CC BY
19
УДК 622.4
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРУДОВ-ОТСТОЙНИКОВ ЗАКРЫТЫХ ФАБРИК ПО ОБОГАЩЕНИЮ УГЛЯ
Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, Д.О. Прохоров, Г.Э. Колесников
Последовательное накопление отходов углеобогащения приводит к росту масштабов пылегазового загрязнения атмосферы. Обоснованы усовершенствованные математические модели воздействия накопившейся угольной пыли на окружающую среду. Интенсивность пылегазовых выбросов в окружающую среду зависит от аэродинамических свойств бывших шламохранилищ. Аэродинамические характеристики шламохранилищ, в свою очередь, определяются их типом, размерами и формой. Моделирование движения воздуха при обтекании шламохранилищ становится одним из основных методов анализа качества предлагаемых экологических решений.
Ключевые слова: обогатительная фабрика, пруд-отстойник, угольная пыль, щламохранилище, скорость ветра, моделирование, уравнения движения.
Угольная отрасль России является доминирующей среди других отраслей промышленности по объему образования и накопления отходов, образующихся в результате добычи и обогащения углей. В настоящее время объем накопленных в отрасли отходов угледобывающего производства составляет около 90 млрд т. Из них отходы углеобогащения составляют более 20 млрд т (рис. 1).
Рис. 1. Шламохранилище обогатительной фабрики г. Прокопьевска
(Кемеровская область)
В России практически во всех основных угольных бассейнах находятся предприятия по обогащению добываемых углей. В настоящее время обогащение углей производится на углеобогатительных предприятиях, суммарная производственная мощность которых составляет около 140 млн т угля в год. При этом годовой объем отходов углеобогащения составит около 15 млн т. Последовательное накопление отходов углеобогащения приводит к росту масштабов пылегазового загрязнения атмосферы, физико-химическому загрязнению водной среды, выведению из хозяйственного оборота значительных площадей земной поверхности [1-4].
Вместе с тем как накопленные, так и образующиеся отходы углеобогащения представляют собой огромный потенциал пылевого загрязнения территорий, прилегающих к выведенным из эксплуатации и закрытым шламохранилищам ликвидированных обогатительных фабрик.
Экологические модели породного отвала и геотехнологических периодов его существования позволили обосновать усовершенствованные математические модели воздействия накопившейся угольной пыли на окружающую среду [5-8]. Интенсивность пылегазовых выбросов в окружающую среду зависит от аэродинамических свойств бывших шламохра-нилищ. Аэродинамические характеристики шламохранилищ, в свою очередь, определяются их типом, размерами и формой. Моделирование движения воздуха при обтекании шламохранилищ ликвидированных угольных шахт и обогатительных фабрик становится одним из основных методов анализа качества предлагаемых экологических решений по защите окружающей среды от их вредных воздействий. Моделирование аэрогазодинамических процессов при обтекании шламохранилищ основывается в общем случае на системе уравнений движения Рейнольдса, описывающей течение воздуха в трехмерной постановке [9 - 11]:
др о / \ — + -(ри1)
дг ^ х ])
д
дх,.
0:
(1)
+-
_о_
дх,.
о
дх
и
ъ (ри) +
Мей'
ди, дх,
V ,
+
—(рН )
дГ '
дР д
д
дх, ди,
дх,.
(* * \ Ри*и* )
др
дхг
2 ди. я
ТМш Т °у
3 дх,
+ +
2 я —ро,, к 3 ]
+
дг дх,
(ри, Н ) =
д
дх,.
X
дТ м{ дк
V
дх,
+SE+
М ей
дм, ди,
дх. V }
дх,
2 ди,- 2 - 3 Ме'й » " 3 ^К
Мейй = М + М^
+ м
дк
дх]
(2)
(3)
(4)
; 1 * * Н = п + — и и + к,
2 ] 1
где р - плотность воздуха; и - компоненты средней скорости воздуха (, = 1, 2, 3); г - время; х,- пространственные координаты; и* - пульсационные скорости (1 = 1, 2, 3); Р - статическое давление воздуха; - энтропия; цей. -эффективная вязкость; ц - динамическая вязкость; ц - турбулентная вязкость; 8у - дельта Кронекера; к - кинетическая энергия турбулентности; Н - полная энтальпия; П - статическая энтальпия.
Для замыкания данной системы уравнений используется полуэмпирическая модель турбулентности, состоящая из двух уравнений переноса: - кинетической энергии турбулентности
д(рк) + д(ри.к) _ д
+ Ц
дг
Г ди ди,
дх,.
дх.
V у
дх.
ди,
дх.
