CC BY
86
---------------------------------------------------- © В.Н. Костеренко, 2011
УДК 622.42/.44:519.87 В.Н. Костеренко
МА ТЕМА ТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЕНТИЛЯЦИИ СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Приведена оценка качественных и количественных изменений в сети, связанных с теплообменными процессами, которые протекают в горных выработках в условиях нестационарных процессов, возникающих в аварийных ситуациях.
Ключевые слова: математическую модель, газодинамический подход, нестационарный процесс, угольная шахта, вентиляционная сеть.
~ИЪ настоящее время как нормаль--Ш.9 ные, так и аварийные режимы проветривания на всех угольных шахтах России рассчитываются с помощью программного комплекса «Рудничная аэрология» (Вентиляция) [1]. Этот программный комплекс содержит большой блок технологических и аварийных задач, позволяющих быстро выполнять необходимые расчёты по обеспечению аэрологической безопасности горных работ при эксплуатации угольных шахт и в ходе ведения аварийно-спасательных работ, проверку эффективности принятых в плане ликвидации аварии вентиляционных режимов и расчёты устойчивости проветривания подземных выработок при пожаре, с учётом прогрева/остывания пожарных газов по пути их следования. С его помощью можно решать задачи оперативного управления проветриванием, определять рациональные пути выхода в безопасную зону людей, застигнутых аварией, и маршруты движения аварийно-спаса-тельных формирований. Учитывается степень задымленности выработок и их проходимость, время включения в изолирующие респираторы и характер нагрузок, который влияет на интенсивность потребления кислорода. Можно визуально на-
блюдать на графической схеме горных выработок движение горнорабочих и распространение дыма в реальном масштабе времени с учётом изменения направления движения воздуха при реверсировании вентиляционной струи [2].
Однако традиционные методы расчёта вентиляции, основанные на законе сохранения объёмных расходов в узлах сети, не описывают целый ряд качественных и количественных изменений в сети, связанных с теплообменными процессами, которые протекают в горных выработках. Проблемы возникают в условиях нестационарных процессов, возникающих при пожарах, внезапных выбросах большого количества метана, при резких изменениях режимов вентиляции. Здесь существующие методы становятся непригодными, так как основаны на решении стационарных уравнений. Поэтому в критических условиях вопросы управления проветриванием при внешних динамических воздействиях становятся особенно важными.
Сложность проводимых расчётов можно оценить на примере возникновения пожара в горной выработке. Так, расчёт характеристик пожара с учётом возможности распространения в смежные выработки выполняется путём рас-
чёта тепловой депрессии в месте возникновения очага пожара по известным методикам [2, 3]. После определения тепловой депрессии производится расчёт аварийного воздухораспределения с учётом остывания пожарных газов по ходу их распространения в горных выработках. Возникающая при этом дополнительная естественная тяга должна автоматически рассчитываться и устанавливаться в соответствующих выработках сети. В результате определяются выработки с возможным опрокидыванием струи и зона загазирования - выработки, в которые попадают пожарные газы. Далее, производится оценка устойчивости проветривания аварийного участка при пожаре в наклонных выработках с восходящим и нисходящим проветриванием. В первом случае программа [1] автоматически производит выбор всех наклонных выработок с восходящим движением вентиляционной струи и поочерёдно проводит моделирование в них пожара с расчётом значения тепловой депрессии через 150 минут от его возникновения. Затем проводится анализ всех выработок, в которых произошло изменение направления движения воздуха. При этом необходимо учитывать, что при опрокидывании струи выше очага пожара пожарные газы могут попасть в выработки со свежей струёй воздуха. Произойдёт рециркуляция продуктов горения и к очагу пожара подойдёт струя воздуха, частично содержащая пожарные газы. Это исключает тушение пожара со стороны свежей струи воздуха. Тогда необходимо рассчитывать новый режим вентиляции и восстанавливать устойчивость проветривания в соответствующих выработках путём создания дополнительного сопротивления ниже очага пожара. Во втором случае, при оценке устойчивости нисходящего проветривания, вычисляется
значение критической депрессии, при которой возможно самопроизвольное опрокидывание вентиляционной струи в выработке с очагом пожара.
