CC BY
19
© В.А. Румянцева, П.Н. Танцов, 2016
УДК 622 4 В.А. Румянцева, П.Н. Танцов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ГАЗОВЫХ РЕЖИМОВ ПОСРЕДСТВОМ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
Предложена математическая основа способа прогнозирования переходных газовых процессов с использованием переходной характеристики выработанного пространства. Так как до сих пор не установлено, является ли реакция выработанного пространства нелинейной или линейной, предлагаемый подход может применяться при определенных условиях для прогнозирования метано-выделения из выработанного пространства при резком или плавном изменении расхода воздуха в выемочном участке. Ключевые слова: переходные процессы, переходная характеристика, выработанное пространство, вентиляция, проветривание, метановыделение, выемочный участок.
Введение
Основным источником аэрологической опасности в угольных шахтах является метан. Основные мероприятия, проводимые при проветривании шахт, направлены на снижение концентрации метана на исходящей струе выемочного участка.
Одним из главных источников метана в угольных шахтах является выработанное пространство, представляющее собой массив обрушенных горных пород, имеющий сильную аэродинамическую связь с лавой. Так, изменение аэродинамических параметров на выемочном участке влечет за собой установление некоторого переходного газового режима вследствие вымывания скопившегося метана в выработанном пространстве и лишь по истечении некоторого периода времени наступает установившийся режим.
Как было установлено в работе [1], при определенных условиях увеличение подачи воздуха на выемочный участок вы-
зывает сначала не уменьшение, которого ожидают, а увеличение концентрации метана в исходящей вентиляционной струе участка, причем повышенные значения концентрации могут сохраняться в течение продолжительного времени (от нескольких минут до нескольких часов), и лишь затем происходит снижение соответственно увеличенной подачи воздуха. Возможна и обратная ситуация: при уменьшении расхода воздуха на выемочном участке концентрация метана сначала уменьшается, а затем увеличивается пропорционально уменьшению расхода.
В той же работе автор приводит подход к определению переходного газового режима, не вызывающих, однако, большого доверия в первую очередь из-за наличия в расчетах некоторого коэффициента, полученного эмпирически и зависящего от большого числа параметров, определяемых также эмпирически. Также не указано, как следует определять омываемый утечками воздуха объем выработанного пространства, требуемы для прогнозирования метановыделения.
По результатам экспериментов, полученных самим автором, точность подобного расчета в некоторых случаях не превышала 60%.
Также автор не ставил задачу определения временной зависимости концентрации метана в случае произвольного входного воздействия.
В работе [2] добычный участок угольной шахты с учетом прилегающего к нему выработанному пространству рассматривается как «чрезвычайно сложный нелинейный объект с распределенными параметрами, со случайно изменяющимися во времени и пространстве внутренними и внешними возмущениями, значительно усложняющимися его материальное описание».
Объект рассматривается как линейный при условии малых отклонений регулируемого параметра в процессе функционирования медленно действующей замкнутой системы регулирования.
Газовыделение G(t) рассматривается как внешнее возмущение, состоящее из двух составляющих:
G(t) = G(t)n + G(t)e (1)
где G(t)H — газовыделение, обусловленное производственными факторами (в первую очередь режимом работы добычной машины) и не зависящее от Q(t); G(t)H — газовыделение из выработанного пространства, обусловленное колебаниями Q(t), но не зависящее от режима работы добычной машины;
Выходной параметр объекта С(?) в результате суперпозиции рассматривается как сумма двух составляющих — С(?)п и С(?)в.
Полученная методом структурного синтеза полная передаточная функция объекта по каналу «расход воздуха — концентрация» имеет следующий вид:
^ ( Р )т = 7-КТ-ч . (2)
(Тр + 1)(Г2 р + 1) Гх р + 1
Первая дробь выражения (2) обусловлена реакцией выработанного пространства на изменение входного воздействия и соответствует сложному дифференциальному звену. Наличие в числителе оператора р свидетельствует о том, что составляющая переходного процесса, обусловленная этим членом, имеет место только при скорости изменения во времени входного воздействия Q(t), отличающейся от нуля. Знак коэффициента Кв положительный, следовательно, приращению Q(?) соответствует приращение С(?) того же знака.
Второй член выражения (2) описывает приближенно объект без учета эффекта выработанного пространства.
Реакция объекта, описываемого выражением (6), на скачкообразное возмущение по управляющему воздействию ЛQ(?) при Лб(?)п = 0.
АС (I) = ЛСВ (I) + АСп (í), (3)
где ЛСв(?) — составляющая, обусловленная выработанным пространством; ЛСХ(?) — составляющая, обусловленная лавой.
Однако же в работе [2] не дано рекомендаций к определению реакции выработанного пространства на произвольное изменение расхода воздуха в шахте.