дх
2 "з
г
V
ц + — а
л
дк
рк+ цг
к J
ди,
дх,.
дх
ди,,
I
дх.
+ & +
ре,
(6)
- скорости диссипации кинетической энергии турбулентности
V л
д(ре) + д(ри,е)_ д
дг
дх.
дх.
V
ц + — а
де
+-
к
"е1
ди ди,
дх,
V у
дх,
ди
дх.
рк + Ц
ди.
е
\
дх.
дх
ди,,
I
дх.
+ 5 +
рСе2е
Цг = рСи
к
(7)
(8)
где сц - коэффициент к - е модели турбулентности.
Для описания распределения узлов внутри сеточной подобласти вводится понятие потокового элемента, который по своей сути является конечным элементов и на котором определены функции формы конечного элемента. После применения процедуры интегрирования с использованием теоремы Гаусса, которая предусмотрена в методе контрольных объемов, уравнения (1), (2), (3), (6), (7) примут вид
д дг
д '
d и +|р и^п, = 0;
(9)
—I и \ + ^ри,и^п , =-|Pdnj +|и +
2 ди1
ей"
3 дх{
5и--рб..к \dn
(10)
е
■¿I 1- "II \рйи I+I р =
а г
I
у дг
Г. дТ V, дк Л X-+ г
дх. Ргг дх
V .
йп. +1 $>Ей и
+
1 У
+1
и.
V,
eff
ди, ди.
дх, дх,
V 1 1
2 ди, _ 2 _
3^ аГ8'-1р8'к
+ V
дк
дх.
йп.
(11)
_д_ дг I
|рк йи I + |ри7к йп. = |
+
а
дк
дх.
к у---1
йп. +1 £к й и+
ди, ди,
дх, дх,
V 1 1
ди, 2
дх1 3 V
рк +V,
ди,
дх
ди,,
/ У
дх.
дг
!ре й и + 1рм. е йп. = I
V«
У Я
V,
а
де
е У дх1
йи-|ре йи;
и
йп. + I й и
(12)
+
к
V,
ди дм,
дх,. V 1
+
дх,.
ди,
дх1 3 V
рк + V,
ди,
дх
ди,,
I У
дх,,
рее
, (13)
где се1, се2 - коэффициент к - е-модели турбулентности; йп, - произведение компоненты вектора внешней нормали на площадь октанта в декартовой системе координат.
В качестве объекта моделирования рассмотрена аэрологическая ситуация в районе пруда отстойника Прокопьевской обогатительной фабрики. В соответствии с планом земельного отвода была создана ЭБ-модель рассматриваемой дамбы для пруда-отстойника. Высота дамбы 10 м, глубина 15 м. Начальная ЭБ-модель представлена на рис. 2.
Рис. 2. 3Б-модель рассматриваемой дамбы для пруда-отстойника
«Роза ветров» в районе пруда-отстойника представлена на рис. Э. Стандартный подход метода конечных элементов (через функции формы
конечного элемента) используется для оценки производных всех диффузионных членов. Суммирование проводится по всем функциям формы элемента. Производная от функции формы в декартовой системе координат может быть выражена в виде локальных производных функции формы через якобиан матрицы преобразования координат.
Рис. 3. «Роза ветров» в районе пруда-отстойника
Для повышения устойчивости схемы оценка градиента производится в точках интегрирования, расположенных на пересечении поверхности интегрирования с ребром потокового элемента (линейно-линейная интерполяция). Применение такого подхода снижает степень аппроксимации дЫ / г, и} до первого порядка точности как для ортогонального, так и
для искривленного элемента. В противном случае при оценке градиента в точках интегрирования можно обеспечить второй порядок точности для ортогонального элемента и первый - для искривленного. В случае качественной сеточной дискретизации можно использовать метод со вторым порядком интерполяции диффузионных членов, что снижает схемную вязкость и позволяет более точно и физически обоснованно описывать происходящие процессы [12-14].
Результаты вычислительных экспериментов представлены на рис. 4-6. В настоящее время есть комплексы программных средств для численной реализации предлагаемого алгоритма и численного моделирования движения воздуха при обтекании породных отвалов любой формы.
Ю
Рис. 4. Направление ветра. Апрель. Ветер ЮЗ. Скорость 25 м/с
Рис. 5. Распределение скорости ветра на поверхности дамбы. Апрель.
