CC BY
53
- © Л.А. Пучков, И.О. Каледина,
С.С. Кобылкин, 2014
УЛК 622.42/.44:658.5
Л.А. Пучков, Н.О. Каледина, С.С. Кобылкин
МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИИ ШАХТ
Предложен новый методологический подход к проектированию вентиляции угольных шахт на основе трехмерного компьютерного моделирования процессов тепломассопереноса, протекающих в шахтных вентиляционно-дегазационных системах. Приводятся примеры решения задач проектирования вентиляции отдельных объектов шахтных вентиляционных систем.
Ключевые слова: аэрогазодинамика шахт, тепловой режим, вентиляция, дегазация.
Методология проектирования вентиляции шахт, официально принятая в настоящее время, определяется положениями нормативного документа «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт» [1] и включает следующие этапы:
• прогноз выделения вредных газов по объектам проветривания (к ним относят проходческие и очистные забои; а также выработки с ленточными конвейерами, используемыми для транспортирования угля);
• обоснованный (с учетом объема выделяющихся вредных газов) выбор схемы вентиляции шахты (соответствует схеме вскрытия шахтного поля), схемы вентиляции выемочных участков (соответствует системе разработки), способа и схемы проветривания подготовительных выработок при проходке и способ проветривания шахты в целом;
• расчет расхода воздуха, необходимого для проветривания по отдельным элементам шахтной вентиляционной системы (расчет производится по нескольким факторам, определяющим эффективность проветривания: разбавление выделяющихся газов до безопасных концентраций, обеспечение допустимой скорости движения, в том числе по пылевому фактору, обеспечение содержания кислорода в воздухе, необходимого для дыхания людей; для камер околоствольных дворов — общешахтных и промежуточных горизонтов — расчет производится по эмпирическим формулам в зависимости от назна-
128
чения камер и характеристик функционирующего в них оборудования); на этом же этапе принимается решение о целесообразности применения дегазации и определение требуемой ее эффективности;
• определение утечек на отдельных участках сети и общешахтных (осуществляется на основе эмпирических зависимостей);
• определение суммарного расхода воздуха, необходимого для проветривания шахты, и расчет распределения воздуха по выработкам шахтной вентиляционной сети;
• расчет депрессии шахты (с учетом топологии сети, аэродинамических сопротивлений горных выработок и необходимых регуляторов для управления воздухораспределением в сети), расчет естественной тяги;
• определение параметров вентилятора (вентиляторов) главного проветривания.
Расчеты последних трех этапов в настоящее время автоматизированы полностью, используемые программы позволяют оптимизировать площади сечений горных выработок по условию минимизации затрат мощности вентиляционных установок, определить устойчивость движения воздуха в диагональных ветвях, рассчитать требуемые сопротивления регуляторов распределения воздуха. Т.е. так называемые сетевые задачи расчета шахтных вентиляционных систем решаются на современном уровне.
Однако, при этом важнейшие этапы, связанные с прогнозом газовыделений, тепловыделений, — т.е. определение исходных данных для расчетов воздуха, — остались практически без нормативно-методической базы [2].
Вопросы нормализации теплового режима шахт вообще не рассматриваются в принятой методологии. Тогда как с увеличением глубины ведения горных работ тепловой фактор приобретает роль более важную даже, чем газовый, так как рост газоносности угольных пластов стабилизируется на глубинах 400-600 м, а рост температуры пород неуклонно продолжается и на глубинах 800-1000 м температура превышает пределы, допустимые для нормального функционирования человеческого организма.
Проектирование дегазации также не вписывается в данную методологическую схему — эта система проектируется отдельно, причем нормативно-методическая база также является недостаточной [3, 4]. В проекте задаются требуемые коэффициенты дегазации, но будут
129
ли они достигнуты — этого ни один проектировщик не знает, т.к. в методиках проектирования дегазации не учитывается влияние важнейшего фактора — времени. В результате, как правило, реальная эффективность дегазации существенно ниже, чем заложенная в проекте вентиляции. В методических нормативах по проектированию дегазации [6, 7] не учитывается также влияние режима проветривания выемочных участков на эффективность дегазации выработанных пространств, что также существенно снижает реальную эффективность применяемых способов и схем [8].
Описанная выше методология не предусматривает также оценку эндогенной пожароопасности выемочных участков, связанную с аэродинамическими режимами фильтрации утечек в выработанных пространствах.
Таким образом, действующие в России методики проектирования вентиляции шахт основаны на эмпирических зависимостях, полученных в 50-60-е гг. прошлого века для технологий, значительно отличающихся от современных. При этом расчеты по газам, по пыли, по тепловыделениям, по скоростям движения воздуха — производятся отдельно по каждому фактору, без учета их взаимного влияния друг на друга. Получаемые результаты дают большую погрешность.
