-торной установки задавалась посредством задания интерфейса между двумя граничными поверхностями - входным и выходным сечениями вентилятора. Для данного интерфейса задана квадратичная зависимость перепада давления AP от средней скорости воздушного потока в сечении V, рассчитанная исходя из фактической напорной характеристики вентилятора ВМ-6, работающего на угле поворота лопаток 0°.
AP = 2489 + 132,5V - 7,19V2. (1)
Учет главной вентиляторной установки в модели осуществлялся посредством задания фиксированной ненулевой скорости воздушного потока на входе в транспортный штрек.
Течение воздушного потока считалось всюду в режиме развитой турбулентности. Для определения турбулентных характеристик потока использовалась модель standardk-epsilon.
Учет шероховатости стенок горной выработки производился посредством дополнительного слагаемого AB в пристеночной функции [9]
-In(Ey+) - AB ; (2)
u+
к
AB = -ln I 1 + K
к \ 2 у
(3)
гдеЕ = 9,793, к = 0,4 - модельные константа, у+ = ури* / V - безразмерное расстояние от стенки до центра пристеночной ячейки; и+ = ир / и * - безразмерная скорость в центре пристеночной ячейки; и* - скорость трения, м/с; V- кинематическая вязкость, м2/с; ур - физическое расстояние от стенки
до центра пристеночной ячейки, м; ир - физическая скорость в центре
пристеночной ячейки, м/с.
Величина средней высоты шероховатости выработки К подобрано исходя из предварительного расчета таким образом, чтобы соответствовать величине коэффициента аэродинамического сопротивления а = 0,025 кг/м для выработки, пройденной буровзрывным способом.
В области течения воздушного потока (рис. 2) построена нерегулярная тетраэдрическая конечно-объемная сетка. Вблизи стенок выработки, эжектора и камеры смешения сделано измельчение сетки и построен призматический пограничный слой. Характерный размер элементов внутри расчетной области и на стенках определялся таким образом, чтобы полученное численное решение не зависело от сетки.
Численные параметры, использовавшиеся при решении задачи, представлены в табл. 1.
На рис. 3 - 6 представлены результаты численного моделирования течения воздуха в рассматриваемой расчетной области. На рис. 3 показано распределение скорости и статического давлениявоздушного потока в вер-
тикальном продольном сечении штрека, проходящим через ось вентилятора.
Таблица 1
Параметр Величина
Длина, м 200
Площадь сечения выработки, м2 121
Высота выработки, м 11
Средняя высота шероховатости выработки, см 3
Диаметр вентилятора, м 0,6
Диаметр камеры смешения, м 1,4
Длина камеры смешения, м 3
Расстояние от вентилятора до камеры смешения, м 1
Расстояние от вентилятора до боковой стенки вы- 1,6
работки, м
Расстояние от вентилятора до почвы выработки, м 1,6
Скорость воздуха на входе в выработку, м/с 0,2
Интенсивность турбулентности на входе в выработку, % 5
Из рис. 3 видно, что за эжекторной установкой у кровли выработки образуется стационарный циркулирующий вихрь, поддерживаемый за счет кинетической энергии эжектируемой струи.
а)
Статическое давление
[Ра] ■
б)
Скорость ■
[т эл-1]
10 ООО 20.000 (т)
м I
5.000 15.000
Рис. 3. Распределение статического давления (а) и скорости воздуха (б) в вертикальном срединном продольном сечении транспортного
штрека
При дальнейшем удалении от эжекторной установки вихревое возвратное течение воздуха постепенно ослабевает, а поле скоростей выравнивается по сечению. При этом по мере диссипации вихря происходит возрастание статического и полного давления в сечении выработки и соз-даетсянапорэжекторной установки. После выравнивания поля скоростей в поперечном сечении выработки, рост давления сменяется падением, вызванным вязким трением вблизи шероховатых стенок выработок.
