Моделирование пульсирующего проветривания горных выработок Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин, А.С. Кобылкин, 2011

Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин, А.С. Кобылкин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Приведены результаты моделирования пульсирующей вентиляции в сквозных горных выработках. Приведены основные параметры модели.

Ключевые слова: пульсирующая вентиляция, турбулентность, моделирование, горные выработки,

¥“уульсирующее проветривание является одним из способов -М. ж. предотвращения образования и разрушения местных скоплений метана в горных выработках. Физические основы данного процесса изучаются в МГГУ с 1974 года, начиная с работ Полякова В.А., Ушакова К.З. и др. [1, 2]. В их основе лежит изучение пульсирующей вентиляции как средства борьбы с слоевыми скоплениями метана в сквозных выработках угольных шахт, хотя последними область их применения не ограничивается. Пульсирующее проветривание может обеспечить повышение эффективности дегазации выработанных пространств и экономичности вентиляционных систем за счет повышения перемешивающих свойств вентиляционной струи. Данный эффект используется также в процессах обогащения. В работе представлено применение объемного компьютерного моделирования аэродинамических процессов, протекающих в горных выработках при пульсирующей вентиляции, для последующего исследования влияния пульсаций на закономерности переноса вредных примесей в вентиляционных потоках.

Целью исследований является определение области эффективных и безопасных режимов проветривания на горнодобывающих предприятиях и при строительстве и эксплуатации подземных сооружений: давлений импульса и частоты пульсаций для различных горно-геологических и горнотехнических условий.

Моделирование производится с применение высокопроизводительных вычислительных компьютеров.

Рис. 1. Распределение линий тока скорости движения воздуха при отсутствии пульсаций

Рис. 2. Распределение линий тока скорости движения воздуха при пульсирующей вентиляции

Это позволяет избежать дорогостоящих натурных и физических экспериментов, подобрать рациональные параметры пульсирующей вентиляции и определить режимы проветривания с учетом применения пульсирующей вентиляции.

В основу легло моделирование стохастического процесса проветривания сквозной горной выработки прямоугольного сечения с учетом применения пульсирующей вентиляции. Основные геометрические и физические параметры в данной работе соответствуют условиям натурного эксперимента проведенного Ушаковым К.З. и Филиным А.Э. на Воркутинской шахте [4].

В расчетах турбулентности используется SST модель (Shear Stress Transport, перенос сдвиговых напряжений, Ф. Ментера [5, 6]), в основе которой лежат классические модели “k-s” и “k-ю”, что обеспечивает достаточную точность результатов и эффективную сходимость итерационного процесса.

Основным фактором, определяющим турбулизирующее действие, является энергия волны, выражаемая давлением импульса у выходного патрубка пульсатора равным 1000 Па. Модель описывает открытый участок горной выработки сечением 6 м2 длиной 20 м, в начале которой расположен пульсатор - устройство создающее импульсы давления [3, 4].Частота импульсов при компьютерном моделировании составила 1/2 Гц. Выброс каждой порции воздуха происходит с высокой скоростью 15-50 м/с. Торможение этих порций создает кратковременное повышение давления, в результате чего появляется депрессия, распространяющаяся по выработке и увеличивающая турбулизацию потока (рис. 1, 2).

На рис. 1 представлены линии тока невозмущенного потока. На рис. 2 линии тока при максимальном развитии турбулентности. Из сравнения линий тока видно, что при пульсирующем проветривании существенно повышается перемешивающая способность потока.

Разработанная модель адекватно описывает процесс пульсирующего проветривания. Исследование распределений импульсов при изменении режимов проветривания (частоты импульсов, давления, скорости движения воздуха в горной выработке) позволит в режиме реального времени подобрать наиболее рациональные параметры для разного типа выработок и видов вредных примесей.

1. Ушаков К.З. Газовая динамика шахт. М.: МГГУ, 2004 - 420-472 с.

2. Ушаков К.З. Влияние пульсирующей вентиляции на газовыделение из выработанного пространства // Безопасность труда в промышленности. М.: 1998 -№1

3. Ушаков К.З., Косарев В.Д. Эффективные параметры пульсирующей вентиляции // Безопасность труда в промышленности. М.: 1991 - №9

4. Филин А.Э. Повышение эффективности предотвращения и ликвидации скоплений газа в горных выработках. ФГУП Произвродственно - издательский комбинат ВИНИТИ. М.: 2008 - 272 С.

5. Menter, F. R. (1993), "Zonal Two Equation k-w Turbulence Models for Aerodynamic Flows”, AIAA Paper 93-2906.

6. Menter, F.R. (1994), "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications", AIAA Journal, vol. 32, no 8. pp. 1598-1605. H5H=i

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------

Каледина Нина Олеговна - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой, Кобылкин Сергей Сергеевич - преподаватель,

Кобылкин Александр Сергеевич - аспирант, ассистент,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru