CC BY
72
B. Kazakov, A. Shalimov, A. Kiriykov
Modeling transient processes of nonsteady air-distribution in mine by emergency
regimes
The algorithm of a method of planimetric charges with reference to calculations non-stationary distribution of air streams is analyzed. It is shown, that the given method can be used without changes in poorly-stationary approach, but should be corrected for calculations of fast transients for the account inertness of air. On the basis of results of the lead numerical experiments it is established, that the method of planimetric charges in the stationary form is unsuitable for modeling movement of air in the emergencies connected with fires, stop or reverser the fan of the main airing, and also in modes of automatic control distribution of air streams a control system.
Key words: nonsteady, transient processes, aerodynamic resistances, air-distribution, inertance, heat pressure difference, reversal, regulation, management.
Получено 22.09.10
УДК 622.445
Б.П. Казаков, д-р техн. наук, зав. лаб., 216-73-86, aero kaz@mi-perm.ru (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),
А.В. Шалимов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., 8912-48-58-977, shalimovav@mail.ru (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),
Л.Ю. Левин, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
(Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН)
ПРОВЕТРИВАНИЕ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОГО СЕЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ БЕЗ ПЕРЕМЫЧКИ
Проведены аналитическое и численное моделирование проветривания горных выработок большого сечения с помощью дополнительных источников тяги. На основании анализа результатов моделирования исследованы условия их эффективного использования. Рассчитаны возможные сценарии движения воздуха в закрытых и открытых одиночных выработках, а также в группах параллельных выработках, сбитых между собой. Определены необходимые для транспортировки воздуха расстояния между вентиляторнымиустановками.
Ключевые слова: эжекционный эффект, рециркуляция, диссипация, турбулентная вязкость, аэродинамические сопротивления, воздухораспределение.
Решение проблемы недостаточной подачи свежего воздуха на удалённые участки рудничных вентиляционных сетей является первостепенной задачей рудничной аэрологии. Для увеличения общего поступления воздуха в рудник наряду с использованием более мощных вентиляторов главного проветривания и вспомогательных подземных вентиляционных установок широкое применение получили компактные маломощные вентиляторы местного проветривания (ВМП). Цель работы такого
вентилятора - перераспределение расходов воздуха, т.е. отбор воздуха с того направления, где его достаточно, и подача его в том направлении, где его не хватает. В большинстве случаев ВМП устанавливается без перемычки, что увеличивает расход прокачиваемого вентилятором воздуха за счёт эжекционного эффекта, возникновение которого имеет место при соблюдении следующих двух условий: 1) аэродинамическое сопротивление проветриваемого участка должно быть достаточно мало (менее 0,01 кмюрг); 2) сечение выработки, в которой установлен ВМП, должно быть достаточно мало для обеспечения стеснённости струи вентилятора (порядка 10 кв.метров и менее). Указанные условия свойственны более всего калийным рудникам, что и явилось причиной широкого использования в них ВМП в качестве эжектирующих установок для улучшения проветривания. В угольных шахтах сопротивления выработок существенно больше (первое условие не выполняется), и потому ВМП без перемычки в них менее эффективны, чем с перемычкой, и используются значительно реже [1].
Второе условие не выполняется в гипсовых шахтах, где сечения выработок рабочей зоны достигают 100 м и более, хотя сопротивления их, напротив, значительно меньше, чем в калийных рудниках. Несмотря на малую величину аэродинамического сопротивления гипсовых шахт, проблема недостаточного проветривания удалённых панелей здесь также как и в других рудниках, стоит достаточно остро. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что ВМП в данном случае не могут быть размещены в перемычке, а реализация эжекционного эффекта в выработках большого сечения оказывается под вопросом. Струя вентилятора, направленная вглубь такой выработки, не достигая стенок выработки и иссякнув, частично или полностью возвращается на всас вентилятора, создавая бесполезную циркуляцию воздуха вокруг источника тяги. Проблема эта получила своё решение в применении последовательной установки ВМП друг за другом, позволяющей уменьшить циркуляцию, снизить утечки воздуха через отработанное пространство и обеспечить подачу воздуха к местам ведения горных работ. На сегодняшний день этот вид совместного включения вентиляторных установок широко используется на шахте ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск».
