Распределение пыли различного дисперсного состава в горных выработках, в зависимости от расположения источника пылевыделения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК А.С. Кобылкин

622.411:52

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЫЛИ РАЗЛИЧНОГО ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАСПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ

Здоровье горнорабочих, а также пылевзрывобезопасноть горных работ зависят от противопылевых мероприятий. Эффективность их применения зависит от понимания процессов пылевыделения, переноса частиц пыли по горным выработкам воздушными потоками и оседания пыли на почве и бортах горных выработок, а также на оборудовании. Для получения более полных знаний в области аэро-газо- пылевого контроля возможно применение математических моделей, реализованных в компьютерных программах. Они позволяют моделировать сложные процесса массопереноса в горных выработках. Приведены результаты исследования движения пыли от перемещающегося источника пылевыделения в пространстве. Ключевые слова: аэрология, вентиляция, рудничная и угольная пыль.

Анализ работы «Пылевая динамика в угольных шахтах» [2] показал, что в способах расчета необходимого количества инертной пыли и других работ по обеспечению пылевзрывобе-зопасности в зависимости от интенсивности пылеотложения в выработках, не учитывается факт непрерывного перемещения источника пылевыделения относительно стационарных приборов контроля запыленности рудничной атмосферы (неподвижных подложек). В данной работе исследования проведены для условий проветривания выемочных участков угольных шахт. Ранее был рассмотрен процесс распространения пыли от стационарного источника, расположенного у откаточного штрека [1]. Определены места оседания пыли в зависимости от дисперсного состава.

Перемещение источников пылеобразования (6—20 м/мин для очистных комбайнов) приводит к тому, что дисперсный состав

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 291-302. © 2017. А.С. Кобылкин.

осаждаемой пыли изменяется. Получение достоверных функций пылеосаждения по длине выработки является затруднительным, требует планирования процесса получения представительных проб.

Таким образом, действующие нормы и методы расчетов параметров пылевзрывобезопасности шахт требуют усовершенствования. На российских шахтах рекомендуется применение повышенных норм осланцевания для обеспечения гарантированных показателей пылевзрывобезопасности ([2], с. 27—28).

Перед нами была поставлена задача получения достоверных данных по перемещению пыли и ее осаждению при перемещающемся источнике пыли с использованием современных вычислительных устройств, которая ранее не решалась.

Был разработан эксперимент по моделированию данного процесса. Для моделирования применялась программа ANSYS, хорошо зарекомендовавшая себя при моделировании аэрогазодинамических процессов в угольных шахтах [1, 3, 5, 6, 7].

В данной работе распространение частиц пыли было смоделировано согласно Лагранжевому методу движения частицы в потоке воздуха. В рамках модели переноса частиц, общий поток фазы частиц моделируется путем отслеживания небольшого числа частиц через сплошную среду.

Применение Лагранжевого метода движения частиц предполагает интеграцию траекторий частиц через дискретизирован-ную область. Отдельные частицы отслеживаются с начальной точки движения и далее пока они не выйдут за пределы домена или некоторого предела интегрированного критерия.

Перемещение частиц рассчитывается с использованием прямой Эйлеровой интеграции скорости частиц над временным шагом, 5?.

отсюда перемещение частицы равно

х; = хр + иры

где индексы о и п относятся к начальным и конечным значениям соответственно, и и0 — начальная скорость частицы. При прямом направлении интеграции, скорость частиц, рассчитанная в начале временного шага, преобладает над всем шагом. В конце временного шага, конечная скорость частиц рассчитывается с использованием аналитического решения уравнения импульса частицы

dUp _

mp ~dT " Fa"

Fall — сумма всех сил, действующих на частицу.

Это уравнение представляет собой пример общего уравнения переноса

dK -фp)+R

dt т

где ф — это общая переменная перемещения, индекс f указывает значение переменной в окружающей жидкости, т является коэффициентом линеаризации и R является общим нелинейным источником. Аналитическое решение общего уравнения переноса можно записать в виде

Фр _ФГ + (ФР -Фг ) exp (-f- j + TR - exp j

Свойства жидкости берутся из начала временного шага.

