CC BY
44
- © Д.Ю. Палеев, В.В. Аксенов,
О.Ю. Лукашов, И.М. Васеннн, А.Ю. Крайнов, Э.Р. Шрагер, 2015
УДК 622
Д.Ю. Палеев, В.В. Аксенов, О.Ю. Лукашов, И.М. Васенин, А.Ю. Крайнов, Э.Р. Шрагер
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЯХ СОВРЕМЕННЫХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Чрезмерно развитая сеть горных выработок угольных шахт, сложные геомеханические и газодинамические процессы, инициируемые ведением горных работ, предъявляют повышенные требования к обеспечению безопасного функционирования угольного предприятия. Обеспечить безопасность, как при нормальном технологическом режиме работы шахты, так и в ходе ликвидации аварии сейчас уже невозможно без математического моделирования процессов горного производства.
Ключевые слова: сеть горных выработок, вентиляция, ударная волна, водоснабжение
Подземные аварии периодически происходят во всех угледобывающих странах мира иногда перерастая в катастрофы с большим количеством человеческих жертв. Чрезмерно развитая сеть горных выработок угольных шахт, сложные геомеханические и газодинамические процессы, инициируемые ведением горных работ, предъявляют повышенные требования к обеспечению безопасного функционирования угольного предприятия. Обеспечить безопасность как при нормальном технологическом режиме работы шахты, так и в ходе ликвидации аварии сейчас уже невозможно без математического моделирования процессов горного производства.
В угольных шахтах России, ВГСЧ и проектных институтах в настоящее время применяются программные комплексы, которые интегрируют три наиболее важные направления промышленной
(1рогнчн* (ясчетш нормньчого и
ДкЦЫЙМУО ЙЗДОгМ .. !■ ' .чм.т I '.и в
версия 1.0
Рис. 1. Логотипы программных продуктов
безопасности - вентиляцию, пожарно-оросительное водоснабжение и прогнозирование распределения зон поражения от взрыва в сети горных выработок: «Рудничная аэрология (Вентиляция)», «Расчёт водораспределенияв пожарнооросительной сети шахты (Водоснабжение)» и «Ударная волна» (рис. 1).
Они разработаны на базе фундаментальных исследований сложных физических процессов, современных вычислительных методов и трёхмерной топологии горных выработок в соответствии с маркшейдерскими данными развития горных работ. Следует отметить газодинамический метод расчёта зон поражения при взрывах газа и пыли, который более точно отражает физику формирования, распространения и взаимодействия ударных волн в горных выработках и не имеет аналогов в мировой практике. В отличие от существующих методов расчёт ведётся не для одного переднего фронта затухающей ударной волны, а сразу для всей системы ударных волн, распространяющихся по разветвлённой сети горных выработок. При этом автоматически учитываются все волновые эффекты, возникающие при отражении ударных волн от твёрдых поверхностей и при наложении одной ударной волны на другую (рис. 2).
Применён единый подход к формированию исходной информации. Это позволило математические модели, реализованные в виде программных комплексов, применять последовательно. Причём, взаимосвязь между программными комплексами осуществляется путём взаимного формирования общей информационной базы данных. Осуществлена интеграция применяемых вычислительных алгоритмов и пространственной топологии сети горных выработок.
Рис. 2. Окно отображения текущей информации программного комплекса «Ударная волна»
В последние годы наблюдается повышенный интерес к разработке математических моделей, способных описывать нестационарные процессы проветривания горных выработок. Объясняется это тем, что большую роль в накоплении метана в выработках играют именно нестационарные процессы, которые происходят при изменении режимов проветривания и атмосферного давления. Нестационарные процессы возникают и в аварийных ситуациях при внезапных выбросах метана, при возникновении очагов пожара и их развитии. Существенное влияние нестационарных процессов проявляется в шахтах после взрывов, разрушающих вентиляционные сооружения и горные выработки.
Расчёт проветривания на всех шахтах России в настоящее время проводится на основе стационарного подхода и несжимаемости среды. На базе такого подхода расчёт нестационарных процессов вентиляции принципиально невозможен. Очевидным выходом является решение задачи потокораспределе-
ния с помощью замкнутой системы уравнений газовой динамики для многокомпонентной смеси в нестационарной постановке, учитывающей влияние тепло- и массообменных процессов вентиляционного потока со стенками горных выработок.
