автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование аэрогазодинамики и процессов проветривания камерообразных горных выработок на основе математического моделирования

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КОЛЬСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИМ.С.М.КИРОВА ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи Амосов Павел Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИКИ И ПРОЦЕССОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ КАМЕРООБРАЗНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.15.11 - "Физические промессы

горного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты- 1992

у

' л.-// /

Работа выполнена в Горном институте и Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Калабин Г.В.

Официальные оппоненты;

профессор, доктор технических наук Айруни А.Т.

Ведущее предприятие :

кандидат технических наук Файнбург Г.З.

Московский горный институт

Зашита диссертации состоится

1992 г. в

час, мин. на заседании специализированного Совета

в Горном институте Кольского научного центра Рос-

К.003.79.01 сийской Академии наук по адресу:

184200, г. Апатиты, Мурманской области, ул. Ферсмана, л. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института Кольского научного центра Российской Академии наук.

Автореферат разослан

1992 Г.

Ученый секретарь специализ.и] Совета, кандидат технич'

О.Е.чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Дальнейшее развитие горнодобывающей промышленности основывается на непрерывном повышении производительности существующих предприятий. Повышение интенсивности работ в выработках с открытым очистным пространством, которые характеризуется высокой производительностью трудаведет, с одной стороны, к увеличению папе- и газовыделений и одновременно предъявляет более высокие требования к эффективности работы вентиляционной системы. Так как в настоящее время общеобменная вентиляция продолжает оставаться основным средством борьбы с вредными примесями , то рост объема очистного пространства и интенсивности ведения горных работ вызовет увеличение потребности в свежей воздухе. А это значит, что возрастут энергетические затраты на его доставку, что нежелательно по экономическим соображениям и, следовательно, есть необходимость в рациональном использовании подаваемого воздуха. Для этого необходимо.знать, каким образом происходит изменение концентрации примеси в процессе проветривания выработки.

Существующие в настоящее время подходы по расчету параметров проветривания камерообразных выработок основываются либо на' теоретических положениях, зачаступ далеких от реальной ситуации, и поэтому требующих постановки экспериментальных исследований для определения эмпирических коэффициентов, либо используют величины средней скорости по сеченио воздухоподаю-аей выработки и постоянные по всему обьему коэффициенты турбулентной диффузии. Используемые в практике инженерные методы .расчета не позволяют определить попя концентрации вредностей в любое заданное время, а тем самым и контролировать процесс проветривания.

Таким образом, существует необходимость создания метода расчета, во-первых, для прогнозной оценки и, во-сторых, для контроля состояния газовой обстановки в камерообразных выработках при различных технологиях и этапах их отработки (а также в период проектирования ), свободного от использования дополнительных эмпирических констант. Такой метод необходим для продвижения в решении вопросов эффективного и экономичного контроля и управления процессов проветривания в целях создания безопасных условий труда горнорабочих.

Диссертационная работа является составной частью тематики работ по проблеме 12.9.4 "Развитие теоретических основ и методов борьбы с рудничными газами и пыпыо" приоритетных исследований ОГГГиГН АН СССР.

Цель работы - разработка метола расчета параметров рудничной атмосферы камерообраэных'горных выработок при проведении взрывных работ и эксплуатации оборудования с двигателями внутреннего сгорания.

Идея работы заключается & использовании численных методов решения уравнений азрогазодинамики с привлечением моделей турбулентности первого порядка для определения параметров рудничной атмосферы прц проветривании камврообразных выработок . Защищаемые положения и их новизна :

- достоверность результатов расчета аэродинамики протяженных и каиерообразных выработок при современном уровне развития вычислительной техники можно обеспечить посредством использования моделей турбулентности I порядка;

- обоснован выбор конечно-разностных схем аппроксимации членов ' адвекции уравнения турбулентного переноса примеси применительно к задачам проветривания плоских камврообразных выработок;

- использование схемы SHASTA для аппроксимации адвективных членов уравнения движения в виду большой схемной вязкости приводит к неФизичным результатам;

- при численных расчетах процессов проветривания камврообразных выработок с высотой более 2.5 м (для взрывных работ) необходимо рассматривать примесь в зоне отброса газов как динамически активную, т.е. учитывать тепловой перегрев газового облака;

- точность расчета времени проветривания камерообраэных выработок (для взрывных работ) в ситуациях, когда зона отброса газов попадает в зону влияния обратных потоков, в значительной степени определяется истинным распределением примеси в газовом облаке;

- разработан комплекс программ (совместно с А.А.Баклановым) "Численное моделирование аэродинамики каиерообразных горных выработок и процессов их проветривания при проведении взрывных работ и эксплуатации оборудования с ЛВС" и подготовлена инструкция пользователя.

