автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка метода динамического расчёта шахтной вентиляции для моделирования аэрологических чрезвычайных ситуаций

На правах рукописи

ТАНЦОВ Петр Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОЛОГИЧЕСКИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

05.26.02 - «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (в горной промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2013

005537524

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре Электротехники и информационных систем

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шкундин Семён Захарович

Официальные оппоненты:

Ушаков Владимир Кимович, доктор технических наук, профессор кафедры

Устинов Николай Иванович, кандидат технических наук, ведущий научный

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Научный центр Восточный научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности» (ОАО «НЦ ВостНИИ»), г. Кемерово

Защита диссертации состоится 27 ноября 2013 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.128.06 при Московском государственном горном университете (МГГУ) по адресу: г. Москва, Ленинский пр., д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан октября 2013 г.

Высшей математики Московского государственного горного университета

сотрудник ОАО «Национальный научный центр горного производства «Институт горного дела им. A.A. Скочинского»

доктор технических наук

Учёный секретарь диссертационного сове

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На сегодняшний день проблема метаноопасности остаётся одной из главных в угольной промышленности. Несмотря на большое количество исследований названной проблемы в течение последних 100 лет, большинство аварий на угольных шахтах до сих пор происходит вследствие метанопроявлений.

Расчёты воздухораспределения как при проектировании систем проветривания шахт, так и в чрезвычайных ситуациях основаны на использовании компьютерных алгоритмов и программ, которые не учитывают динамику шахтных вентиляционных сетей, а именно изменения воздухораспределения при изменениях аэродинамических характеристик выработок сети, не описывают возникающих переходных аэрогазодинамических процессов. Любое воздействие на вентиляционную сеть шахты (изменение аэродинамических сопротивлений выработок, режимов работы вентиляторов главного и местного проветривания) приводит к возникновению переходных процессов, которые могут провоцировать такие чрезвычайные ситуации, как опрокидывание струй, увеличение концентрации метана в исходящей струе выемочного участка, загази-рование выработок и т.п.

В связи с этим разработка алгоритмов и программ динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, учитывающих изменение расходов воздуха в выработках во времени, является актуальной и может существенно повысить точность прогнозирования и управляемость аэрогазодинамических процессов, в том числе в чрезвычайных ситуациях.

Цель работы заключается в разработке быстродействующего метода, алгоритма и программы динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, включающего расчёт переходных аэродинамических процессов, возникающих при изменении параметров горных выработок, источников тяги и депрессий, и включающего как частное решение стационарное воздухораспределение, для более эффективного управления вентиляционной сетью шахты в рабочем режиме и в чрезвычайных ситуациях.

Идея работы состоит в том, чтобы исходя из энергетических соотношений, характеризующих движение воздуха по горным выработкам, разработать математическую модель динамического описания шахтной вентиляции, в которой расходы воздуха в каждой выработке выражены функциями времени.

Объекты исследования — шахтная вентиляционная сеть, методы численного решения систем дифференциальных уравнений, их сходимость и быстродействие, анализ возможности применения этих методов к описанию вентиляционной сети в чрезвычайных ситуациях.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Предупреждение аэрологических чрезвычайных ситуаций и ликвидация их последствий основываются на динамическом моделировании управляющих воздействий на вентиляционную сеть шахты, включающем не только расчёт и перерасчет стационарного воздухораспределения в выработках на секундных периодах, но и описание переходных аэродинамических процессов в выработках, сопровождающих изменение их аэродинамических сопротивлений, реверсирование и опрокидывание вентиляционных потоков, изменение режимов вентиляторов, возникновение пожаров.

2. Динамическое моделирование воздухораспределения в шахте возможно путём использования второго закона Ньютона и уравнения Лагранжа с целью получения системы дифференциальных уравнений, каждое из которых содержит производную по времени от расхода воздуха в данной выработке, допускающей решение в виде стационарного и динамического воздухораспределения.

3. Адаптивный выбор численного решения системы дифференциальных уравнений по текущему анализу скорости их сходимости (методы Эйлера, Зей-деля, Гаусса, Рунге-Кутта) позволяет достичь надлежащей скорости вычисления, необходимой для воспроизведения переходных аэродинамических процессов практически любой длительности (от нескольких часов до нескольких минут).