В процессе совместных исследований с Томским госуниверситетом сформулированы основные требования к математической модели нестационарной вентиляции угольных шахт и в соответствии с ними сделаны выводы о роли и способах учёта внешних процессов, влияющих на нестационарное течение газа в горных выработках. Проведена проверка работоспособности основных математических моделей и численных алгоритмов. Разработан упрощенный вариант программной реализации математической модели проветривания угольной шахты с учётом массообменных процессов в нестационарной постановке. Расчёты подтвердили эффективность нового подхода и возможность разработки принципиально новой технологии проектирования проветривания угольных шахт.Так, при изменении стационарного режима проветривания в выработках возникает переходный процесс в новое стационарное состояние. Можно выделить два характерных периода: время установления газодинамических параметров скорости и давления, изменения которых распространяются по потоку со скоростью звука (~ 320 м/с), и время переноса компонентов смеси со скоростью потока, которая, по Правилам безопасности, не должна превышать 4 м/с. В результате установление газодинамических параметров в вентиляционной сети происходит за сотни секунд физического времени, в то время как на процесс переноса компонентов затрачиваются часы. Обратное влияние переноса компонентов из-за их небольшой концентрации на поток, как правило, невелико. Поэтому до установления газодинамических параметров их расчет производится совместно с переносом компонентов с шагом по времени, удовлетворяющим условию устойчивости Куранта. После установления — рассчитывается только перенос компонентов потока. В силу особенностей уравнений переноса при малых скоростях течения последний расчет можно проводить с увеличенным шагом по времени, что позволяет в десятки раз сократить время вычислений.
Новый подход учитывает реальную топологию сети выработок угольных шахт (длины и площади поперечных сечений
выработок, переменность площади сечения выработок, углы наклона и сопряжения выработок, выходы на поверхность), характеристики вентилятора главного проветривания, газоот-сасывающие установки, вентиляторы местного проветривания, расположение вентиляционных сооружений, взрывоустойчи-вых перемычек, водоналивных взрывозащитных перемычек, взрывозащитных парашютных перемычек, если они развернуты, искусственно создаваемые при угрозе взрыва завалы выработок, загромождение выработок оборудованием, нестационарный теплообмен потока газа со стенками выработок, мета-новыделение со стенок выработок, перенос локальных скоплений метана, если они заданы в начальных условиях.
Корректное описание нестационарных процессов позволило исследовать изменение характеристик вентиляционного потока в условиях очага пожара и при его реверсировании. Необходимость в реверсировании возникает при сложных видах аварий для быстрого вывода людей из шахты по свежей вентиляционной струе. При этом изменяются не только расход воздуха и направление его движения, а иногда и барометрическое давление. Нестационарная постановка позволила учесть и естественную тягу (её величину и направление) и изменение аэродинамического сопротивления шахтной вентиляционной сети. Показано, что реверсирование вентилятора главного проветривания может привести к возникновению в сети выработок локального увеличения концентрации метана в несколько раз.
Проведено моделирование нестационарных процессов изменения рудничной атмосферы в выработках шахты и развития очага пожара, учитывающее обратное влияние перераспределения потоков рудничной атмосферы на развитие очага пожара. Показано, что направление и скорость потоков горячих газообразных продуктов горения определяет характер развития пожара в сети выработок. Численно проанализировано влияние места установки вентиляционных сооружений в сети выработок на развитие очага пожара. В зависимости от места их установки развитие очага пожара может ускориться или замедлиться. Причем, использование вентиляционных сооружений может существенно повлиять на скорость развития пожара и пути распространения пожарных газов.
Разработанные программные комплексы являются уникальными по проработке пользовательского интерфейса, использования двух- и трёхмерной графики, набору решаемых задач, и не имеют зарубежных аналогов. С их помощью можно рассчитывать нормальные и аварийные состояния угольной шахты и на основе полученных результатов принимать научно обоснованные управляющие решения в самых сложных ситуациях.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю. Программа расчёта вентиляционных режимов в шахтах и рудниках// Горная промышленность, № 6 (76) сентябрь-октябрь 2007. С. 20-23.
2. Палеев Д.Ю., Лукашов О.Ю. Автоматизация гидравлического расчёта противопожарного водоснаб-жения угольной шахты// Вестник МАНЭБ. № 9 2005 г. С.46-150.
3. Палеев Д.Ю., Руденко Ю.Ф., Костеренко В.Н. Состояние и перспективы внедрения компьютерных программ обеспечения безопасности на угольных шахтах России// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № ОВ7. С. 164-169.
4. Костеренко В.В., Васенин И.Н., Палеев Д.Ю., Ващилов В.В. Расчёт воздухораспределения в горных выработках на основе уравнений газовой динамики в нестационарной постановке// Труды конф. с участием иностр. учёных «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (28 июня-2 июля 2010 г.). В III т. Т. II. Геотехнологии. — Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2010. С. 238-244. E2S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Палеев Д.Ю. — доктор технических наук, начальник Новокузнецкого филиала ВНИИПО МЧС России, pal07@rambler,
Аксенов В.В. — кандидат технических наук, заместитель начальника УВГСЧ МЧС России,
Лукашов О.Ю. — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института угля СО РАН,
Васенин И.М.— доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой,
Крайнов А.Ю. — доктор физико-математических наук, профессор, Шрагер Э.Р. — доктор физико-математических наук, профессор, декан, Томский государственный университет.
UDC 622
ATION OF AEROGASDYNAMIC PROCESSES IN VENTILATION SYSTEMS OF MODERN MINING COMPANIES
Dr. PaleevD.Y., PhD Tech., Head of Novokuznetsk branch of FGU VNIIPO of EMERCOM of Russia), pal07@ rambler, Russia,
Aksenov V.V., Ph.D Tech., deputy chief of UVGSCH, EMERCOM of Russia.
Lukashov O.Y., Ph.D. in Physics and Mathematics, Senior Researcher, Institute of Coal SB
RAS, Russia,
Dr. Vasenin I.M., Ph.D. in Physics and Mathematics, Professor, Head of the Department of Tomsk State University, Russia,
Dr. Kraynov A.Y., Ph.D. in Physics and Mathematics, Professor, Tomsk State University, Russia,
Dr. Schrager E.R., Ph.D. in Physics and Mathematics, Professor, Dean of the Tomsk State University, Russia.
Over developed network of tunnels in coalmines, complex geomechanical and gas-dynamic processesinitiated by mining activities raise requirements to safety operations in coal mining companies. It is no longer possible now to ensure safety without mathematical modeling of mining processes during normal operation of the mine, as well as in an emergency situation.
Key words:ne twork of tunnels, ventilation, shockwave, watersupply. REFERENCES
1. Paleev D.Ju., Lukashov O.Ju. Programma raschjota ventiljacionnyh rezhimov v shahtah i rudnikah (Program for calculating ventilation modes in coal and raw mines)// Gornaja promyshlennost', No 6 (76) sentjabr'-oktjabr' 2007. pp. 20-23.
2. Paleev D.Ju., Lukashov O.Ju. Avtomatizacija gidravlicheskogo raschjota protivopozharnogo vodosnab-zhenija ugolnoj shahty (Automation of hydraulic calculation of the fire water supply in a coal mine)// Vestnik MANJeB. No 9 2005. pp.46-150.
3. Paleev D.Ju., Rudenko Ju.F., Kosterenko V.N. Sostojanie iperspektivy vnedrenija kompjuternyh programm obespechenija bezopasnosti na ugol'nyh shahtah Rossii (The State and prospects of introduction of safety computer programs in the coal mines of Russia)// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2008. No OV7. pp. 164-169.
4. Kosterenko V.V., Vasenin I.N., Paleev D.Ju., Vashhilov V.V. Raschjot vozdu-horaspredelenija v gornyh vyrabotkah na osnove uravnenij gazovoj dinamiki v nestacionarnoj postanovke (Calculation of air distribution in mine workings on the basis of gas dynamics equations under unsteady set up)// Trudy konf. s uchastiem inostr. uchjonyh «Fundamen-tal'nye problemy formirovanija tehnogennoj geosredy» (28 ijunja-2 ijulja 2010 g.). V III t. T. II. Geotehnologii. Novosibirsk: In-t gornogo dela SO RAN, 2010. pp. 238-244.