Если представить выработанное пространство как дифференциальное звено автоматической системы, то для определения его реакции на произвольное воздействие достаточно знать его переходную характеристику.
Если создать на выемочном участке угольной шахты ступенчатое изменение расхода воздуха, и измерять через равные промежутке времени концентрацию газа на исходящей вентиляционной струе участка, полученная зависимость концентрации от времени будет являться его переходной газовой характеристики. Если принять исследуемый объект линейным (то есть уровень газовыделения обратно пропорционален расходу воздуха на выемочном участке), то переходную газовую характеристику
- й% ■4%
2%
О ЗОмин БОннн
Рис. 1. Пример переходной газовой характеристики выработанного пространства
можно использовать для определения реакции на произвольное воздействие в виде расхода воздуха.
Промоделируем эксперимент по снятию переходной характеристики выработанного пространства. Для этого нужно воссоздать ступенчатое воздействие расхода воздуха на лаву (рис. 1). Предположим, что до эксперимента расход воздуха в лаве равнялся 5 м3/с. В какой-то момент времени, который мы условно можем принять за 0, расход воздуха резко увеличился и стал равен 15 м3/с.
Начиная с момента времени I = 0 через промежутки времени At будем измерять концентрацию метана на выходе из лавы, где его содержание в воздухе будет максимальным. Интерполируя отсчеты кусочно-линейной функцией, получим непрерывную временную зависимость (рис. 1). Эту временную зависимость и будем называть переходной газовой характеристикой выработанного пространства
Как видно на рис. 1 концентрация метана в некоторый отрезок времени превысила 8%, что превышает взрывоопасный уровень. Подобный вид переходного газового режима может возникнуть вследствие скапливания метана в щелях между обломками угля и остаточных пород. При резком повышении расхода воздуха в лаве, скопившийся метан начинает интенсивно вымываться, что может привести к резкому повышению концентрации на выходе из лавы.
Очевидно, что если увеличивать подачу воздуха не резко, а постепенно, в течение большего промежутка времени, то можно существенно сгладить выброс метана из выработанного пространства.
ыГ <6у
25 (ПЗ^!
20
Рис. 2. Зависимость изменения расхода воздуха в лаве
Предположим теперь, что расход воздуха в лаве стал изменяться не ступенчато, а медленнее, по закону (рис. 2, а):
1
0(0 =
1 + е
-Ь+10
+ 5
(4)
Чтобы вычислить временную зависимость концентрации метана с(?), воспользуемся формулой Дюамеля:
п-1
о(ьп) = >о(о>+£(оаг+1> - оаг - ^)),
¿=1
где ? = А? • i, п — количество шагов А?, на которые разбивается промежуток времени, включающий в себя переходной процесс.
Однако здесь следует учесть, что ступенчатое воздействие, после появления которого снималась переходная газовая характеристика, не было единичным — размер ступеньки был равен 10 м3/с, а начальное значение было не 0, а 5 м3/с. Чтобы привести переходную газовую характеристику к нормальному для использования виду, введем два коэффициента — Q0 — начальное значение расхода воздуха до переходного процесса; коэффициент k, который будет равен размеру ступеньки (в м3/с), а также h0 — начальное значение концентрации метана до переходного газового процесса.
С учетом этих изменений, перепишем формулу Дюамеля:
о(к ) = )
(0(0) - 0о)
п-1 £
¿=1
0(0 - 0о 0(Ь) - 0о
(к(^ - ^) - к,)
Рис. 3. Реакция выработанного пространства на входные воздействия или
) =) 'Щ0+ | ( ](_,) _ *)
Посчитав интегральную сумму для каждого момента времени ?., получим следующий вид переходного процесса — рис. 3, а.
Как и ожидалось, для подобного входного воздействия (рис. 2, а), переходный процесс по метану на рис. 3, а подобен процессу, полученному экспериментально (рис. 1).
Теперь промоделируем переходной газовый режим с более гладким входным воздействием (рис. 2, б):
= т+^да+т + 5 (5)
Посчитаем реакцию выработанного пространства:
Из рис. 3, б видно, что при более плавном увеличении расхода воздуха в лаве, максимальное значение концентрации метана в исходящей струе ниже, чем при резко изменении и не превышает взрывоопасный уровень.
Выводы
Предлагаемый подход может быть использован для прогнозирования переходных газовых процессов в угольных шахтах при условии линейной зависимости между расходом воздуха на выемочном участке и концентрацией метана в исходящей струе. Для определения переходной характеристики выработанного пространства требуется разработка методики проведения эксперимента, которая будет учитывать условия каждой конкретной шахты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клебанов Ф.С. Неустановившиеся газовые режимы в угольных шахтах при резком изменении аэродинамических параметров, краткий научный отчет. — Люберцы: Изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1963.
2. Местер И.М., Засухин И.Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. — М.: Недра, 1974.