Обоснованность и достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждаются:

• непротиворечивостью выводов дифференциальных уравнений и зависимостей расходов воздуха от времени, их соответствием уравнениям сохранения (аналогам 1-го и 2-го законов Кирхгофа);

• совпадением результатов моделирования с существующими расчётами стационарного воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях, сходимостью с экспериментальными данными.

Научное значенне работы состоит:

в разработке математической модели движения воздуха в шахтной сети, представляющей собой систему дифференциальных уравнений, решение которой описывает изменения расходов воздуха во времени в любой выработке сети при наличии возмущений как в штатном режиме, так и при возникновении чрезвычайных ситуаций.

Практическое значение работы состоит:

в программной реализации разработанных алгоритмов динамического расчёта проветривания угольных шахт.

Реализация работы

Результаты работы были использованы для динамического расчёта вентиляции шахты «Таллинская-Западная», г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл. Впервые были получены расходы воздуха в выработках шахты как функции времени при наличии возмущений, характерных для чрезвычайных ситуаций.

Апробация работы

Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2013), семинарах кафедры ЭИС МГГУ (2010-2013 гг.), в шахтоуправлении «Талдинское-Западное», на международной конференции по безопасности в горном деле SESAM 2013, Сибиу, Румыния.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы

Диссертация, состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 10 таблиц, 34 рисунка, список литературы из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблемами вентиляции угольных шахт в нашей стране занимались известные учёные. Основоположниками теории рудничной вентиляции являются

A.A. Скочинский, В.И. Воронин. Также можно выделить следующие имена: Абрамов Ф.А, Бойко В.А., Тян Р.Б., Фельдман Л.П., Багриновский А.Д., Болбат И.Е., Пучков Л.А., Бурчаков A.C., Клебанов Ф.С., Круглов Ю.В., Местер И.М., Милетич А.Ф., в том числе сотрудники Московского горного института: Аюров

B.Д., Бахвалов Л.А., Ушаков К.З., Иванников А.Л., Каледина Н.О., Пучков Л.А., Шкундин С.З.

Расчётами воздухораспределения начали заниматься в 50-е годы XX века. Тогда это представляло собой моделирование шахтных вентиляционных сетей с помощью электронных устройств - резисторов, проводников, источников тока и напряжения (Багриновский и др.). С появлением персональных ЭВМ началась адаптация сетевых методов расчёта к шахтным вентиляционным сетям (Абрамов, Тян, Потёмкин и др.), включающая в себя целый класс задач, касающихся ускорения и точности расчёта, определения аэродинамических характеристик угольных шахт и т.д.

Несмотря на обилие работ по этой тематике, многие задачи не решены до сих пор, например, задача динамического расчёта воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях.

Среди методов расчёта воздухораспределения в шахте большое распространение получили методы Андрияшева-Кросса и их модификации, изначально разработанные для расчёта гидравлических сетей, а позднее адаптированные

для шахтных вентиляционных сетей. Существующие программы расчёта воз-духораспределения прямо ссылаются на эти методы. Недостатки методов Анд-рияшева-Кросса носят технический характер и могут быть преодолены путём модификации алгоритма численного решения системы уравнений, однако главный недостаток остаётся - неспособность расчёта динамических процессов шахтной вентиляции, а именно переходных процессов.

На основании вышеизложенного были сформулированы основные задачи исследования:

1. Сравнительный анализ методов решения многопараметрических сетевых задач.

2. Разработка и обоснование метода динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, учитывающего зависимость расхода воздуха в каждой выработке от времени.

3. Разработка алгоритма и программы реализации метода динамического расчёта шахтной вентиляционной сети для практического применения при проектировании и управлении системой вентиляции шахты, в том числе в чрезвычайных ситуациях.

4. Проверка и сравнение результатов расчёта вентиляционных сетей методом динамического расчёта с известными экспериментальными данными и результатами расчёта стационарными методами.

5. Моделирование штатных и нештатных аэродинамических режимов проветривания шахты, чрезвычайных ситуаций (таких, как пожар, остановка ВГП и т.д.).

В работе подробно рассмотрены основные недостатки увязочных методов расчёта воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях. Охарактеризуем их:

1. Методы изначально предназначены для расчёта естественного воздухораспределения и не предполагают использования источников тяги произвольной формы.

2. Существующие модификации методов позволяют использовать источники тяги лишь с определённой формой напорных характеристик, например, в виде зависимостей Р, = а, - - или Р,=а,- 6,0, + с,()? - (¡¡0}, однако существуют источники тяги с характеристиками иной формы, для которых необходимо более универсальное представление.

3. Методы имеют медленную осциллирующую сходимость, особенно в случае больших разветвлённых сетей с множеством источников тяги различного типа.

4. В случае наличия в сети больших и малых по величине аэродинамических сопротивлений ветвей итерационный процесс сходится очень медленно.

5. Методы не учитывают зависимости расхода воздуха от времени, и поэтому не имеют возможности определять характерное время и вид переходных процессов при изменении режима проветривания шахты.

При исследовании потокораспределения в шахтах нужно учитывать, что шахтная вентиляционная сеть является сложной динамической системой, аэродинамические параметры которой подвержены изменениям. На изменение аэродинамических параметров влияет множество факторов, таких, например, как движение техники, изменение длин выработок при проходке и добыче угля, открывание/закрывание дверей, перемещение людей, проседание кровли и т. п. Все эти факторы влияют на аэродинамическое сопротивление горных выработок, которое является функцией времени.

Из этого следует, что потокораспределение в горных выработках шахты постоянно меняется. Процесс же изменения потокораспределения происходит не мгновенно, а постепенно с течением времени. Однако современные методы расчёта не позволяют определять переходные процессы, что существенно снижает эффективность и правильность управляющих воздействий на вентиляционную сеть шахты в чрезвычайных ситуациях.

Были рассмотрены работы, связанные с исследованием возможностей динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, это работы Ващилова В.В., Костеренко В.Н., Круглова Ю.В. Однако предложенные в них аэрогазоди-6

намические модели сложны и избыточны (в частности, сжимаемость воздушной струи при существующих на шахтах длинах выработок и скоростях потока пренебрежимо мала, и её можно не учитывать в расчётах (Скочинский)) и не позволяют рассчитывать переходные аэродинамические процессы в реальных шахтных вентиляционных сетях за допустимо короткое время с нужной точностью.

В настоящей работе предложен новый, существенно отличающийся от существующих, подход к расчёту динамических процессов шахтной вентиляции. Метод, алгоритм и программа динамического расчёта разработаны совместно с проф. А.Г. Петровым и В.В. Вановским.

Рассмотрим движение воздуха в горной выработке (рис. I) с известными ламинарным а и турбулентным /? аэродинамическими сопротивлениями и источником тяги Н (Па) с точки зрения второго закона Ньютона.

Рис. 1. Выработка шахты с дополнительной депрессией

Второй закон Ньютона для выработки с движущимся потоком газовоздушной смеси может быть представлен в виде:

та = НБ-(а<2+ Р<2\<2^ > (!)

где т - масса воздуха, находящегося в выработке, кг; а - ускорение воздушного потока, м/с2; 5 - площадь поперечного сечения выработки, м2; О - расход воздуха в выработке, м3/с; а (кМюрг м3/с), /? (кМюрг) - ламинарное и турбулентное аэродинамические сопротивления соответственно;

Заменяем в формуле (1) та = = — —, получаем:

Л 5

и

ИЛИ

и

• ¿п

где р - плотность воздуха, кг/м3; Ь - длина выработки, м; ¡2 = —.

Л

В формуле (2) величина = Ь характеризует инерционность воздуха и

эквивалентна индуктивности участка электрической цепи, а а()+ пред-

ставляет собой потерю напора в выработке под воздействием сопротивления воздушному потоку (правая часть закона сопротивления).

В результате простейших преобразований мы получим уравнение, в котором расход воздуха в выработке является функцией времени.

Для расчёта стационарного воздухораспределения необходимо подготовить начальные данные: для каждой выработки шахты необходимо указать:

• номер;

• номер начального узла;

• номер конечного узла;

• депрессию источников тяги Н;

• аэродинамические сопротивления аир.

Для расчёта динамического воздухораспределения, кроме перечисленных выше параметров, требуется дополнительно указать длины выработок, средние площади поперечных сечений, и, если известно, плотность воздуха в ней, а также изменённые параметры и моменты времени, в которые наступают изменения.

Рассмотрим на примере шахтной вентиляционной сети (рис. 2) систему дифференциальных уравнений, полученную в результате применения представленного выше подхода.