При расчете сил и значений для т и R, многие переменные для жидкости, такие как плотность, вязкость и скорость необходимы для определения положений частиц.

Из-за высоких требований к характеристикам вычислительной техники и объемом памяти для хранения полученных данных в результате не стационарных расчетов, принято решение смоделировать процесс используя параметры не реального объекта, а упрощенного:

• длина лавы 20 м;

• длина вентиляционного штрека 10 м;

• длина откаточного штрека 5 м;

• время протекания процесса 60 с.

Другие параметры:

• перемещение источника пылевыделения 20 м/мин (0,34 м/с);

• источник выделения пыли, высота 2 м, ширина 0,34 м;

• выработки, высота 2 м, ширина 3 м;

• размер частиц пыли 10 мкм (1 мкм = 0,001 мм) и 50 мкм;

• скорость движения воздуха 2 м/с.

Геометрия забоя с прилегающими к нему откаточным и вентиляционным штреками представлена на рис. 1.

Модель разбивалась на конечные объемы, параметры сетки следующие: min size — 0,01 м; max face size — 0,1 м; max size — 0,1 м.

Сходимость решения представлена на рис. 2. Данная диаграмма показывает высокую сходимость решения, что позволяет

Рис. 1. Геометрическая модель горных выработок

оценить постановку задачи и задание начальных и граничных условий как корректные.

Полученные результаты были проанализированы. В очистном забое и на сопряжении лавы и вентиляционного штрека были выбраны сечения (рис. 3), для которых производились вычисления значения концентрации пыли. Сечения находятся на

Рис. 2. Сходимость решения 294

Рис. 3. Контрольные сечения, для которых производился расчет

Рис. 4. Направление движения потока воздуха

Рис. 5. Концентрация пыли в сечении 1

Концентрация пыли в сечении 2 Концентрация пыли в сечении 3

Рис. 6. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях

Концентрация пыли в сечении 4 Концентрация пыли в сечении 5

Рис. 7. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях

Концентрация пыли в сечении 6 Концентрация пыли в сечении 7

Рис. 8. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях

расстоянии 2 м друг от друга, сечение 1 (С1) на расстоянии 1 м от места сопряжения откаточного штрека и лавой. Сечение 11 (С11) расположено в месте сопряжения вентиляционного штрека и лавы.

Концентрация пыли в сечении 8 Концентрация пыли в сечении 9

Рис. 9. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях

Рис. 10. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях

1 — nriLW 2 — Ив 3— рув 4—рун 5— рус е — рув 7—1*7 8 — рув 9 — рув 10— руне 11 — pyüi

Рис. 11. Графики зависимости концентрации пыли 10 мкм от времени в замерных сечениях 1—11

"о " * " " 1*5.1

Концентрация пыли в сечении 1 Концентрация пыли в сечении 2

Рис. 12. Графики зависимости концентрации пыли 50 мкм от времени в замерных сечениях

На рис. 5—11 показаны средние по сечениям значения концентрации пыли размером 10 мкм, от откаточного до вентиляционного штрека соответственно. На графиках представлена зависимость концентрации пыли от времени. В сечении 1 (рис. 5) идет постепенное нарастание пыли, максимальная концентрация пыли зафиксирована на 7 с, в этот момент времени источник пылевыделения находился непосредственно в месте замера, далее идет скачкообразное снижение концентрации пыли. На протяжении всего эксперимента в данном сечении присутствует витающая пыль, одной из причин является то, что сечение 1 расположено в зоне завихрения потока воздуха с малыми скоростями движения воздуха (рис. 4), образованного геометрией горных выработок и выбранным вентиляционным режимом. Зона рецеркуляции у забоя составляет 8—9 м по длине, 1 м по ширине.