При этом уже сегодня существуют информационные технологии, позволяющие обеспечить решение задач вентиляции с учетом взаимного влияния основных определяющих факторов на основе объемного моделирования процессов тепломассопереноса численными методами с применением высокопроизводительных рабочих станций (кластеров). При этом важны правильная постановка задач исследований, адекватность задания граничных условий протекания физических и физико-химических процессов в горных выработках, изменения их параметров во времени. Такие модели характеризуются высокой степенью достоверности получаемых результатов [9, 10].
Так, на базе программного комплекса лпбуб, разработаны модели добычных участков угольных, сланцевых и гипсовых горных предприятий, модели проходческих участков угольных шахт и рудников (медных, гипсовых). А также созданы аналоги подземных аэрогазодинамических систем объектов метростроя, для которых исследовались нестационарные процессы пульсирующей вентиляции.
Для примера приведем расчет по тепловому режиму в строящемся стволе. Расчет, не имеющий аналогов по методическому обеспечению [5, 10], производился с целью подбора оптимального режима про-
130
ветривания по тепловому фактору. При моделировании учитывались такие процессы как:
• охлаждение массива вентиляционной струей в забое;
• нагревание вентиляционной струи массивом;
• изменение плотности воздуха;
• естественная тяга воздуха в стволе;
• охлаждение вентиляционной струи у устья ствола в зоне вечной мерзлоты;
• отепление ствола в зоне вечной мерзлоты в результате движения теплых масс воздуха от забоя;
Исследуемая модель базируется на уравнении теплового баланса. Трудности изучения процессов, происходящих при проветривании глубоких стволов, заключаются в том, что газовая динамика и теплообмен в них описывается сложной системой нелинейных уравнений в частных производных. Ситуация осложнена тем, что рассматриваемое течение является трехмерным и турбулентным. В реальных условиях велик перепад давления, и в результате существенными оказываются эффекты сжимаемости. Именно поэтому при численном исследовании используются полные уравнения Навье-Стокса и неразрывности. При решении задачи с учетом эффектов теплопроводности и сжимаемости использовалась система уравнений движения сжимаемой среды, теплопроводности, теплопереноса, дополненная уравнением состояния [3].
Граничные условия задавались следующие. В начальный момент времени: Цх = 0, Т = 25 °С, р = 0. На выходе из конца вентиляционного трубопровода задается скорость, температура и направление выходящего потока. На выходе из ствола задается аэростатическое давление. На стенке ствола задается шероховатость — все компоненты вектора скорости равны нулю. Для температуры задаются адиабатические граничные условия:
Ц = 0, Т = Т0 + 0,246у.
Режим вентиляции моделировался в диапазоне допустимых скоростей движения воздуха при нагнетательном способе проветривания от 0,1 м/с до 6 м/с [4].
Моделирование показало неравномерное распределение температуры, как в поперечном, так и в продольном сечении горной выработки. Поток имеет развитое турбулентное течение, что и является причиной неравномерного распределения температуры.
131
Согласно полученным результатам, струя воздуха, поступающего по вентиляционному трубопроводу диаметром 1,8 метров с температурой 15 °С, нагревается до допустимой правилами безопасности температуры 26 °С. В свою очередь, движущийся воздух охлаждает массив горных пород до высотной отметки глубины около 1500 метров, а дальше до устья ствола нагревает массив.
Расчет теплового режима и теплового состояния окружающего массива показал (рис. 1), что при проходке ствола через породный свежеобнаженной массив, когда температура стенок последнего равна естественной температуре породного массива на данной глубине, температура воздуха увеличивается с 15 до 25,5 °С, при этом на глубине 80 м от поверхности температура воздуха составит 23,8 °С.
При значительном времени строительства ствола (боле 1 года), когда следует учитывать процесс теплообмена между горным массивом, окружающим выработку, и вентиляционной струей, минимальная температура воздуха составит 15 °С. Максимальная температура воздушного потока, по расчетным данным, составит 25,8 °С. Средняя по сечению температура воздуха по длине ствола будет находиться в диапазоне от 15,5 до 25,5 °С. При этом минимальная температура пород по длине ствола будет изменяться в пределах от -2 °С (у поверхности) до 28 °С (при максимальной глубине ведения горных работ). Максимальная температура пород по длине ствола с учетом теплообмена с вентиляционной струей составит от 23,7 °С (у поверхности) до 49,5 °С (при максимальной глубине ведения горных работ) (рис. 3).
В естественных условиях на глубине 80 м температура пород составит 0 °С; в период строительства средняя по сечению ствола температура воздуха на глубине 80 м (от поверхности) составит 25,2 °С, и средняя температура пород будет повышаться и достигнет 6 °С, что приведет к оттаиванию массива вокруг строящегося ствола (рис. 2, а).
Нагревание вентиляционного трубопровода, по расчетам, незначительное и составляет порядка 1,5 °С на 500 м. Учитывая высокие теплоизоляционные свойства вентиляционного трубопровода, нагреванием воздуха, движущегося по нему, в расчете можно пренебречь.