Чем ниже задаваемая скорость течение воздуха в выработке, тем большее сопротивление она оказывает быстрой эжектируемой струе итем выше результирующий напор, создаваемый эжекторной установкой.
Полученные поля скорости и давления согласуются с результатами численного моделирования эжекторных установок, представленными в [10].
Проведен анализ раскрытия воздушной струи в сечении горной выработки. Для этого проанализированы распределения скоростей воздуха в поперечном сечении транспортного штрека при различном удалении от камеры смешения (рис. 4).
Рис. 4. Распределение скоростей воздуха в поперечном сечении транспортного штрека при различном удалении от камеры смешения: 1 - 0 м, 2 -10 м, 3 - 30 м, 4 - 50 м, 5 -150 м
Выбранное поперечное сечение смещено к боковой стенке выработки и проходит через ось вентилятора. Получено, что динамический напор от воздушной струи, выходящей из эжекторной установки, оказывает ощутимое влияние на скорость воздуха во всех частях поперечного сечения выработки за эжекторной установкой на расстоянии от нее 0 - 150 м. В части выработки с противоположной стороны от места размещения эжек-торной установки, наблюдается возвратное течение воздушного потока с максимальной скоростью 0,8 м/с.
В работе проведено исследование эквивалентного напора, создаваемого эжекторной установкой, от расстояния между выходным сечением вентилятора и камерой смешения. Эквивалентный напор эжекторной установки считался по следующей формуле:
H = Pt -P -APr = Pt -P -a—V2. (4)
out in fr out in S
Здесь Pin - давление на входе в расчетную область, Па; Pout - давление на выходе из расчетной области, Па; AP/r - потери давления на трение в выработке с такими же геометрией (длиной L, периметром П и сечением S), шероховатостью и скоростью потока на входе, но выключенной эжектор-ной установкой; a - коэффициент аэродинамического сопротивления для выработки без крепи, пройденной буровзрывным методом, кг/м .
Под эквивалентным напором в данном случае понимается напор идеализированной вентиляторной установки, «распределенной» по всему поперечному сечению горной выработки и не нарушающей существенным образом гипотезу об одномерности потока в выработке. Такая идеализированная вентиляторная установка могла бы использоваться при расчете воз-духораспределения в рамках одномерных уравнений Кирхгоффа 1-го и 2-го рода.
Зависимость напора от расстояния между выходным сечением вентилятора и входным сечением камеры смешения представлена на рис. 5. Скорость воздуха на входе в расчетную зону 0,2 м/с.
Следует отметить, что полученные значения эквивалентного напора существенно (на 3 порядка) ниже, чем напор вентилятора ВМ-6. Это связано с большим сечением рассматриваемой выработки и отсутствием у вентилятора перемычки.
Наибольший напор эжекторной установки достигается при установке камеры смешения на расстоянии 0-1 м от выходного сечения вентилятора. При отсутствии камеры смешения, напор эжекторной установки на 10 % ниже.
Напорная характеристика эжекторной установки рассчитывалась как зависимость напора H от расхода воздуха Qin = SVm, задаваемого на-
входе в расчетную область.
Исследование напорной характеристики при различных вариантах установки вентилятора на почве выработки представлено на рис. 6. При размещении эжекторной установки посередине выработки ее напор выше на 20 % по сравнению с вариантом размещения эжекторной установки у стенки выработки. Такое же увеличение напора достигается при «поднятии» эжекторной установки на высоту 5 м над почвой выработки. Наиболее эффективным является размещение эжекторной установки в центре сечения - в этом случае увеличение напора по сравнению с первоначальным вариантом составляет 35 %.
1,4
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Расстояние от вентилятора до камеры смешения, м
Рис. 5. Зависимость напора, создаваемого вентилятором-эжектором,
от расстояния между выходным сечением вентилятора и камерой смешения; рассмотрены различные варианты установки вентилятор на почве выработки: 1 - на расстоянии 1 м от стенки выработки, 2 - на расстоянии 2 м от стенки выработки, 3 - на расстоянии 5 м
от стенки выработки
2
ш.