-о—©-

/I

1\

12

(Ь

V

7

"К

®<2) и \ /

® >

ю

Рис. 2. Фрагмент шахтной вентиляционной сети

Используя уравнение (2) в сочетании с 2-м законом для сетей

к

получаем систему дифференциальных уравнений относительно расходов воздуха в шахте. В частности, для схемы на рис. 2, получаем следующую систему

уравнении:

л й

л' <1

(- А, - А4 + А5 + А8)- А, - /г4 + А5 + Л8 = о (-А2 + И4 -й5 + А6 - А7 + й9)-й2 +/г4 — А5 + А6 -Л7 + А9 = 0

7 ^ ¿з - К + й7 + Аю)" - А6 + Л7 + А,о = О (А, + й2 + Иъ + А,,)+ А, + /г2 + /?3 + /г,, = Я,, (- А2 + А4 + А6 + /г12)- А2 + А4 + А6 + А12 =0,

где

V

л'

А

Ъ, =<*&+№Ш,

— А, = - (а,д, + д а |а |) = (а, + 2 Д () ■ О, . Л

Решение полученной системы уравнений можно определить любым доступным численным методом, например, неявным или явным методом Эйлера, методом Рунге-Кутта.

Расчёт воздухораспределения был опробован на вентиляционной сети шахты «Талдинская-Западная-2». Результаты представлены в табл. 1. Погрешность расчётных данных с измеренными для каждой выработки составила не более 10%, при этом невязка расходов воздуха в узлах сети и депрессий в контурах меньше 10"" соответственно м7мин и Па.

Также расчёты воздухораспределения совпадают с фактическими значениями для шахт «Талдинская-Западная-1», «Котинская», «Абашевская», «Рас-падская», «Южная».

Рис. 3. График сходимости ММД и ДМР

На рис. 3 представлены графики сходимости метода межузловых депрессий (ММД) и метода динамического расчёта (ДМР) для схемы на рис. 2, который наглядно демонстрирует медленную (по сравнению с ДМР), осциллирующую сходимость ММД. Это подтверждается также расчётами и более крупных шахтных вентиляционных сетей, содержащих до 5000 горных выработок. Расчёт по методу динамического расчёта производился по неявной схеме Эйлера, обладающей, как известно, достаточно плохой сходимостью по сравнению с явной схемой.

Таблица 1. Сравнение результатов расчёта с измеренными расходами

№ ветви № нач. узла № кон. узла Название и, кМюрг н, даПа Офакт т м3/мин Qpacч.» м3/мин

1 1027 1122 Канал вентилятора 0.00007 0 5383 5378

2 6 17 Шурф 0.001942 0 5050 5047

3 7 8 Конвейерный ствол 0.00145 0 1341 1331

4 18 15 Путевой ствол 0.00163 0 1507 1497

5 162 258 Кроссинг 0.000169 0 2468 2468

6 8 10 Сбойка №2 0.050871 0 148.9 147.1

7 10 272 Путевой ствол 0.000547 0 1662 1650

8 9 11 Сбойка №1 0.00976 0 218.6 217.0

9 49 77 Обводной вент, штрек 0.000352 0 25.85 24.70

50 64 50 ВЦ-25 резерв 0.046865 1Й50Т1 5506 5499

51 68 64 Короб 0.000131 0 5384 5378

52 33 34 Конвейерный ствол 0.002444 0 1058 1051

53 131 129 Сбойка 5-5 5 0 5.30 4.74

54 17 35 Вент, ствол 0.000287 0 4921 4919

55 34 21 Конвейерный ствол 0.000509 0 1157 1150

571 321 329 Вентилятор ВЦ-25 0.058106 558.8 4680 4673

572 322 321 Вентилятор ВЦ-25 50 0 124.4 123.4

573 327 154 Фланговый вент, канал 0.00003 0 4369 4366

574 4483 4482 Сбойка №8-2 2.000154 0 12.50 11.53

575 373 338 Водосборник №3 0.00054 0 57.97 57.66

1200 189 83 ЛАВА 7008 0.002143 0 1281 1288

1203 223 4604 Монтажная камера 7009 0.00006 0 1041 1047

1205 156 4562 Фланговый вент, уклон 0.000299 0 687.9 689.7

1206 252 199 Фланговый путевой уклон 0.00012 0 568.4 571.9

1207 199 4593 Фланговый путевой уклон 0.000115 0 1624 1636

1208 4608 156 Фланговый вент, уклон 0.00005 0 472.5 474.8

1209 4609 106 Путевой ствол 0.001374 0 1644 164.8

Возможности метода динамического расчёта и его возможности можно продемонстрировать на типичном примере шахтной вентиляционной сети (рис. 4). Для каждой выработки шахты заданы необходимые начальные данные.