Нелинейное изменение температуры воздуха по длине горной выработке (рис. 2, б) обусловлено наличием обратного течения холодных воздушных масс вдоль стенки ствола и изменения физических свойств воздуха в результате фазовых переходов.
132
температура, °С
..5-4.3-2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12131415 1617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253
— Мг
И) >- ч Г
ч \ * 1 \
ч ч У
* у
•1 ч ч \ ■ ]
г •
ч V
ч * ч V 1
Г 1 , V
V >
у N -
» ч"
\ ■Ч
1 \
и
р ч
Г ' >
1 ««
ш п \ ч ч. ч
— • максимальная температура бетона —минимальная температура бетона — — средняя температура бетона максимальная температура воздуха минимальная температура воздуха средняя температура воздуха -максимальная температура массива^ 'минимальная температура массива — • средняя температура массива
Рис. 1. Общий график распределения температуры в массиве пород, в бетонном кольце и в воздухе по длине ствола
Расстояние от забоя 116м(11 166) Расстояние от забоя 282 м (II 332)
Рис. 2. Распределение температуры по сечеиию на глубине 80 м от поверхности (а) и вектора скорости движения воздуха в поперечном сечении ствола (б)
Результаты расчеты показывают, что принятый режим вентиляции удовлетворяет требованиям нормативных документов в части температурного режима и скорости движения воздуха на всей проектируемой глубине.
Аналогично можно моделировать любые более сложные топологически системы, возможные аварийные режимы вентиляции, процессы газовыделения, определяя тем самым границы допустимых состояний системы и требуемые параметры вентиляционного оборудования.
Применение данного подхода позволяет моделировать фазовые переходы в дегазационных трубопроводах, что позволит рассчитывать дегазационные сети и управлять движением метано-воздушной
134
Рис. 3. Распределение температуры по сечению по длине ствола от 1770 до 2100 м (а) и от поверхности до глубины 495 м (б)
б
а
смеси в дегазационной системе, что необходимо для обеспечения подготовки этих смесей к промышленному использованию.
Прямое моделирование сложных аэрогазодинамических, термодинамических процессов в шахтных вентиляционно-дегазационных системах (включая выработанные пространства) на единой информационно-методологической базе позволит обеспечить высокую достоверность проектных решений, режимов и параметров работы вентиляционных и дегазационных установок. При этом возможно рассматривать не только штатные, но и аварийные режимы, а в дальнейшем и обеспечивать оперативное планирование изменения параметров систем вентиляции и дегазации по мере развития горных работ.
135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт / Под обшей ред. М.А. Патрушева. — М.: Недр», 1975. С. 87.
2. Каледина Н.О. Требования к проектированию систем вентиляции высокопроизводительных угольных шахт // ГИАБ. Тематическое приложение «Аэрология». — 2005. — С. 44-56.
3. Каледина Н.О., Малашкина В.А. Диагностика состояния шахтных венти-ляционно-дегазационных сетей. Тезисы докладов. Отчетная конференция-выставка по подпрограмме «Топливо и энергетика» научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 19-20 декабря 2001 г., Москва. — М.: изд. МЭИ. — С. 139.
4. Кобылкин С.С. Требования к системному проектированию вентиляции шахт и рудников // Научно-технический и методический журнал Рациональное освоение недр. — 2013. — № 2. — С. 56-59.
5. Кобылкин С.С., Кобылкин А.С. Вопросы нормирования и измерения теплового режима шахт и рудников Международная молодежная научная школа «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». Т. 2. 19-23 ноября 2012 г. — М.: ИПКОН РАН, 2012 — С. 478-480.
6. РД 15-09-2006 «Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт» Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомномунадзору. Сер. 05. Вып. 14. — М.: Изд. ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2007.
7. Сластунов С.В., Коликов К.С., Мазанник Е.В., Лупий М.Г. Разработка основных технических решений заблаговременной дегазационной подготовки высокогазоносных угольных пластов для условий шахты «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» // ГИАБ. Тематическое приложение «Метан». — 2009. — С. 153-161/
8. ПучковЛ.А. Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах угольных шахт. — М.: Издательство МГГУ, 1995. — 313 с.
9. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Объемное моделирование как метод исследования и управления термо- и аэрогазодинамическими процессами на горных предприятиях // ГИАБ. Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка-2013» — 2013.
10. Пучков Л.А., Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Проектирование вентиляции шахт в рамках единой мультисплитсистемы. Materials of the IV international research and practice conference, Vol. I, Munich, April 10th-11th, 2013 / publishing office Vela Verlag Waldkraiburg — Munich — Germany, 2013. EE
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Пучков Лев Александрович — чл.-корр. РАН,
Каледина Нина Олеговна — доктор технических наук, зав. кафедрой, Московский государственный горный университет, nok52@mail.ru Кобылкин Сергей Сергеевич — кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, sergey@kobylkin.ru
136