Ветер ЮЗ. Скорость 25 м/с
Уе1осиу
V'; Iк *^ I?" 1
3.057Е+001
2.2ЭЗВ+001
1.528е+001
7.642е+000
~ О.ОООе+ООО
[т 5М]
С
Рис. 6. Распределение скорости ветра по объему хвостохранилища. Апрель. Ветер ЮЗ. Скорость 25 м/с
Аэрологическая ситуация в качестве примера визаулизации результатов моделирования представлена для апреля, однако расчеты были выполнены для всех месяцев года, а результаты расчетов приведены в таблице.
Расчетная скорость на поверхности шламохранилища
Месяц Направление Средняя Скорость на поверхности
ветра скорость шламохранилища, м/с
ветра, м/с min max
Апрель ЮЗ 25 5,07 30,57
Май ЮЗ 23 4,23 28,12
Июнь СВ 19 3,67 22,12
Июль С 24 3,46 28,59
Август С 23 3,04 27,40
Сентябрь ЮЗ 22 4,55 26,90
Октябрь ЮЗ 35 7,54 42,79
Вычислительные эксперименты показали, что скорость ветра на поверхности хвостохранилища Прокопьевской обогатительной фабрики зачастую в несколько раз превышает скорость трогания пыли, расположенной на внешней поверхности. Полученные результаты визуально демонстрируют, что разработанный алгоритм позволяет очень эффективно воспроизводить картину течения воздуха при различных схемах складирования пород на промплощадках шахт. Следует также отметить тот факт, что поле скоростей в приземном слое достаточно быстро выравнивается, при моделировании конвективно-турбулентной диффузии пыли и газовых загрязнителей можно использовать одномерное уравнение параболического типа, где конвективный член будет определяться скоростью ветра в приземном слое.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленного региона // Известия вузов. Горный журнал. 2010. № 6. С. 32-37.
2. Kachurin N.M. Foundations and results of the monitoring environmental parameters // International Conference on Ecology, Energy, Economy in a Non Linear World. First seminar/ 6-7 November. Belgrade. Serbia. 2009. P. 622.
3. Качурин Н.М., Белая Л.А., Агеева И.В. Концептуальные положения повышения эффективности геоэкологического мониторинга промышленных регионов // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 28-33.
4. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Мелехова Н.И. Рекультивация отвалов отработанных шахт Подмосковного бассейна // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2010. Вып. 1. С. 106-109.
5. Kachurin N.M., Efimov V.I., Komissarov M.S. Construction materials made of mining wastes // International Symposium Sustainable evelopment of Mining and Energy Industry ORRE'11. Zlatibor, 11-15. Septembar, 2011. P. 248-256.
6. Геоэкологические принципы оценки эффективности подземной геотехнологии добычи угля / Н.М. Качурин, В.П. Сафронов, А.Б. Жабин, Е.А. Машинцов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2012. Вып. 1. Ч. 2. С. 24-30.
7. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, Я.В. Чистяков, Л.Л. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 54-58.
8. Породные отвалы ликвидированных шахт Подмосковного бассейна как источник выбросов пыли в атмосферу / Н.М. Качурин, Н.Д. Лев-кин, С.А. Воробьев, Я.В. Чистяков // Экология и промышленность России. 2016. №5. С. 44-48.
9. Аэродинамика породных отвалов и пылегазовые выбросы в атмосферу / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Уголь. 2016. № 2. С. 96-99.
10. Аэродинамика породных отвалов угольных шахт / Н.М. Качу-рин, Г.В. Стась, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 1. С. 23-34.
11. Аэрогазодинамические и теплофизические процессы, обусловленные ликвидацией угольных шахт Кузбасса / Н.М. Качурин, П.В. Васильев, С.А. Воробьев, Л.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2015. Вып. 3. С. 15-23.
12. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, М.В. Змеев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 1. С. 170-181.
13. Грязев М.В., Качурин Н.М., Стась Г.В. Воздействие стоков с породных отвалов шахт угольного бассейна на почвы прилегающих территорий // Устойчивое развитие горных территорий. 2018. Т. 10. № 1. С. 141148.
14. Газообмен выработанных пространств угольных шахт с шахтным воздухом и приземным слоем атмосферы / Р. А. Ковалев, В.И. Сары-
чев, А.Б. Копылов, К.А. Головин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 3. С. 70-81.
