CC BY
34
© А.С. Кобылкин, 2014
УДК 622.8:004.94 А.С. Кобылкин
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ГАЗОВ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Вентиляционные сети шахт и рудников являются сложными системами, как на этапе строительства, так и на этапе эксплуатации горнодобывающего предприятия. Сложность таких систем заключается в разветвлении сетей на сотни ветвей, связанных между собой в определенной последовательности. Наличие таких факторов как: сопротивление трения, лобовые сопротивления, местные сопротивления, приводит к нелинейному характеру движения воздуха по горным выработкам. Поэтому подобрать оптимальный режим вентиляции горнодобывающего предприятия весьма тяжелая и кропотливая работа. Выделение вредных и опасных газов в рудничную атмосферу еще усложняют процесс проветривания шахт и рудников. Одним из решений задачи по обеспечению безопасных условий труда по газовому фактору (увеличению добычи полезного ископаемого, за счет исключения ограничений на внедрении более высокопроизводительного оборудования; исключению остановок по причине взрывов газа и пыли) является компьютерное моделирование. Оно позволяет достаточно точно решать такие сложные задачи, как исследование распределения смеси вредных газов в горных выработках.
Ключевые слова: вентиляция, шахта, рудник, вредные газы, моделирование.
Исследования распределения вредных газов в шахтах, рудниках и других подземных сооружениях, сегодня можно производить путем компьютерного моделирования процессов массопереноса. Под компьютерным моделированием понимается использование программ, решающих системы уравнений [1]. Расчеты рудничных потоков в замкнутом пространстве горных выработок сводятся к решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики с учетом вязкости в постановке Навье-Стокса [2, с. 55].
Для подтверждения достоверности результатов, получаемых путем компью-
терного моделирования, был произведен лабораторный эксперимент и компьютерный расчет [2, с. 40-42, 67, 68].
Проведя лабораторный эксперимент, были получены следующие данные (табл. 1).
При компьютерном моделировании был произведен расчет скорости движения воздуха в местах аналогичных местам при проведении лабораторного эксперимента, результаты представлены в табл. 2.
На основе анализа полученных данных и сравнения результатов установлено, что математическая модель адекватно описывает процессы мас-сопереноса в горных выработках.
Таблица 1
Результаты замеров скорости движения воздуха
Места замеров Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Точка 6 Точка 7 Точка 8 Точка 9
Скорость движения воздуха, м/с 0,34 0,33 0,33 0,32 0,25 0,18 0,01 0,01 0,01
Рис. 1. Изменение концентрации метана в горной выработке с течением времени
Таблица 2
Скорость движения воздуха по результатам математического моделирования
Места замеров Точка 1 Точка 2 Точка 3 Точка 4 Точка 5 Точка 6 Точка 7 Точка 8 Точка 9
Скорость движения воздуха, м/с 0,337 0,333 0,332 0,314 0,248 0,183 0,01 0,012 0,014
Компьютерное моделирование может решать задачи с изменяющимися во времени параметрами. Так, например, был смоделирован процесс переноса в горной выработке метана при выделении его с поверхности, дальнейшем разбавлением струей воз-
духа (1 м/с) и выносом из выработки, результаты исследований были визуализированы и приведены на рис. 1.
Примером массопереноса различных газов может служить проведенное моделирование массопереноса газа CO рис. 2 и газа SO2 рис. 3.
Рис. 2 Изменение концентрации CO в горной выработке с течением времени
Рис. 3. Изменение концентрации SO2 в горной выработке с течением времени
Рис. 4. Подвесной дизель-гидравлический локомотив DLZ110F
Рис. 5. Модель тупиковой горной выработки с монорельсовой дорогой
Рис. 6. Распределение скорости воздушного потока в призабойной зоне
Одной из практических задач решенных методом компьютерного моделирования процессов массопе-реноса в горных выработках, стала задача по исследованию распределения газов СО и Ы02 при применении дизельного оборудования на шахте «Воркутинская». Для транспортировки людей, материалов и оборудования по капитальным, панельным
транспортным и промежуточным горным выработкам к рабочим местам в очистных забоях используются монорельсовые подвесные дизельные дороги DLZ110F-180-4 фирмы «FERRIT» (рис. 4).
В табл. 3 приведены нормы токсичности дизельных двигателей, под которые подпадает и применяемый дизельный двигатель [3].