Достоверность научных положений и выводов обоснована использованием современных представлений об аэрогазодинамике камерообраэных выработок и методов решения уравнений гидродинамики, описывающих исследуемые процессы, а также подтверждена достаточной сходимостью результатов численного моделирования с данными натурных наблюдений и Физических экпериментов (отклонения по скоростным полям и времени проветривания каиерообразных выработок не превышает 10»).

Практическое и научное значение заключается в создании "инструмента- в виде комплекса программ для использования его в следующих научных и практических исследованиях:

- исследование закономерностей аэродинамики камерообраэных выработок сложной конфигурации (образование циркуляционных зон, распределение по пространству камер коэффициентов турбулентной вязкости и размера "крупномасштабной" турбулентности), анализ чувствительности моделей к вариа-

ции входных параметров;

- определение необходимого количества и наиболее эффективного способа подачи в камеру свежего воздуха, как за счет только общеобмениой вентиляции, так и еэ комбинации с вентиляторами' местного проветривания, источниками свободной конвекции, воздушных завес и принудительного изменения направления движения воздуха за счет, изменения геометрии проветриваемого объекта;

- обоснование отдельных параметров систем автоматизированного контроля качества рудничной атмосферы {прогноз о наличии и размере зон с повышенным содержанием концентрации примеси, определение корреляции концентрации примеси на исходящей струе и в местах ее максимального значения, учет статистического характера параметров и процессов проветривания).

Реализация работы. В настоящее время подготовленный комплекс программ поставлен на ЭВМ ЕС-1045 ЕЦКЛ КНЦ РАН, а адаптированный для персонального компьютера вариант программного комплекса передан ССУ ВПСМО "Соизгидроспецстрой". Реальный экономический эффект, полученный за счет оптимизации вентиляционных-схем и аэродинамических параметров с целью повышения эффективности проветривания на строительных объектах ССУ ВПСМО "Союзгидроспецстрой" при использовании предложений диссертационной работы, составил 31.3 тыс.руб.

Апробация работы.. Основные результаты работы и отдельные ее этапы докладывались и обсуждались на V Региональной конференции молодых ученых "Разработка и совершенствование способов и средств добычи и обогащения полезных ископаемых Кольского полуострова" (Апатиты, 1387), на VII Всесоюзном совещании "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах' (Новосибирск, 1967), на научно-практической конференции "Новое в теории и практике воздухораспределения о промышленных и общественных зданиях" (Ленинград, 1988), на XI областной научно-производственной школе-конференции молодых ученых "Охрана окружающей среды м рациональное использование природных ресурсов' (Апатиты, 1988), на научно-практическом семинаре "Аэрология калийных рудников" (Кунгур, 1989), на VI Региональной научно-технической конференции молодых ученых и специалистоз по проблемам добычи и обогащения руд (Апатиты, 1390), на научных семинарах кафедры "Рудничной аэрологии и охраны труда" ЛГИ и кафедры "Аэрологии и охраны труда" МГИ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация написана на 160 страницах машинописного текста: состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 112 наименований, двух приложений на 8 страницах, содержит 11 таблиц и 34 рисунка.

- б -

содержание работы

Глава I. Обзор и анализ работ, посвященных методам расчета аэрогазодинамики горных выработок.

В глав© дается обзор и анализ исследований по проблеме проветривания камерообразных выработок малого и большого сечений . Отмечен существенный вклад в решение этой проблемы таких исследователей как Воронин H.H., Швырков И.И., Красноштейн А.Е., Медведев И .И., , Пучков Л.А., Ушаков К.З., Казаков А.П., Кала-бин Г.В., Вассэриан А.Д., Лайгна К.Ю., Первое Ю.М., Гуриев И.Г. и ряда других.

Поскольку основная нагрузка по разжижению вредных примесей до уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) и выноса их за пределы рабочей зоны ложится на общеобменную вентиляцию, то одной из главных^адач в целях обеспечения безопасных условий труда горнорабочих при проветривании выработок является установление величины необходимого количества воздуха с учетом Фактического выделения газов.

При решении этой задачи многие исследователи первоначально за основу брали полную систему уравнений термогаэоаэродина-мики. Но при этом нелинейность уравнений движения существенно ограничивает класс задач, поддающихся аналитическому решение. Именно поэтому за неимением надежного математического аппарата, способного помочь преодолеть указанную трудность, исследователи прибегали к различного рода упрощениям: переход к одно- или двухмерным задачам со сравнительно простой геометрией, рассмотрение примеси как динамически пассивной, приближение квазиравновесных процессов и т.п. Естественно что такой подход за-грубляет Физическую картину исследуемых явлений и в основном сводится к поиску инженерных методов расчета необходимого ко-" личества свежего воздуха, позволяющих учесть достаточно ограниченное число Факторов, которые оказывает влияние на уровень загрязнения объектов. Получаемые при этом результаты (в виде аналитических зависимостей), хотя и обеспечивают достаточную инженерную точность, но ограничивают их применимость узкими рамками конкретных ситуаций и условий.

В последнее десятилетие появились исследования, в которых приступили к решению уравнений термогаэоаэродинамики в двух- и трехмерной постановке численными методами (Лайгна К.Ю., Кала-бин Г .В., Бакланов A.A.). В частности, была осуществлена постановка задачи и развиты алгоритмы ее решения двух подходов замыкания« системы уравнений, описывающих аэродинамику выработок: подход Смагоринского и использование постоянных коэффициентов турбулентной вязкости. Наметились пути к созданию новых методов расчета необходимого количества воздуха' при проветривании камерообразных выработок во время проведения взрывных работ и эксплуатации оборудования с ДВС. Данная.работа является продолжением исследований Калабина Г.В. и Бакланова A.A. в вопросах численного моделирования процесса проветривания каме-

рообразных выработок и ставит своей задачей создание методами математического моделирования термогазоаэрояинаымческих процессов основы дпя проведения расчетов по прогнозному состояние рудничной атмосферы.

С учетом вышеизложенного и в соответствии с целью и идеей работы были поставлены следующие задачи исследования:

- обосновать выбор моделей турбулентности для расчета аэродинамики камерообразных выработок, обеспечивавших достаточную достоверность результатов;

- обосновать выбор схем аппроксимации членов адвекции уравнения турбулентной диффузии применительно к задачам проветривания камерообразных выработок;

- подготовить комплекс программ "Численное моделирование аэродинамики камерообразных горных выработок и процессов их проветривания при проведении взрывных работ и эксплуатации оборудования с ЛВС" и методические материалы по использованию программного комплекса:

- провести■численные эксперименты, анализ и сравнение полученных результатов с имеющимися данными физических и натурных исследований;

- осуществить численные эксперименты по исследованию влияния технологических ситуаций на эффективность проветривания камерных выработок после взрывных работ, в т.ч. с учетом температурного перегрева облака.

Глва II. Система уравнений, описывающих аэрогазодинамику камерообразных выработок. Обоснование и выбор модели турбулентности.

Для решения поставленных задач, а первую очередь, необходимо уметь рассчитывать аэродинамику объекта. Известно, «то приближение Буссинеска позволяет отказаться от решения полной системы уравнений. И как показывает исследовательская практика такое приближение вполне приемпимо для расчета аэродинамики и теплового воздействия на атмосферу камер большого обьема, поскольку соблюдается условие малости вертикального ускорения по сравнению с ускорением свободного паления. В настоящее время единственным экономически доступным методом решения практических задач турбулентных течений, к которым относится и движение воздуха в камерообраэных выработках, все еще остается использование статистически осредненных уравнений, описывавшик ос-реднеиные характеристики течения. Согласно этим уравнения*, перенос импульса, тепла и массы турбулентным движением выражается через корреляции между пульсационными характеристиками, в результате чего система уравнений для осредненных величин не замкнута и не может быть решена.

Для замыкания исходной системы уравнений. осредненных по правилу Рейнольдса, используется гипотеза Буссинеска для турбулентной вязкости, связывающая напряжения Рейнольдса с гради-

антами скоростей осредненного течения. Задание коэффициентов турбулентной вязкости () как функция пространства, времени и состояния турбулентности и является основной задачей при решении проблемы замыкания.

Поскольку условие постоянства коэффициентов турбулентной вязкости для камерообразных сооружений является достаточно грубым приближением, а в подходе Смагоринского фигурирует эмпирическая константа, зависящая от геометрии объекта, расчетной сетки, схем аппроксимации, необходимо использовать более совершенные модели турбулентности. Таковыми являются модели турбулентности I, II и более высоких порядков. Из моделей турбулентности I порядка наибольшей популярностью пользуются (к-1_) и (к-е) модели. Можно сказать, что в этих моделях структура выражений для определения Ц локальная, поскольку а них локальное значение одной турбулентной величины (^) выражается через локальные значения других (к - кинетическая энергия турбулентности, Ц - размер "крупномасштабной" турбулентности, а -скорость диссипации энергии турбулентности). Локальность эта, однако, имеет качественно другой характер по сравнению с алгебраическими моделями, поскольку у последних "турбулентные" параметры (напряжения трения и турбулентная вязкость) выражаются через локальные характеристики осредненных величин. С учетом того, что равновесие внутренней структуры турбулентности устанавливается быстрее, чем равновесие между осредненньми и пуль-сационными полями, можно ожидать, что модели, основанные на использовании уравнений ояя вторых моментов, потенциально должны точнее описывать турбулентные неравновесные течения.

Для выработок сложной геометрии (к-О модель не может найти.пока широкого применения ввиду сложности описания линейного масштаба I.. Поэтому область применимости этой модели к горным выработкам ограничено главным образом простыми сдвиговыми течениями (протяженные выработки , каналы).

Без сомнения модели турбулентности второго порядка - это более совершенные модели, поскольку они используют уравнения переноса для отдельных компонент тензора турбулентных напряжений. А это очень важно при исследовании сложных течений (например, с учетом сил плавучести), когда гипотеза изотропности коэффициентов турбулентной вязкости становится, несправедливой. Но обладая богатыми потенциальными возможностями, эти модели для решения вопросов связанных с разработкой методов расчета аэрогазодинамики камерообразных сооружений и их внедрением вряд ли могут быть реализованы. Необходимо наличие суперкомпьютеров , так как на современной вычислительной технике затраты процессорного времени при реализации этих моделей турбулентности слишком велики. Поэтому для решения поставленной в работе цели достаточно в выборе моделей замыкания остановиться на моделях турбулентности X порядка.

Подобно коэффициентам турбулентной вязкости величина коэффициентов турбулентной диффузии (Г| ), связывающих турбулентный перенос массы или тепла с градиентами переносимой субстанции, не является собственной характеристикой атмосферы, а за-

висит от состояния турбулентности. При этой величины 4 и ^ связаны зависимость» = ^ , где - турбулентное число

Прандтля-Шмидта, которое в "крупномасштабной" области турбулентности имеет универсальную асимптотику, зависящую от размерности пространства.

Уравнения турбулентного переноса массы и тепла имеют много общего. Единственным отличием этих уравнений является наличие в адвективном слагаемом вертикальной компоненты уравнения переноса массы так называемой скорости оседания У1д. Это позволяет рассматривать поведение примесей, плотность которых значительно отличается от плотности рудничной атмосферы (пыль, тяжелые аэрозоли).

Достаточно часто в практике разработки полезных ископаемых подземным способом существует случаи, когда средние значения характеристик потока слабо меняются в одном из координатных направлений. При этом изменение аэрогаэодинамических параметров в двух других направлениях можно определить, используя двумерные уравнения для осредненных по выбранной координате значений. Модели а двухмерной постановке имеют ряд достоинств: 1) более простое решение; 2) возможность реализации на малых ЗВМ; 3) доступность визуализации результатов и 4) возможность использования более плотной конечно-разностной сетки.

Глава III. Разработка комплекса программ для решения задач азрогазодинамики горных выработок.

Эта глава посвящена изложение методов численного решения задач, поставленных в предыдущих главах, выбору схем аппроксимации членов адвекции и описанию структуры разработанного комплекса программ.

В качестве алгоритма численного решения поставленных задач используется метод, основанный на расщеплении уравнений гидродинамики по Физическим процессам. В результате исходная, сложная с точки зрения численного расчета, задача сводится к совокупности более простых задач, описывающих отдельные процессы моделируемой системы. Аппроксимация исходных уравнений производится следующим образом: осуществляется дискретизация интегрального тождества по пространственным переменным, строится соответствующая ему система дифференциально-разностных уравнений, а затем к этой системе применяется метод расщепления. В сочетании с вариационным принципом метод раснепления обнаруживает свои лучшие свойства. Так структура интегрального тождества накладывает дополнительное требование учета симметричных и антисимметричных пар слагаемых на одних и тех же этапах . Это дает устойчивость, энергетическуо сбалансированность и обеспечивает согласование различных этапов решения.

На каждом временном шаге задача расчета аэродинамики сооружений разбивается на два этапа: 1) учет эффектов адвекции, диффузии и внешних сип и 2) определение полей давления и скорости на п+1 временном ware.

Решение диффузионного уравнения происходит тем же методом расцепления по физическим процессам. На каждом временном шаге рассматривается три•последовательных этапа: 1) перенос примеси ло траекториям; 2) турбулентный перенос примеси и 3) учет источников.

При этом реализация первого этапа предъявляет дополнительные требования монотонности конечно-разностной схемы и минимизации схемной вязкости при наличии больших градиентов по пространству {точечные источники). Было проведено исследование по выбору схем аппроксимации адвективных членов для двух типичных случаев выделения токсичных газов: мгновенные выбросы (взрывные работы) и периодически действующие, размещенные в указанных местах источники примесей (оборудование с ЛВС). Сравнение различных конечно-разностных схем (против потока, центральных разностей, "классики", сгопта, Takacs, SHASTA) проводились по балансу массы примеси, находящейся в камере и вышедшей из нее, на произвольные моменты времени с начальным содержанием примеси в камере.'Наиболее приемлемыми выбраны: для задачи проветривания при взрывных работах - схема Takacs, при эксплуатации оборудования с ЛВС - схема Fromma.