-2000 О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Расход в выработке, мЗ/ллин
Рис.6. Напорная характеристика вентилятора-эжектора при различных вариантах установки вентилятор: 1 - на почве выработки на расстоянии 1 м от стенки выработки, 2 - на почве выработки на расстоянии 2 м от стенки выработки, 3 - на почве выработки на расстоянии 5 м от стенки выработки, 4 - в центре
сечения выработки
Полученные напорные характеристики использованы при расчете воздухораспределения в вентиляционной сети шахты «КнауфГипс Новомосковск» в аналитическом комплексе «АэроСеть» и подборе мест расстановки вентиляторов-эжекторов для достижения требуемых расходов воздуха на рабочих зонах.
Заключение
В данном исследовании разработана численная модель для расчета трехмерного распределения аэродинамических параметров воздуха в выработке с эжекторной установкой, работающей без перемычки. Модель использована для получения эквивалентных напорных характеристик эжекторных установок в выработках с широким сечением, применимых при расчетах воздухораспределения на базе уравнений Кирхгоффа 1-го и 2-го рода.В работе сформулированы следующие рекомендации для проветривания шахты «Кнауф Гипс Новомосковск»:
1. Камеру смешения следует устанавливать на расстоянии 0 - 1 м от выходного сечения вентилятора. В этой случае достигается наибольший напор эжекторной установки.
2. Зона влияния эжекторной установки на поток в выработке составила для принятых параметров около 150 м.
3. Размещение эжекторной установки без камеры смешения менее эффективно (потеря в напоре 10 %).
4. Размещение эжекторной установки в центре сечения выработки является наиболее эффективным и позволяет увеличит ее напор на 35 %.
5. Размещение эжекторной установки на почве выработки посередине сечения позволяет увеличит ее напор на 20 %.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 1745-590973.
Список литературы
1. Южанин А.С. Применение эжекторных вентиляторных установок в шахте ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск» // Стратегии и процессы освоения георесурсов. 2005. С. 249 - 250.
2. Реконструкция вентиляционной сети гипсовой шахты ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск» /А.Е. Красноштейн [и др.] // Горный журнал. 2003. № 3. С. 24 - 26.
3. Круглов Ю.В., Исаевич А.Г., Левин Л.Ю. Сравнительный анализ современных алгоритмов расчета вентиляционных сетей // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2006. № 5. С. 32 - 37.
4. Алыменко Д.Н. Работа вентиляционной установки комбинированного типа в рудничной вентиляционной сети: дисс. ... канд. техн. наук. 1999. 159 С.
5. Мохирев Н.Н. Исследование работы эжектирующих установок в рудничных вентиляционных сетях: дисс. ... канд. техн. наук. 1974. 217 С.
6. Казаков Б.П., Шалимов А.В. Математическое моделирование работы эжекторных установок при проветривании подземных выработок // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2004. № 2. С. 39.
7. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Объемное моделирование как метод исследования и управления термо- и аэрогазодинамическими процессами на горных предприятиях // ГИАБ. 2013. № 1. С. 149 - 156.
8. Кобылкин С.С. Обоснование метода расчёта параметров вентиляции шахт на основе объёмного моделирования аэрогазодинамических процессов: дисс. ... канд. техн наук. 2011. 161 С.
9. Зайчик Л.И. Пристеночные функции для моделирования турбулентного течения и теплообмена // ТВТ, 1997.Т. 35.Вып. 3. С. 391 - 396.
10. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Левин Л.Ю. Проветривание выработок большого сечения с помощью вентиляторных установок, работающих без перемычки // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 2. С. 89.