Метод динамического расчёта впервые позволяет рассчитывать переходные аэродинамические процессы в выработках угольных шахт при изменении параметров сети. Это даёт возможность, в частности, улавливать временные опрокидывания струй при переходных процессах. Так, например, в шахтной вентиляционной сети, представленной на рис. 4, при совокупности определённых условий (например, пожар, неустойчивость проветривания некоторых выработок) возможно временное опрокидывание струи (рис. 5) в одной из выработок шахты. Очевидно, что существующие методы стационарного расчёта не позволяют отследить возникновение подобных чрезвычайных ситуаций.

у „.Вент, шурф

канат ЮТГ\ \

! Ш А/ /у

%!] I

I

доп. депрессия в виде пожара

Конвейерный штрек АВ

Вент, штрек

а

Конвейерный штрек 58

......... Дренажны й штрек

ч

и

II

Рис. 4. Фрагмент вентиляционной сети шахты «Южная»

0(1), мЗ/с

Рис. 5. Возможный переходной процесс в выработке шахты «Южная»

Рис. 6. Переходные аэродинамические процессы в выработке №1 фрагмента шахты «Южная» при различных параметрах вентиляционной сети

Длительность переходного аэродинамического процесса в шахте по аналогии с электрическими цепями определяется отношением характерной длины выработки (аналог индуктивности) к её характерному аэродинамическому со-

противлению (аналог активного сопротивления), т.е. Ь/Я. Динамическое моделирование переходных аэродинамических процессов на типичном фрагменте шахтной вентиляционной сети показало, что увеличение суммарной длины выработок и/или их суммарного аэродинамического сопротивления приводит к возрастанию длительности переходных аэродинамических процессов (рис. 6-2, 6-3, 6-4 по сравнению с рис. 6-1).

Моделирование показало, что переходные аэродинамические процессы и связанные с ними чрезвычайные ситуации, такие как временные опрокидывания вентиляционных струй, в шахтных вентиляционных сетях в зависимости от их сложности и размера могут длиться от нескольких секунд до нескольких минут, что может привести к другим чрезвычайным ситуациям, например, к проникновению при пожаре отработанных газов в выработки, предназначенные для вывода людей на дневную поверхность.

Разработанный метод благодаря возможности расчёта переходных аэродинамических процессов является более чувствительным к опрокидываниям вентиляционных струй. Применение метода на шахте для моделирования чрезвычайных ситуаций даст возможность определить наиболее эффективные и безопасные управляющие воздействия на вентиляционную сеть шахты, исключающие такие чрезвычайные ситуации, как временные опрокидывания вентиляционных струй, что позволит повысить уровень аэрологической безопасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе уравнений динамики газа, учитывающих изменение расходов воздуха в выработках во времени, разработан новый метод динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей в нормальных условиях и в условиях чрезвычайных ситуаций.

Основные выводы и результаты, полученные автором:

1. На основе анализа статистических данных по чрезвычайным ситуациям в газообильных угольных шахтах сделан вывод, что самыми опасными, с тяжёлыми последствиями являются ЧС, вызванные газопроявлениями.

2. Существующие методы расчёта, хотя и довольно точно считают возду-хораспределение в шахте в определенных заранее заданных условиях, всё же не рассматривают шахтную вентиляционную сеть как динамическую систему, в которой расходы воздуха в выработках при изменении параметров шахты имеют совершенно определённую и предсказуемую зависимость от времени.

3. Доказано, что динамическое моделирование воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях возможно путём применения второго закона Ньютона и уравнения Лагранжа.

4. На основе уравнения Лагранжа 2-го рода получена математическая модель движения воздуха в шахтной вентиляционной сети, в которой расходы воздуха выражаются функциями времени, и учитывается инерционность воздушной массы.