С цель» интенсификации процесса проветривания камерообразных выработок рассматривалось' два способа регулирования воздушных потакав. Первый - установки, использующие различные энергетические принципы побуждения движения воздуха (механические и тепловые). Второй - изменение конфигурации камер с целью перераспределения потоков рудничной атмосферы для повышения эффективности использования подаваемого воздуха.

В качестве начальных и граничных условий выбирались достаточно традиционные для решения гидродинамических задач. При решении диффузионных уравнений заложена возможность учета взаимодействия примеси с горными породами. ■

Для реализации решения задач по расчету термогазоаэроди-намики камерообразных выработок разработан комплекс программ, структура и некоторые характеристики которого представлены на рис.1. Пакет программ составлен на языке FORTRAN для эксплуатации на ЭВМ ЕС под управлением операционной системы SVM, а также осуществлена адаптация основных программ пакета на персональный компьютер типа IBM PC/AT. Для эффективного использования подготовленного комплекса программ необходимы высокопроизводительные вычислительные системы типа ЕС-1045 и выше и компьютеры с тактовой частотой не ниже 20 МГц.

Создание комплекса программ проводилось в направлении придания программам универсального характера, позволяющего использовать их при решении достаточно широкого спектра научно-исследовательских и практических вентиляционных задач:

- в области научных исследований (закономерности аэрогазо-аинамики камерообразных выработок сложной конфигурации (циркуляционные зоны, пространственное распределение ))t и I), анализ чувствительности моделей к вариации входных параметров);

- при проектировании, разработке и эксплуатации камерообразных сооружений (определение необходимого количества и наи-

более эффективного способа подачи в камеру свежего воздуха);

- для обоснования ряда параметров систем автоматизированного контроля качества рудничной атмосферы (прогноз о наличии и размере зон с содержанием примеси выие ПДК, определение корреляции концентрации примеси на исходящей струе и в наиболее опасных участках камеры, учет статистического характера процессов и параметров проветривания).

; БЛОК ЗАДАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ВХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ! Л ! УУК2, \VZR2, V0452 I УУКЗ, ЧЧ2П3, УОУЭЭ ! Б

О •------------------------------------------------------; ь

С ! БЛОК РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИКИ ! Е

И \ кгэм, К2КЕ ; КЗБМ, КЗКЕ ! н

Е !-----------------------------------------------------1 Ы

1 БЛОК РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ! Е | ВЗРЫВНЫХ РАБОТ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ С ДЭС !

! \ZZR2, УГЙ2Т, 0УЭ2, ОУБгР ! VZRЗ, ОУЭЗ 1

3 ;------------------------------------------------------; з

А ! БЛОК ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ I А

д.--------.--------------------! Д

А | ПОДПРОГРАММЫ ВЫДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА АЦПУ А

4 ; ПРОГРАММЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЕКТОРНЫХ ПОЛЕЙ, ЛИНИЙ УРОВНЕЙ ; ч И | ФУНКЦИИ 2-Х ПЕРЕМЕННЫХ, ПЛОСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ! И

| 3-Х МЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ГРАФОПОСТРОИТЕЛЕ

Рис.1. Обаая структура комплекса программ

Глава IV. Примеры практического использования комплекса программ по расчету аэрогаэодинамики камерооб-разных сооружений.

Практическое использование математических моделей обязательно предполагает адекватность описания ими исследуемых Физических процессов. Поскольку состояние и движение воздуха а горных выработках подчиняется описании традиционных законов гидродинамики, для которых в литературе неоднократно доказано существование единственности гладкого решения, то можно утверждать , что состоятельность излагаемых математических моделей очевидна. На ряде конкретных примеров доказывается и необходимое условие адекватности моделей - согласие результатов наблюдений с данными численных экспериментов в пределах точности наблюдений. В частности, показано хорошее соответствие следую-

«¡их параметров:

- максимальное .отклонение результатов численного и физического экспериментов по значениям осевой скорости потока в симметричной плоской камере составляет 10 %;

- половина угла раскрытия струи в численных экспериментах для камер различной конфигурации оказывается в пределах 11-13°, что соответствует экспериментальным Фактам;

- отклонение результатов численного и Физического экспериментов по определение времени проветривания плоских камер при их начальном равномерном загазовании лежит в пределах 9 X;

- используемый численный алгоритм не нарушает Физики процесса (теоретического существования режима автомодельности при описании-движения среды уравнениями Реймопьдса).

Приведенные аргументы по необходимому условию адекватности моделей, их состоятельности, а также достаточно хорошей точностью численных решений по сравнению с аналитическими (до 3 я>) позволяют сделать вывод, что реализуемые модели можно использовать при решении целого ряда практических задач.