т" он *" ОД 0« мвп
с « X с* 0» I 014 О» ^^Я1
Рис. 7. Концентрация СО, выделившегося из двигателя дизельного монорельса
Таблица 3
Нормы токсичности ОГ дизельных дв установленные ЕРА, г/кВт-ч (г/л.с. ч)
Рис. 8. Концентрация NO2, выщеливше-гося из двигателя дизельного монорельса
внедорожных машин Tier 1...3,
Мощность двигателя, кВт (л.с.) Этап Tier Год CO CH NMHC+ NOx NOx Сажа
Tier 3 2008 5,0 (3,7) - 4,7 (3,5) - - "
75...130 (100...175) Tier 1 1997 - - - 9,2 (6,9) -
Tier 2 2003 5,0(3,7) - 6,6 (4,9) - 0,30 (0,22)
Tier 3 2007 5,0 (3,7) - 4,0 (3,0) - - "
130...225 (175...300) Tier 1 1996 11,4 (8,5) 1,3 (1,0) - 9,2 (6,9) 0,54 (0,40)
" Не установлены. Двигатели должны соответствовать нормам Tier 2 по уровню содержаний сажи. Примечание. NMHC - не метановые углеводороды.
Для определения мест скопления газов было выполнено компьютерное моделирование тупикового забоя шахты. Граничные и начальные условия для моделирования выбраны следующими: выделение СО дизельного двигателя составляет 5 г/кВт-ч (0,1125 г/с) и оксидов азота в пересчете на Ш2 6,6 г/кВт-ч (0,1485 г/с).
Была разработана трехмерная модель тупиковой горной выработки с монорельсовой дорогой (рис. 5). Протяженность моделируемой выработки равна 36 м. В ней располагается вентиляционный трубопровод 34 м, его отставание от забоя составляет 2 м. Под кровлей проходит монорельс подвесной дизель-гидравлического локомотива ОЬ7110Е
Проведя расчет, были получены результаты по скоростным харак-
теристикам токов воздуха (рис. 6), по распределению газов в горной выработке (рис. 7, рис. 8), по давлению и др.
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что выделяющиеся выхлопные газы из дизельного двигателя подвесного монорельса при данных условиях скапливаются в непосредственной близи к выхлопному патрубку: СО - на расстоянии до 19 см и ЫО2 - до 8 см.
Возможность решения таких сложных задач, как исследование распределения смеси вредных газов в горных выработках подчеркивает целесообразность использования компьютерного моделирования процессов массопереноса применительно к шахтам и рудникам [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Моделирование процессов вентиляции шахт для обеспечения метанобезопасности горных работ // Горный журнал. - 2011. - № 7. -С. 101-103.
2. Кобылкин А.С. Обоснование параметров систем вентиляции горных выработок при их проходке с использованием пульсиру-
ющего режима проветривания. Дисс. к.т.н. -М., 100 с.
3. Станкевич П. http://exkavator.ru/ агИс1еБ^еБ1дпег/^=6952.
4. Кобылкин С.С. Требования к системному проектированию вентиляции шахт и рудников // Рациональное освоение недр. -2013. - № 2. - С. 56-59. [¡233
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Кобылкин Александр Сергеевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: [email protected], ИПКОН РАН.
UDC 622.8:004.94
ANALYSIS OF DISTRIBUTION OF HARMFUL GASES IN MINE ROADWAYS USING COMPUTER MODELING
Kobylkin A.S., Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: [email protected],
Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences.
Ventilation network of mines are complex systems, as in the construction phase and the operational phase of the mining enterprise. The complexity of such systems consists in branching networks hundreds of branches interconnected in sequence. Factors such as: friction drag, drag, local resistance, leads to a nonlinear nature of air movement in mine workings. Therefore, to choose the optimal ventilation mode mining enterprise very hard and laborious work. Emission of harmful and dangerous gases in the mine atmosphere even complicate the process of ventilation of mines. One solution to the problem to ensure safe working conditions for the gas factor (increase in mining, by eliminating restrictions on the introduction of more efficient equipment; exclusion stops due to explosions of gas and dust) is a computer simulation. It allows sufficient accuracy to solve complex tasks such as the study of the distribution of a mixture of harmful gases into the mine workings.
Key words: ventilation, mine, harmful gases, computer simulation.
REFERENCES
1. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Gornyi zhurnal. 2011, no 7, pp. 101-103.
2. Kobylkin A.S. Obosnovanie parametrov sistem ventilyatsii gornykh vyrabotok pri ikh prokhodke s ispolzovaniem pul'siruyushchego rezhima provetrivaniya (Substantiation of drivage ventilation system parameters using intermittent airing mode), Candidate's thesis, Moscow, 100 p.
3. Stankevich P. http://exkavator.ru/articles/designer/~id=6952.
4. Kobylkin S.S. Ratsional'noe osvoenie nedr, 2013, no 2, pp. 56-59.
A