В связи с необходимостью проведения оценочных расчётов эффективности подобного способа проветривания, возникает задача определения по известным дебитам q0 ВМП необходимого расстояния между вентиляторами 1+10 для обеспечения нужного расхода воздуха по выработке.
Физическая модель перемешивания встречных потоков воздуха (рис.1) основывается на следующих приближениях.
Струя расширяется до половины сечения выработки с неизменным расходом. После раскрытия струи движение воздуха представляет собой горизонтальное движение двух встречных потоков одинакового сечения.
Рис.1. Схема проветривания выработки большого сечения
с помощью ВМП
Уменьшение расхода воздуха после раскрытия струи происходит в результате непрерывного перетекания воздуха из прямого в обратный поток в результате вязкого трения потоков между собой.
Коэффициент турбулентной вязкости на границе потоков моделируется также как и для свободной осесимметричной струи [2].
На расстоянии уменьшения расхода воздуха до О0 ставится следующий вентилятор, передающий воздух дальше, и т.д.
Для определения длины ¡о участка раскрытия струи можно воспользоваться результатами исследований [3], согласно которым стеснённая струя расширяется до 40 % сечения выработки на расстоянии
1 = -02. н
0 tg а/ 2 ,
где Н - высота выработки; а - угол раскрытия струи (обозначения по рисунку).
Для обычной струи а~25°, а для настилающейся - а~10^12°, т.е. 10 настилающейся струи в полтора раза больше, чем обычной. Таким образом, 10~2Н.
Далее определяется интенсивность перемешивания двух встречных потоков воздуха. Пусть АР(х) - перепад давлений по оси у между этими потоками, который приводит к перетеканию воздуха из одного потока в другой (снизу - вверх по рис. 1). В пренебрежении трением при перетекании
Ар(х) = ^V (х) , (1)
где р - плотность воздуха; уу(х) - скорость перетекания, т.е. поперечная со-
^ ( \ ду V
ставляющая скорости воздуха V = ^ Ух,уу ^ . Положив = ^у^ и восполь-
^х ^у
зовавшись уравнением непрерывности —- н----------- = 0 , можно установить
дх ду
связь между продольной и поперечной компонентами скорости:
/і Н дУх
уу(х) = ^^ . (2)
2 дх
Диссипативная функция (потеря энергии в результате трения в единице объёма воздуха в единицу времени)
'дух(хУ 7
. дУ .
где у(х) - турбулентная вязкость воздуха, а производная по у может быть
ду (х) V (х)
представлена как —х-------------------------------------------------------= —- , после чего от частных производных
ду Н/2
можно перейти к обычным, поскольку зависимость по у снимается. За
Д у
время А1 давление Р уменьшится на 8Р = Окї = и— , и в силу симметрии
ух
между встречными потоками можно заключить, что
й(ЬР(х )) 2 Э(х) ру(х)ґ 2ух(х)
и( х) = 2 v( х)
Н
Сх ^(х) ^(х)
После подстановки сюда ДР(х) из (1) и уу(х) из (2) получается нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка для Vх(х):
йл>х(х)й\(х) 16У(х) ( х . (3)
сХ с1х2 Н4 х( )
Коэффициент турбулентной вязкости у(х) в приближении свободной турбулентности согласно [2] определяется по формуле:
/ > 0,013 _ . .
Ч(х) = —^~ Н\^х(х). (4)
Уравнение (3) решается аналитически с помощью замены
/ \ С^х(х) / \ -0 47 х/Н
^(х) = —-—- и имеет экспоненциальное решение Vx(x) = v0e '
Сх
^о^х(х=0) - начальная скорость потока) или для расхода
д(х) = д,е«Л1х/Н , (5)
где д0=д(х=0) - дебит вентилятора.