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, доц., galina_stas@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корчагина Татьяна Викторовна, канд. техн. наук, ген. директор, ga-lina_stas@,mail. ru, Россия, Кемерово, Сибирский институт горного дела,
Прохоров Дмитрий Олегович, канд. техн. наук, доц., galina_stas@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Колесников Геннадий Эдуардович, зав. отделом, galina_stas@, mail.ru, Россия, Тула, ФГБУ «ЦНМВЛ»
AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF CLOSED FACTOR RESERVOIR PONDS
ON COAL ENRICHMENT
G.V. Stas, T.V. Korchagina, D.O. Prokhorov, G.E. Kolesnikov
The successive accumulation of coal processing waste leads to an increase in the scale of dust and gas pollution of the atmosphere. Improved mathematical models of the impact of accumulated coal dust on the environment are substantiated. The intensity of dust and gas emissions into the environment depends on the aerodynamic properties of the former sludge storages. The aerodynamic characteristics of the slurry storage facilities are in turn determined by their type, size and shape. Modeling of air movement during the flow of sludge storages becomes one of the main methods for analyzing the quality of the proposed environmental solutions.
Key words: concentration plant; settling pond; coal dust; slime storage; wind speed; modeling; equations of motion.
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, docent, galinastas @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korchagina Tatyana Viktorovna, candidate of technical sciences, general director, galina stas @mail.ru, Russia, Kemerovo, Siberian Institute of Mining,
Prokhorov Dmitry Olegovich, candidate of technical sciences, docent, galina stas @,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kolesnikov Gennadyi Eduardovich, head of department, galina_stas@,mail. ru, Russia, Tula, FBGU «CNMVL»
Reference
1. Kachurin N. M., Belaya L. A., Korchagina T. V. geo-Ecological monitoring and environmental impact assessment of the mining region // University news. Mining journal. 2010. no. 6. Pp. 32-37.
2. Kachurin N. M. Foundations and results of the monitoring environment-mental parameters / International Conference on Ecology, Energy, Economy in a Non Linear World. First seminar/ 6-7 November. Belgrade. Serbia. 2009. P. 6-22.
3. Kachurin N. M., Belaya L. A., Ageeva I. V. Conceptual provisions for improving the efficiency of geo-ecological monitoring of industrial regions // life Safety. 2010. no. 5. Pp. 28-33.
4. Sokolov E. M., Kachurin N. M., Melekhova N. I. Recultivation of waste dumps of the Moscow basin // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2010. Issue 1. Pp. 106-109.
5. Kachurin N.M., Efimov V.I., Komissarov M.S. Construction materials made of mining wastes // International Symposium Sustainable evelopment of Mining and Energy Industry ORRE'11. Zlatibor, 11-15. Septembar, 2011. P. 248-256.
6. Geoecological principles of evaluating the effectiveness of underground coal mining geotechnologies / N. M. Kachurin, V. p. Safronov, A. B. Zhabin, E. A. Mashintsov // Izvestiya of the Tula state University. Natural science. 2012. Issue 1. Part 2. Pp. 24-30.
7. Environmental consequences of the closure of Kuzbass coal mines by gas-dynamic factor and hazard of endogenous fires on dumps / N. M. Kachurin, S. A. Vorobyov, Ya. V. Chistyakov, L. L. Rybak // Ecology and industry of Russia. 2015. no. 4. Pp. 54-58.
8. Rock dumps of liquidated mines near Moscow basin as a source of dust emissions into the atmosphere / N. M. Kachurin, N. D. Levkin, S. A. Vorobyov, Ya. V. Chistyakov // Ecology and industry of Russia. 2016. No. 5. P. 44-48.
9. Aerodynamics of rock dumps and dust and gas emissions into the atmosphere / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, A.D. Levin, V. L. Rybak // Coal. 2016. no. 2. Pp. 96-99.
10. Aerodynamics of rock dumps of coal mines / N. M. Kachu-Rin, G. V. Stas, A.D. Levin, V. L. Rybak // Proceedings of the Tula state University. earth science. 2016. Issue 1. Pp. 23-34.
11. Aerogasodynamic and thermophysical processes caused by the liquidation of coal mines in Kuzbass / N. M. Kachurin, P. V. Vasil'ev, S. A. Vorobyov, L. L. Rybak // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2015. Issue 3. Pp. 15-23.
12. Geomechanical and aerogasodynamic consequences of mining territories mining branches of the Eastern Donbass / N. M. Kachurin, G. V. Stas, T. V. Korchagina, M. V. Zmeev // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2017. Issue 1. Pp. 170-181.
13. Gryazev M. V., Kachurin N. M., Stas G. V. Impact of runoff from rock dumps of coal basin mines on the soils of adjacent territories // Sustainable development of mountain territories. 2018. Vol. 10. No. 1. Pp. 141-148.
14. gas Exchange of worked-out spaces of coal mines with mine air and ground layer of the atmosphere / R. A. Kovalev, V. I. Sary-chev, A. B. Kopylov, K. A. Golovin // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2019. Issue 3. Pp. 70-81.