Казаков Борис Петрович, д-р техн. наук, гл. науч. сотрудник отдела аэрологии и теплофизики, stasmalcev32@gmail.com, Россия, Пермь, ГИ УрО РАН,
Семин Михаил Александрович, канд.техн. наук, науч. сотр. отдела аэрологии и теплофизики, mishkasemin@gmail.com, Россия, Пермь, ГИ УрО РАН,
Мальцев Станислав Владимирович, инженер отдела аэрологии и теплофизики, stasmalcev32@gmail.com, Россия, Пермь, ГИ УрО РАН
MATHEMATICAL SIMULATION OF GYPSUM MINE BLOCK VENTILATION
USING VENTURI FANS
B.P. Kazakov, M.A. Semin, S.V. Maltsev
A numerical model has been developed to calculate the three-dimensional air flow in the excavation with operated venturi fan. The analysis of steady-state air velocity and pressure distribution near the operating fan is carried out. The model is used to calculate the equivalent pressure-volume characteristic of the venturi fan in the excavation with large cross-section area of the "Knauf Gypsum Novomoskovsk" mine. The optimal locations of the fan and mixing chamber in the cross-section area have been determined; the criterion of op-timality was the maximal increase of air pressure in the excavation after passing the venturi fan. The mixing chamber should be installed at a distance of 0-1 m from the fan exit. As expected, the optimal location of the fan is in the center of the excavation. It allows increasing the air pressure and, consequently, the equivalent head of the fan by 35%in comparison with initial fan location.
Keywords: mine ventilation, gypsum mine, venturi fan, numerical simulation, ANSYS Fluent, pressure-volume characteristic.
Kazakov Boris Petrovich, Doctor of Technical Science, Chief of Researcher Department of Aerology and Thermo-physics, aero_kaz@mail.ru, Russia, Perm, MI UB RAS,
Semin Mikhail Aleksandrovich, Candidate of Technical Science, mishkasemin@, gmail.com, Russia, Perm, MI UB RAS,
Maltsev Stanislav Vladimirovich, Engineer at the Department of Aerology and Thermo-physics, stasmalcev32@gmail.com, Russia, Perm, MI UB RAS
Reference
1. AS Yuzhanin Application of ejector fan units in the mine of OJSC Knauf Gips Novomoskovsk // Strategies and processes of development of geo-resources. 2005. P. 249250.
2. Reconstruction of the ventilation network of the gypsum mine of OAO Knauf Gips Novomoskovsk / AE. Krasnoshtein [and others] // Mining magazine. 2003. № 3. P. 2426.
3. Kruglov Yu.V., Isayevich AG, Levin L.Yu. Comparative analysis of modern algorithms for calculating ventilation networks // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Mountain magazine. 2006. № 5. P. 32-37.
4. Alymenko D.N. The operation of a combined ventilation plant in a mine ventilation network: diss. ... cand. tech. sciences. 1999. 159 C.
5. Mohirev NN Investigation of the operation of ejection plants in mine ventilation systems: diss. ... cand. tech. sciences. 1974. 217 C.
6. Kazakov BP, Shalimov A.V. Mathematical modeling of the operation of ejector plants for ventilating underground workings // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Mountain magazine. 2004. № 2. P. 39.
7. Kaledina NO, Kobylkin S.S. Volumetric modeling as a method of research and management of thermo- and aerogasdynamic processes at mining enterprises // GIAB. 2013. No. 1. P. 149-156.
8. Kobylkin S.S. Substantiation of the method for calculating the ventilation parameters of mines based on volumetric modeling of air-gas dynamic processes: diss. ... cand. technical sciences. 2011. 161 C.
9. Zaychik L.I. Post-wall functions for simulation of turbulent flow and heat transfer // TVT, 1997.T. 35.Vyp. 3. P. 391-396.
10. Kazakov BP, Shalimov AV, Levin L.Yu. Ventilation of workings of a large cross section with the help of fan units operating without a lintel // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2010. Issue. 2. P. 89.