Учитывая, что х не содержит участок раскрытия настилающейся струи 2Н, выражение для определения необходимого для обеспечения расхода воздуха Q0 по выработке расстояния между ВМП принимает вид
I +10 = 2 Н + — 1п . (6)
0 0,47 О,
3
Пусть Н=10 метров и д0=1500 м /мин (ВМЭ-12А). Из (6) следует, что для обеспечения расхода воздуха 00=500 м /мин вентиляторы необходимо расположить на расстоянии 1+10 не далее 45 метров друг от друга. Если достаточен расход 00=150 м /мин, то 1+10 может быть увеличено до 70 метров.
Наряду с представленной аналитической моделью проветривания отработанного пространства гипсовых рудников была проведена серия численных экспериментов в программном комплексе 8оМШогк^, позволяющем моделировать движение воздуха на основе численного решения уравнений гидродинамики турбулентной среды. Представленные на рис.2 расчётные значения траекторий движения воздуха и величины эжекционного напора от вентилятора ВМЭ-12А в открытой (на входе и выходе задано атмосферное давление) выработке диаметром 10 ми длиной 500 м определяют несколько иной характер движения воздуха. Циркуляционный вихрь протяжённостью 30 метров ужимает сечение выработки в несколько раз, играя тем самым роль камеры смешения. Вихрь «питается» энергией струи, но всасывающий воздух на вентилятор не возвращает. Таким образом, имеет место «сквозное» проветривание с явно выраженной эжекцией воздуха в промежуток между струёй и вихрем с эжекционным напором в 20 Па. Расход воздуха при этом увеличивается почти в 4 раза. Очевидно, что такой «сценарий» движения воздуха может реализовываться только в случае предельно малого аэродинамического сопротивления участка проветривания (в данном случае - сопротивление прямой выработки в 500 метров).
Рис.2. Величина эжекционного напора и траектории потока воздуха в открытой выработке диаметром 10 мс вентилятором ВМЭ-12А
Аналитическая модель, напротив, подходит более для описания проветривания участков большого сопротивления, что подтверждается результатами численного моделирования движения воздуха в закрытой выработке (рис.3). Увеличение сопротивления участка проветривания увеличивает протяжённость вихря, вплоть до семи диаметров выработки (~70 м), возвращая часть воздуха на всас вентилятора (для закрытой выработки на всас вентилятора возвращается весь воздух). Установка следующего вентилятора в конце вихря удлиняет его в два раза (рис.4), увеличивая длину проветривания. Таким образом, с помощью каскада последовательно установленных вентиляторов может осуществляться транспортировка воздуха на произвольные расстояния в выработках с большим аэродинамическим сопротивлением пути замыкания, в том числе и тупиковых.
У
«Л
Рис.3. Скорость и траектории движения воздуха в закрытой выработке диаметром 10 мс вентилятором ВМЭ-12А
Расстояние проветривания вентилятором-эжектором значительно увеличивается, если установлен он в системе сбитых между собой параллельных выработок, характерной для отработанных пространств гипсовых шахт (рис.5). Подобное увеличение дальнобойности струи объясняется возможностью возникновения межходовой рециркуляции, потеря энергии при которой значительно меньше, чем при замыкании струи на всас вентилятора внутри одной выработки. Из результатов проведённого численного эксперимента следует также, что длина пути проветривания растёт с увеличением числа параллельных выработок по причине уменьшения аэродинамического сопротивления замыкания рециркуляционных потоков. Следует заметить, что основные потери энергии при таком движении приходятся на местные сопротивления, связанные с процессами смешения разделения и сужения-расширения потоков воздуха при прохождении ими сбоек между выработками.
У
*4
Рис.4. Скорость и траектории движения воздуха в закрытой выработке диаметром 10 мс двумя последовательно установленными через 50 м вентиляторами ВМЭ-12А
Для обобщения результатов численного моделирования проветривания отработанных пространств гипсовых шахт могут быть использованы полученные в [4] теоретические зависимости для определения узловых сопротивлений, позволяющих представить вышеизложенные процессы движения воздуха в контексте стандартных методов расчёта воздухораспреде-ления в вентиляционной сети [5].