5. Разработаны метод динамического расчёта шахтной вентиляции, включая этап формирования системы дифференциальных уравнений.

6. Разработаны алгоритм и программа расчёта шахтных вентиляционных сетей динамическим методом, реализация которых на ЭВМ позволяет, не задавая начальных приближений, сразу же приступать к расчёту распределений воздуха (статического и динамического) даже при наличии «висячих» узлов, указывающих на существование непроветриваемых выработок.

7. Доказано, что моделирование вероятных опрокидываний вентиляционных струй возможно с использованием разработанного метода, алгоритма и программы.

8. Доказана достоверность расчётов стационарного воздухораспределения динамическим методом на типичных фрагментах вентиляционных сетей, а также на примере вентиляционной сети реальной шахты. Показана зависимость изменения расходов воздуха в выработках шахты от времени в чрезвычайных ситуациях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Танцов П.Н. Актуальность перехода к динамическому расчёту шахтных вентиляционных сетей, // Горный информационно-аналитический бюллетень, (технический журнал), 2013 - №8, С. 345 - 349.

2. Танцов П.Н. Переходные аэродинамические режимы в шахте - как источник чрезвычайных ситуаций, // Горный информационно-аналитический бюллетень (технический журнал), отдельные статьи - Динамическое моделирование воздухораспределения в шахте как средство предотвращения чрезвычайных ситуаций, 2013 - №6, С. 3 - 7.

3. Танцов П.Н. Моделирование нештатных аэрогазодинамических процессов на выемочных участках угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень (технический журнал), отдельные статьи - Динамическое моделирование воздухораспределения в шахте как средство предотвращения чрезвычайных ситуаций, 2013 - №6, С. 8 - 14.

4. Шкундин С.З., Петров А.Г., Вановский В.В., Танцов П.Н. Динамический расчёт шахтных вентиляционных сетей [Текст] / МГГУ, М., 2013. - 8 е.: - Деп. в изд. «Горная книга» 11.06.13 №978/09-13.

5. Шкундин С.З., Иванников A.JL, Танцов П.Н. Повышение сходимости метода межузловых депрессий при расчёте шахтных вентиляционных сетей, // Горный информационно-аналитический бюллетень, (технический журнал), издательство «Горная книга», 2011, отдельный выпуск №6, С. 422 - 427.

6. Жердев A.A., Петров Е.Г., Танцов П.Н. Прикладное программное обеспечение акустического спирометра, // Горный информационно-аналитический бюллетень (технический журнал), отдельные статьи - Математическое обеспечение САПР акустического спирометра и прикладное программное обеспечение спирометрии, 2011 -№7, С. 8-12.

Подписано в печать 16.10.2013 Формат 60x90/16 Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 131

РИО СОПС. 117977, Москва, ГСП-7, ул. Вавилова, 7.

МИНИСТЕРСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201364061

На пр ах рукописи

ТАНЦОВ Петр Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОЛОГИЧЕСКИХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Специальность: 05.26.02 - «Безопасность в чрезвычайных ситуациях»

(в горной промышленности)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Шкундин С.З.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............7

1.1. Проветривание - основное средство обеспечения аэрологической безопасности угольных шахт..................................................................................7

1.2. Основные методы расчёта потокораспределения в шахтных вентиляционных сетях...........................................................................................20

1.3. Вычислительные возможности увязочных методов...................................25

1.4. Способы представления выработанного пространства в шахтных вентиляционных сетях...........................................................................................30

1.5. Выводы. Цель и задачи исследования..........................................................44

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА В03ДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЯХ.........................................................46

2.1. Методы расчёта статического воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях...........................................................................................46

2.2. Достоинства и недостатки методов стационарного расчёта воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях...............................55

2.3. Актуальность перехода к парадигме динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей..........................................................................................62

2.4. Подходы к динамическому расчёту шахтных вентиляционных сетей.....65

2.5. Выводы.............................................................................................................68

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ................................................................................69

3.1. Постановка задачи..........................................................................................69

3.2. Математическая модель динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей..........................................................................................70

3.3. Статическая задача.........................................................................................73

3.4. Динамическая задача......................................................................................80

3.5 Выводы..............................................................................................................84

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ГАЗОВЫХ РЕЖИМОВ.................................................................................................................85

4.1. Опасности, возникающие вследствие газовыделений из выработанного пространства угольных шахт................................................................................85