Численные эксперимента по расчету физических полей каме-робраэных выработок различной конфигурации позволили выявить некоторые закономерности, имеющие различную степень значимости:

- схема SHASTA не может быть использована применительно к задачам, расчета аэродинамики выработок ввиду ее значительной схемной вязкости;

- если газовое облако, формирующееся при взрывных работах, попадает в зону действия обратных потоков, отклонения по времени проветривания камер для различных вариантов распределения примеси (равномерное, линейное, параболическое) могут достигать 15», а при воздействии на облако ограниченным турбулентным потоком вид распределения примеси оказывает на время проветривания влияние незначительное (в пределах 1-3*);

- использование подхода Смагоринского дает возможность существенно сократить затраты компьютерного времени при расчете аэродинамики сооружений, основываясь на известных значениях полей скорости варианта с заданным расходом воздуха;

- безразмерный параметр к подхода Смагоринского зависит помимо геометрии объекта и расчетной сетки, также и от схемы аппроксимации адвективных членов уравнения движения;

- распределение по пространству проветриваемых сооружений весьма неоднородно и претерпевает изменения до двух порядков;

- уменьшение расхода воздуха в два раза не оказало влияние на распределение L в плоской выработке сложной конфигурации .

Для условий Умбоэерского месторождения проектировалась камера с двумя еоздухоподаоиими и одной воздуховыдакмцей выработками (положение последней могло меняться). Варьируя расход воздуха через воздухолодающие выработки при его постоянном

суммарном количестве, удалось показать, что время окончания проветривания камеры является функцией достаточно чувствительной к изменение расхода воздуха по выработкам. Анализ этих результатов , а также расчетов процессов проветривания для камер другой конфигурации при вариации таких параметров, как расход воздуха и количество ВЗ (т.е. величины начальной загазованности камеры), позволил сделать вывод, что таким "инструментом" можно обнаружить достаточно тонкие эффекты. Так, коэффициент использования струи является монотонно возраставшей Функцией количества ВЗ и функцией, имеющей очевидный экстремум, расхода воздуха. Описание же неравновесных процессов, каковыми являются процессы проветривания хамерообразных выработок , с позиция процессов равновесных посредством поправочных коэффициентов (типа коэффициента использования струи) а общем случае (без проведения предварительных исследований) может привести к значительным ошибкам. Представляется, что подход, защищаемый в работе, является более универсальным и вполне может прийти на смену классическим методам.

Особый интерес представляет возможность с помощью разработанного "инструмента" еще на этапе исследования или проектирования системы вентиляции проводить анализ и оценивать различные способы интенсификации процесса проветривания камер. На рис. 2 приведен пример повышения эффективности проветривания плоской камерообразной выработки сложной конфигурации (рассматривается сокращение времени проветривания при постоянном расходе), которое может быть постигнуто за счет перераспределения воздушных потоков внутри камеры путем установки непроницаемых экранов или вводом дополнительной тепловой или механической энергии. Рассматривалась ситуация, когда а начальный момент времени загазованность камеры была равномерная по всему объему. За счет работы только вентилятора главного проветривания время достижения ГЕК в камере {рис. 2в) составило 44 мин. При установке дополнительного вентилятора-эжектора (положение его отмечено маркером на фрагменте "Поле скорости" рис . 26), воздействующего на основную застойную зону , удается уменьшить время проветривания до 20 мин. А удачное расположение непроницаемого экрана (фрагмент "Поле скорости" рис. 2з) позволяет достичь очищения камеры уже через 18 мин.

Операция осреднения по одной из координат, т.е. переход к плоским задачам, значительно загрубляет Физические поля в камерах большого объема в том случае, если размер воздухолодаю-щих и воздуховыдакэдих выработок иного меньше поперечных размеров исследуемого объекта или при существенном влиянии тепловой неоднородности. При таком условии исследование камер целесообразно проводить посредством решения трехмерных уравнений, а визуализацию физических полей осуществлять через фронтальную и горизонтальную плоскости проекций.

На примере камеры большого объема в виде прямоугольного параллелепипеда прослежено возникновение эффекта асимметрии потока при изменении продольного размера объекта. Показано, что при проветривании аналогичного объекта лоспо проведения

поле скорости

Поле скорости

/те скорости

Рис. 2. Процесс проветривания камеры после взрывных работ (поле скорости и динамика примеси):

а) эа счет работы ВГП и установленного непроницаемого экрана. Время достижения лдк 18 мин.;

б) за счет работы ВГП и дополнительного вентилятора-эжектора. Время достижения ПДК 20 мин.

о) только эа счет работы ВГП. Время достижения ПДК 44 мин. Нумерация изолиний: 1 - О.Б ПДК; 2 - ПДК; 3-2 ПДК; 3-4 ПДК.