_ 0.3 _ О.В _ 0.4
ШЛ. 0.2 о
Скорость [м/сек]
X
и,
Рис. 5. Скорость и траектории движения воздуха в закрытой системе трёх параллельных выработок диаметром 10 м, сбитых через 50 м,
с вентилятором ВМЭ-12А
На рис.6 представлены результаты численного моделирования скорости движения воздуха по группе открытых выработок (900 м) отработанного пространства - 5 параллельных выработок, сбитых через 50 м. Скоростного напора потока хватает примерно на 250 метров пути, в ходе которого через сбойки происходят утечки в параллельные выработки. Через 300 метров поток плавно растекается по выработкам, уже не меняя направления, что и является предельным оценочным местом установки следующего вентилятора для проталкивания воздуха дальше.
Рис. 6. Скорость движения воздуха в группе 5 параллельных открытых выработок диаметром 10 м, сбитых через 50 м, с вентилятором
ВМЭ-12А
Таким образом, представленные результаты являются качественными и количественными оценками возможности проветривания протяжённых выработок большого сечения с помощью ВМП по минимуму (аналитическая модель) и по максимуму (численный эксперимент).
Список литературы
1. Дейли Дж, Харлеман Д. Механика жидкости. М.: Энергия, 1971. С. 480.
2. Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. Л., 1978. С. 240.
3. Казаков Б.П., Стукалов В.А., Шалимов A.B. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. №12. 2009. С. 56-58.
4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «АэроСеть», № 2006612154 (Роспатент).
B. Kazakov, A. Shalimov, L. Levin
Ventilating large cross-section tunnels with using ventilator working without a brattice
Analytical and numerical modeling airing of mining developments of the large cross-section by means of additional sources of draft is discussed. On the basis of the analysis of results of modeling conditions of their effective utilization are investigated. Possible scripts of movement of air in the closed and open single developments, and also in groups the parallel developments which have been brought down among them are calculated. These are certain necessary for transportation of air of distance between ventilating installations.
Key words: ejection effect, recirculation, dissipation, turbulent viscosity, aerodynamic resistances, air-distribution.
Получено 22.09.10
УДК 622.61:622.33
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор по учебной работе, (4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
A.A. Бухтияров, аспирант, (4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
И.В. Сарычева, магистрант, (4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПТИМИЗАЦИЯ СКОРОСТИ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ УГЛЯ НА ОЧИСТНОМ УЧАСТКЕ ПО ГАЗОВОМУ ФАКТОРУ
Показано, что изменение остаточной газоносности отбитого угля описывается уравнением гиперболического типа с источниками, учитывающими способность угля к измельчению и технические характеристики выемочных машин, а также скребкового и ленточного конвейеров. При этом граничные условия задачи определяются последовательностью технологических операций при выемке угля. Разработан ряд новых теоретических положений для оптимизации параметров транспортирования угля на очистном участке по фактору газовой безопасности.
Ключевые слова: отбитый уголь, газовыделение, метан, скорость транспортирования, оптимизация, математическая модель.
Газовыделение из отбитого угля, с точки зрения фундаментальных положений неравновесной термодинамики, представляет собой процесс релаксации, обусловленный внешними воздействиями на угольный пласт, приводящими к резкому увеличению площади газоотдающих поверхностей. Термодинамическая система «уголь-газ» осуществляет переход к новому более устойчивому состоянию. При этом рост энтропии системы сопровождается внутренним и внешним энерго-массообменом. Интенсивность энерго-массообмена в отбитом угле однозначно связана с предыдущими этапами эволюции системы «уголь-газ» от начального состояния, характеризующегося природной газоносностью угля, до промежуточного состояния, характеризующегося газоносностью призабойной части угольного пласта. Пространственно-временной характер внешних воздействий определяется технологией выемки угля, видом очистного ме-