Для корректного описания таких сложных процессов предложено применение газодинамического подхода, дающего более детальную информацию об изменении параметров вентиляционного потока. В основе этого подхода лежат уравнения нестационарной газовой динамики, в которых учитываются тепловое расширение потока, трение и конвективный теплообмен газа со стенками выработок, влияние гидростатического давления, а также возможное поступление метана в поток с обнаженных поверхностей выработок [5]. Для проведения расчётов разработан программный комплекс «Нестационарная вентиляция», интегрированный в программный комплекс «Рудничная аэрология» [1], из которого берётся информация о пространственной топологии горных выработок, информация о вентиляционных параметрах выработок и информация о начальном состоянии сети.
Пример изменения параметров вентиляционного потока в горных выработках при возникновении пожара в лаве 52-06 шахты № 7 (ИК «Соколовская», Кемеровская область) показан на рис. 1. Длина лавы 260 м, площадь поперечного сечения 14 м2, угол наклона 16,8 . Расход воздуха через лаву 18 м3/мин (1080 м3/мин).
Развитие очага пожара в нижней части лавы резко изменило проветривание аварийного участка. По результатам расчётов, представленных на
Рис 1. Сеть горных выработок «Шахта № 7»
Рис. 2. Распределение расхода Q и температуры потока Т при пожаре в различные моменты времени: а, в) в выработках ЫИМУ^; б, г) в выработке VI
рис. 2, можно отметить три отличительные особенности, которые невозможно получить в стационарной постановке.
Первая - с возрастанием температуры проходящего через очаг пожара восходящего потока (см. рис. 2, в), увеличивается создаваемая очагом тепловая депрессия, что приводит к увеличению скорости и объёмного расхода воздуха по выработкам I-П-ПЫУ-У аварийного участка (см. рис. 2, а).
Вторая - объёмный расход в выработках П-ПЫУ-У за очагом пожара при
полном остывании пожарных газов до начальной температуры меньше объёмного расхода в выработке I (см. рис. 2, а).
Третья - поступающий из вентиляционного штрека в фланговый ствол поток с увеличивающимся в результате пожара объёмным расходом, создаёт в выработке VI подпор. В результате, в выработке IV в некоторый момент времени происходит опрокидывание вентиляционной струи (см. рис. 2, б).
Таким образом, газодинамический подход [5], способный учитывать нестационарный характер протекающего процесса, позволяет получать бо-
1. Палеев Д.Ю. Программа расчёта вентиляционных режимов в шахтах и рудниках / Д.Ю. Палеев, О.Ю. Лукашов // "Горная промышленность" № 6 (76) сентябрь-октябрь 2007. - С. 20-23.
2. Палеев Д.Ю. Состояние и перспективы внедрения компьютерных программ обеспечения безопасности на угольных шахтах России / Д.Ю. Палеев, Ю.Ф. Руденко, В.Н. Костеренко // Горный информационноаналитический бюллетень. Отдельный выпуск 7. - Москва: МГГУ, 2008. - С. 164-169.
лее точную математическую модель физических процессов вентиляции, чем его стационарный аналог [1].
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Устав ДВГРС по организации и ведению горноспасательных работ// Киев, 1997. -453 с.
4. Рекомендации по определению параметров подземного пожара и выбору эффективных средств его тушения // Донецк: ВНИ-ИГД, 1985. - 96 с.
5. Шрагер Э.Р. Газодинамический метод расчёта нестационарного проветривания угольной шахты / Э.Р. Шрагер, А.Ю. Крайнов, И.М. Васенин, Д.Ю. Палеев и др. // Материалы Всерос. Науч. Конф., посвящённой 100-летию со дня рождения проф. М.С. Горохова. -Томск. ВТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -----------------------------------------------------
Костеренко Виктор Николаевич - начальник Управления аэрологической безопасности подземных горных работ, СУЭК, e-maП:[email protected]
ЧТО ТАКОЕ СПА И КАК ЕГО СОСТАВЛЯЮТ?
СПА — справочно-поисковый аппарат книги, в него входят авторский и алфавитный указатели, глоссарий и список литературы, предметный указатель, хронологические и исторические справки, другие поисковые документы. В учебной литературе СПА используется часто. Составление СПА кропотливая и объемная работа, поэтому многие авторы отказываются ее выполнять. В отсутствие конкурирующих рукописей издательства вынуждены выпускать учебники без СПА.