взрывных работ в зависимости от расположения воздуховыдаюшей выработки (вблизи подошвы либо кровли) время проветривания изменяется почти на треть. Для этой же камеры показано влияние термического фактора на аэродинамику объекта. Источник тепла задавался в виде прямоугольной площадки в центре основания камеры с перегревом относительно температуры окружающей среды на начальный момент времени в 15°С. Не оказывая заметного влияния на воздушный поток в гтодсэодоаой части камеры, тепловой источник значительно меняет аэродинамику в районе своего расположения: появляется заметный вертикальный поток прямо над площадкой, причем асимметрия основного потока оказывает влияние и на действие термического Фактора.

Во всех предыдущих примерах посвященных проветриванию камер после взрывных работ этот процесс рассматривался по традиционной схеме, т.е. в начальный момент времени задается некоторая зона отброса газов и далее решается уравнение турбулентной диффузии э предположении пассивности газового облака. Однако, экспериментальные исследования Казакова А.П. и расчеты по подготовленному комплексу программ убедительно свидетельствуют , что в определенных ситуациях температурным перегревом облака пренебрегать нельзя. В численных экспериментах моделировались четыре ситуации начальных условий, когда температурный перегрев газового облака составлял О, 0.5, 1.5 и 2.5°С, соответственно .• На рис. 3 прослежена динамика состояния рудничной атмосферы на начальном этапе проветривания. Хорошо видно, что для ситуации с большим начальным перегревом, ввиду основательного перераспределения поля скорости, значительная часть примеси оказывается под сводом камеры а районе, который раньше был безопасным. Это приводит к тому, что в области начального положения газового облака количество примеси существенно снижается, а значит, и окончание процесса проветривания должно наступить раньше. И в самом деле, время проветривания для анализируемых ситуаций составляло 53.1, 53.0, 52.8 и ¿6.3 мин., соответственно. Таким образом, для ситуации с начальным перегревом газового облака в 2.5°С характерен режим резкого сокращения времени проветривания, что обусловлено значительным перераспределением примеси по объему камеры. Подобные исследования для камер различной конфигурации и высоты позволили сделать вывод, что при проветривании камер с высотой более 2.5 м после взрывных работ необходимо вести учет теплового перегрева газового облака, т.е. рассматривать примесь а качестве динамически активной.

Представляется, что подготовленный комплекс программ и в целом подходы к исследованию аэрогазодинамических процессов могут найти свое применение и для обоснования ряда параметров систем автоматизированного контроля качества рудничной атмосферы. Например, достаточно просто осуществить прогнозные расчеты о наличии и размерах зон с повышенным содержанием концентрации примеси, а значит, и установить (при наличии возможностей) в "опасных" участках камеры специализированные датчики. Но как показывает практика, установка датчиков внутри камеры,

ПОЛЕ СКОРОСТИ

Рис. з. Динамика промесса проветривания камеры с учетом температурного перегрева газового облака.

а которой проводятся взрывные работы практически невозможна. Поэтому вполне естественно с помошью численных моделей установить корреляционные связи между значениями концентрации примеси на исходящей струе, где установка датчиков вполне доступна, и а наиболее "грязных" зонах камеры. Но и у этого подхода имеются определенные трудности практического осуществления. Например, возможны ситуации, а в численных экспериментах они наблюдались, когда при достижении в камере уровня ПЯК на исходящей струе величина концентрации примеси имеет столь малое значение, что датчик просто не сможет ее зафиксировать, или может иметь "ложное" срабатывание датчика, когда вынос примеси из камеры носит волнообразный характер.

Хроме того, подготовленный "инструмент" позволяет осуществить и учет недетерминированности в реализуемых моделях. Действительно, за основу выбраны уравнения, которые получены после осреднения по правилу Рейнольдса, а значит, при заданных краевых условиях на выходе будем иметь дело с величинами, являющимися ни чем иным как математическими ожиданиями, т.е. величинами неслучайными. Но поскольку любой процесс проветривания а реальной ситуации зависит от целого ряда параметров, значения которых носит случайный характер, целесообразно к вариации входных параметров процесса проветривания при численном эксперименте применить теорию чувствительности моделей на основе вариационного подхода или прямого моделирования'.

В приложениях представлены акт внедрения результатов диссертационной работы и инструкция пользователя для эксплуатации комплекса программ на ЭВМ ЕС под управлением операционной системы ЭУМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена научная задача создания на основе математических моделей методов расчета аэрогаэодмнамики камерообразных горных выработок, имеющая важное значение для обеспечения безопасной воздушной среды в выработках камерного типа. Основные результаты проведенных исследований сводятся к следующему,

1. Анализ литературы показал, что существующие в настоящее время методы расчета параметров проветривания камерообразных выработок не позволяют оценить полв концентрации вредностей во всем проветриваемом объеме в произвольный момент времени и тем самчм контролировать основные параметры, влияющие на процесс проветривания.