3. Местер И.М. Электропривод и автоматика рудничных вентиляторных установок главного проветривания. — М.: Недра, 1964.
4. Клебанов Ф.С. Переходные газовые режимы в угольных шахтах при резком изменении аэродинамических параметров (случай n = 1) // Известия АН СССР. Металлургия и горное дело. — 1963. — № 4.
5. Клебанов Ф.С. Аэродинамические методы управления метановы-делением в угольных шахтах (доклад на конференции по механизации а автоматизации проветривания). — М., 1964.
6. Греков С.П., Зинченко И.Н., Иванников А.Л. Моделирование переходных газодинамических процессов на добычных участках при изменениях режимов дегазации и вентиляции // Вюник Харювського нащонального ушверситету. — 2011. — № 960. итш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Румянцева Валентина Анатольевна — кандидат технических наук, доцент, e-mail: rumyanceva_v@mail.ru,
Танцов Петр Николаевич — кандидат технических наук, доцент, e-mail: tantsov@yandex.ru, НИТУ «МИСиС».
UDC 622.4 V.A. Rumyantseva, P.N. Tantsov
FORECASTING TRANSIENT GAS CONDITIONS USING TRANSIENT CHARACTERISTIC OF MINED-OUT AREA
In this paper the mathematical basis of the method of forecasting gas transition processes using transient response of the gob is presented. Since so far not established whether the reaction of developed space nonlinear or linear, the proposed approach can be applied under certain conditions to predict methane excretion after sharp or smooth variation of the air flow in the working areas.
Key words: transient, transient response, gob, goaf, ventilation, methane, working space. AUTHORS
Rumyantseva V.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: rumyanceva_v@mail.ru,
Tantsov P.N.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: tantsov@yandex.ru,
1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Klebanov F.S. Neustanovivshiesya gazovye rezhimy v ugol'nykh shakhtakh pri rezkom izmenenii aerodinamicheskikh parametrov, kratkiy nauchnyy otchet (Transient gas regimes in the coal mines after a rapid change of aerodynamic parameters, a brief scientific report), Lyubertsy, Izd. IGD im. A.A. Skochinskogo, 1963.
2. Mester I.M., Zasukhin I.N. Avtomatizatsiya kontrolya i regulirovaniya rudnichnogopro-vetrivaniya (Automation control and regulation of mine ventilation), Moscow, Nedra, 1974.
3. Mester I.M. Elektroprivod i avtomatika rudnichnykh ventilyatornykh ustanovok glavnogo provetrivaniya (Electric drive and automation of mine main fan installations), Moscow, Nedra, 1964.
4. Klebanov F.S. Izvestiya ANSSSR. Metallurgiya igornoe delo. 1963, no 4.
5. Klebanov F.S. Aerodinamicheskie metody upravleniya metanovydeleniem v ugol'nykh shakhtakh (doklad na konferentsii po mekhanizatsii a avtomatizatsii provetrivaniya) (Aerodynamic methods of methane control in coal mines (report on the conference of mechanization and automation of ventilation)), Moscow, 1964.
6. Grekov S.P., Zinchenko I.N., Ivannikov A.L. Visnik Kharkivs'kogo natsional'nogo universitetu. 2011, no 960.
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
Баданов Кирилл Алексеевич — эксперт по газу, ООО «Велес», Гусинский Константин Николаевич — эксперт по подъемным, ООО «Велес», Васецкий Александр Федорович — заместитель генерального директора, ООО «НТЦ ЭДО»,
Вялых Александр Сергеевич — начальник лаборатории, ООО «Синтез».
Описаны экологические и экономические проблемы, а также возможные направления использования попутного нефтяного газа, которые определяются не только его составом, но и местными условиями и потребностями. Приведены технические требования по уровню влажности и наличию в газе механических примесей. Перечислены методы очистки газа и сделаны выводы об их эффективности.
Ключевые слова: попутный нефтяной газ, метан, азот и СО2, разгазирование, заводнение, отсроченное газовое хранилище, транспортирова ние к потребителю, утилизация, химическая переработка газа, осушка газа.
THE USE OF ASSOCIATED GAS
Badanov K.A., Expert on Gas, JSC «\eles», Russia,
Gusinsky K.N., Expert on Lifting, JSC «\eles», Russia,
VasetskiyA.F., Deputy General Director, JSC «STC EDO», Russia,
Vylih A.S., Head of Laboratory, JSC «Synthesis», Russia.
Described the environmental and economic problems, and possible ways of utilization of associated petroleum gas, which are determined not only its composition, but also local circumstances and needs. The t-HN technical requirements for humidity and to the presence in Gaza of any mechanical impurities ski. Lists the methods of gas purification, and draw conclusions about their efficiency.
Key words: associated petroleum gas, methane, nitrogen and CO2, rangatira-tion, flooding, deferred gas storage, transportation to the consumer, recycling, chemical processing of gas, gas drying.