На рис. 5—11 видно, что поток воздуха, движущийся со скоростью до 4,7 м/с по забою, подхватывает частички пыли и переносит их, на сопряжении вентиляционного штрека и лавы (пыль зафиксирована через 20 с). Пик концентрации во всех за-

Концентрация пыли в сечении 3 Концентрация пыли в сечении 4

Рис. 13. Графики зависимости концентрации пыли 50 мкм от времени в замерных сечениях

Концентрация пыли в сечении 5 Концентрация пыли в сечении 6

Рис. 14. Графики зависимости концентрации пыли 50 мкм от времени в замерных сечениях

мерных сечениях приходиться на тот момент, когда источник пылевыделения находиться непосредственно у места замера.

На рис. 12—17 показаны средние по сечениям концентрации пыли размером 50 мкм. На графиках представлена зависимость концентрации пыли от времени. Проанализировав данные был сделан вывод о том, что пыль диаметром 50 мкм, в отличие от пыли диаметром 10 мкм, оседает быстрее. Максимальное значение концентрации пыли 50 мкм во всех замерных сечениях приходиться на тот момент, когда источник пылевыделения находиться непосредственно у места замера, также, как и в случае с пылью 10 мкм.

Концентрация пыли зафиксированная в каждом из замерных сечений показывает сумму пыли, выделенной за 60 с. На протяжении этих 60 с отслеживается массоперенос пыли от перемещающегося источника пылевыделения. Данные по скорости движения воздуха, зонам рециркуляции и др. позволяют объяснить полученные показатели пылевой обстановки в любой точке исследуемого объекта и в любой промежуток времени.

Концентрация пыли в сечении 7 Концентрация пыли в сечении 8

Рис. 15. Графики зависимости концентрации пыли 50 мкм от времени в замерных сечениях

1 \

1

! 1

•

Концентрация пыли в сечении 9 Концентрация пыли в сечении 10

Рис. 16. Графики зависимости концентрации пыли 50 мкм от времени в замерных сечениях

Проанализировав данные экспериментов, было установлено что:

• На процесс распространения и оседания пыли влияют изменение направления воздушного потока, зоны рециркуляции, зоны с малыми скоростями движения воздуха, диаметр пыли.

• Основная масса частиц пыли оседает непосредственно у забоя (50 мкм), мелкодисперсные фазы (10 мкм и меньше) пыли переносятся на наибольшее расстояние от источника пылевы-деления. Зона распространения зависит от режима вентиляции (например, скорость движения воздуха), а также от скорости с которой частицы пыли отрываются от поверхности и попадают в основной поток воздуха.

• Особенностью распространения пыли при движущемся источнике является то, что перед комбайном идет пылевое облако (состоящее в основном из пыли размером 10 мкм), по мере приближения источника пыли к месту замера, концентрация пыли уменьшается, затем, в момент нахождения источника пылевыделения и места замера в одной точке, происхо-

Рис. 17. Концентрация пыли 50 мкм в сечении на сопряжении лавы и вент штрека (сечение 11)

дит резкий скачок концентрации и, далее идет ее резкое снижение.

• Характеристики потока воздуха зависят от геометрии горных выработок, места со значительными изменениями геометрии (повороты, сужения, наличие оборудования, создающего лобовое сопротивление) с высокой вероятностью приводят к образованию зон: малых скоростей, рециркуляций, с изменением направления потока и др., являющихся причиной оседания пыли.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при выборе схем проветривания выемочных участков

[4], а также при системном проектировании вентиляции шахт

[5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кобылкин А. С., Кобылкин С. С. Распределение пыли различного дисперсного состава в горных выработках / Сборник статей 12 Международной научной школы молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке — глазами молодых», 23—27 ноября 2015 г., Москва. - М. - С. 376-381.