2. Доказана целесообразность на современном уровне развития вычислительной техники использование стандартной (к-е) модели и подхода Смагоринского в качестве моделей турбулентности для разработки методов расчета аэродинамики камерообразных сооружений и < к-Ь) модели турбулентности для расчета аэродинамики протяженных выработок;

3. Обоснован выбор конечно-разностных схем аппроксимации членов адвекции уравнения турбулентного переноса примеси при-

менительно к задачам проветривания плоских камерообразных выработок :

- при проведении взрывных работ рекомендуется к использованию схема Takacs;

- при эксплуатации оборудования с ЛВС рекомендуется к использованию схема Fromma.

Для ситуации, когда точность прогнозных оценок менее важна, но есть необходимость в уменьшении затрат компьютерного времени, рекомендуется схема "классики" (против потока).

4. Разработан комплекс программ (совместно с Баклановым A.A.) "Численное моделирование аэродинамики камерообразных горных выработок и процессов их проветривания при проведении взрывных работ и эксплуатации оборудования с ДВС" и подготовлена инструкция пользователя. Определены области использования разработанного комплекса программ:

- при проведении научных исследований;

- при проектировании, разработке и эксплуатации камерообразных сооружений;

- для обоснования ряда параметров систем автоматизированного контроля качества рудничной атмосферы.

5. Доказана адекватность реализуемых математических моделей по Факту достаточной сходимости результатов численного моделирования с данными натурных наблюдений и Физических экспериментов, что позволяет рекомендовать разработанный "инструмент " для решения широкого круга научных и прикладных вопросов.

6. На основе результатов выполненных численных экспериментов по расчету физических полей неравновесных процессов воздухообмена в камерообразных выработках показано, что:

- при численных расчетах процессов проветривания камерообразных выработок с высотой более 2.5 м (для взрывных работ) необходимо рассматривать примесь в зоне отброса газов как динамически активную, т .е. учитывать тепловой перегрев газового облака;

- точность расчета времени проветривания камерообразных выработок при проведении взрывных работ для ситуации, когда зона отброса газов попадает в зону влияния обратных потоков, в значительной степени определяется истинным распределением примеси в газовом облаке, что указывает на необходимость проведения дополнительных исследований по определению распределения примеси в зоне отброса газов;

- использование схемы SHASTA для аппроксимации адвективных членов уравнения движения в виду большой схемной вязкости приводит к нефизичным результатам.

В заключении автор считает своим долгом выразить признательность и благодарность за постоянное внимание и поддержку во время работы научному руководителю Калабину Г.В., фактически выполнявшего роль научного консультанта Бакланову A.A., Пу-коэскоку В.Д. и сотрудникам лаборатории рудничной аэрологии Горного института и лаборатории экоинФорматики и моделирования окрукапией среды Института проблем промышленной экологии Сеее-

ра Кольского научного центра Российской Академии Наук.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Амосов П.В., Бакланов A.A. К вопросу о численном решении уравнения переноса. - 8 кн.:Раэработка и совершенствование способов и средств добычи и обогащения полезных ископаемых Кольского полуострова/ Тезисы региональной конференции, Мурманск, изд. НТО, 1Э87, с. 58-59.

2. Амосов П.В. Численное модепирование процесса распространения газового облака в протяженной выработке. - В сб.: Вентиляция шахт и рудников "Комфортность и безопасность атмосферы", Л., изд. ЛГИ, 1988, с. 100-104.

3. Амосов П.В. Метод расчета аэрогазодинамики камерооб-разных горных заработок на основе математических моделей. -В кн .: VI Региональная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов по проблеме добычи и обогащения руд. Тезисы докладов, Апатиты, 1990, с. 29-31.

4. Амосов П.В. Определение величины пульсации примеси по результатам математического моделирования. - Там же, с." 31-32.

5. Амосов П.В., Бакланов A.A., Калабин Г.В. Численное моделирование процессов аэрогазодинамики в задачах расчета и контроля проветривания камерообразных выработок. // Аэрология калийных рудников: Матер, регион, семин., Кунгур, июнь 1989/ АН СССР, УрО. Перм. научн. центр. Горный ин-т. - Свердловск, 1989, с. 51-54.

е. Калабин Г.В., Бакланов A.A., Амосов П.В. Метод расчета аэрогазодинамики плоских камерообразных выработок на основе математического моделирования. - ФТПРПИ, 1990, N 1, с.' 74-88.

7. Бакланов A.A., Амосов П.В. К вопросу о численном моделировании теплового взаимодействия горного массива с воздушной средой. - В кн.: Численные и аналитические исследования в подземном строительстве, Апатиты, 1990, с. 46-51.

а. Амосов П.а., Бакланов A.A. Численная модель аэротермодинамики и вентиляции промышленных и общественных помещений. -Апатиты, 1990, Препринт ИППЭС КНЦ АН СССР. - 25 с.