2. Романчекно С. Б., Руденко Ю. Ф., Костеренко В. Н. Пылевая динамика в угольных шахтах, т. 6. Промышленная безопасность, книга девятая. — М.: Горное дело, 2011. — 255 с.

3. Wala A. M., S. Vytla, G. Huang, Talor C. D., Study on the effects of scrubber operation on the face ventilation, 12th U.S. / North American Mine Ventilation Symposium, 2008. Pp. 281-286.

4. Кобылкин С. С. К вопросу о рациональных схемах проветривания высокопроизводительных выемочных участков газообильных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - ОВ 13 Аэрология. - С. 90-97.

5. Кобылкин С. С. Системное проектирование вентиляции горных предприятий // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2015. - ОВ 1. - С. 150-156.

6. Aminossadati S. M., Hooman K., Numerical simulation of ventilation air flow in underground mine workings, 12th U.S. / North American Mine Ventilation Symposium, 2008. PP. 253-259.

7. Кобылкин С. С. Обоснование метода расчета параметров вентиляции шахт на основе объемного моделирования аэрогазодинамических процессов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МГГУ, 2011. - 161 с. ü^

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Кобылкин Александр Сергеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ИПКОН РАН, старший преподаватель, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: [email protected].

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 291-302.

A.S. Kobylkin

DISTRIBUTION OF DIFFERENT-DISPERSION DUST IN MINE WORKINGS DEPENDING ON DUST RELEASE SOURCE LOCATION

Health of miners as well as dust explosion safety in mines depends on dusting prevention activities. Efficiency of these activities is governed by understanding of the processes of dust release, dust transport in mines by air flows and dust deposition on floor and sidewalls of mine workings and on equipment. Getting full knowledge on aero-gas-dust control is possible with the computer-aided mathematical models. They allow modeling complex processes of mass transfer in underground openings. The research findings on dust flow from a moving dust release source are reported.

Key words: aerology, ventilation, mine and coal dust.

AUTHOR

Kobylkin A.S., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher,

Institute of Problems of Comprehensive Exploitation

of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences,

111020, Moscow, Russia,

Senior Lecturer, Mining Institute,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: [email protected].

REFERENCES

1. Kobylkin A. S., Kobylkin S. S. Sbornik statey 12 Mezhdunarodnoy nauchnoy shkoly molodykh uchenykh i spetsialistov «Problemy osvoeniya nedr v XXI vekeglazami molodykh», 23—27 noyabrya 2015 g., Moskva (Problems of Subsoil Management in the 21st Century in the Eyes of Youth: Proceedings of XXI School of Young Scientists and Specialists, 2327 November 2015, Moscow), Moscow, pp. 376-381.

2. Romanchekno S. B., Rudenko Yu. F., Kosterenko V. N. Pylevaya dinamika v ugol'nykh shakhtakh, t. 6. Promyshlennaya bezopasnost', kniga 9 (Dust dynamics in coal mines, vol. 6. Industrial safety, book 9), Moscow, Gornoe delo, 2011, 255 p.

3. Wala A. M., S. Vytla, G. Huang, Talor C. D., Study on the effects of scrubber operation on the face ventilation, 12th U.S. North American Mine Ventilation Symposium, 2008, pp. 281-286.

4. Kobylkin S. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2009. Special edition 13, pp. 90-97.

5. Kobylkin S. S. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015. Special edition 1, pp. 150-156.

6. Aminossadati S. M., Hooman K. Numerical simulation of ventilation air flow in underground mine workings, 12th U.S. North American Mine Ventilation Symposium, 2008, pp. 253-259.

7. Kobylkin S. S. Obosnovanie metoda raschetaparametrov ventilyatsiishakht na osnove ob"emnogo modelirovaniya aerogazodinamicheskikh protsessov (Justification of mine ventilation calculation technique based on 3D modeling of air-and gas-dynamic processes), Candidate's thesis, Moscow, MGGU, 2011, 161 p.

UDC 622.411:52