4.2. Понятие переходной газовой характеристики выработанного пространства...........................................................................................................95

4.3. Выводы...........................................................................................................103

5. АПРОБИРОВАНИЕ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ..............................................................................104

5.1. Расчёт стационарного воздухораспределения...........................................104

5.2. Динамический расчёт воздухораспределения и моделирование чрезвычайных ситуаций......................................................................................105

5.3. Расчёт воздухораспределения в вентиляционной сети шахты «Талдинская-Западная».......................................................................................118

5.4. Длительность переходных аэродинамических процессов.......................119

5.5. Выводы...........................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

На сегодняшний день проблема метаноопасности остаётся одной из главных в угольной промышленности. Несмотря на большое количество исследований названной проблемы в течение последних 100 лет, большинство аварий на угольных шахтах до сих пор происходит вследствие метанопроявлений.

Расчёты воздухораспределения как при проектировании систем проветривания шахт, так и в чрезвычайных ситуациях основаны на использовании компьютерных алгоритмов и программ, которые не учитывают динамику шахтных вентиляционных сетей, а именно изменения воздухораспределения при изменениях аэродинамических характеристик выработок сети, не описывают возникающих переходных аэрогазодинамических процессов. Любое воздействие на вентиляционную сеть шахты (изменение аэродинамических сопротивлений выработок, режимов работы вентиляторов главного и местного проветривания) приводит к возникновению переходных процессов, которые могут провоцировать такие чрезвычайные ситуации, как опрокидывание струй, увеличение концентрации метана в исходящей струе выемочного участка, загази-рование выработок и т.п.

В связи с этим разработка алгоритмов и программ динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, учитывающих изменение расходов воздуха в выработках во времени, является актуальной и может существенно повысить точность прогнозирования и управляемость аэрогазодинамических процессов, в том числе в чрезвычайных ситуациях.

Цель работы заключается в разработке быстродействующего метода, алгоритма и программы динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей, включающего расчёт переходных аэродинамических процессов, возникающих при изменении параметров горных выработок, источников тяги и депрессий, и включающего как частное решение стационарное воздухораспределение, для

более эффективного управления вентиляционной сетью шахты в рабочем режиме и в чрезвычайных ситуациях.

Идея работы состоит в том, чтобы исходя из энергетических соотношений, характеризующих движение воздуха по горным выработкам, разработать математическую модель динамического описания шахтной вентиляции, в которой расходы воздуха в каждой выработке выражены функциями времени.

Объекты исследования - шахтная вентиляционная сеть, методы численного решения систем дифференциальных уравнений, их сходимость и быстродействие, анализ возможности применения этих методов к описанию вентиляционной сети в чрезвычайных ситуациях.

Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Предупреждение аэрологических чрезвычайных ситуаций и ликвидация их последствий основываются на динамическом моделировании управляющих воздействий на вентиляционную сеть шахты, включающем не только расчёт и перерасчет стационарного воздухораспределения в выработках на секундных периодах, но и описание переходных аэродинамических процессов в выработках, сопровождающих изменение их аэродинамических сопротивлений, реверсирование и опрокидывание вентиляционных потоков, изменение режимов вентиляторов, возникновение пожаров.

2. Динамическое моделирование воздухораспределения в шахте возможно путём использования второго закона Ньютона и с це~ лью получения системы дифференциальных уравнений, каждое из которых содержит производную по времени от расхода воздуха в данной выработке, допускающей решение в виде стационарного и динамического воздухораспределения.

3. Адаптивный выбор численного решения системы дифференциальных уравнений по текущему анализу скорости их сходимости (методы Эйлера, Зей-деля, Гаусса, Рунге-Кутта) позволяет достичь надлежащей скорости вычисления, необходимой для воспроизведения переходных аэродинамических процес-

сов практически любой длительности (от нескольких часов до нескольких минут).

Обоснованность и достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждаются:

• непротиворечивостью выводов дифференциальных уравнений и зависимостей расходов воздуха от времени, их соответствием уравнениям сохранения (аналогам 1-го и 2-го законов Кирхгофа);

• совпадением результатов моделирования с существующими расчётами стационарного воздухораспределения в шахтных вентиляционных сетях, сходимостью с экспериментальными данными.

Научное значение работы состоит:

в разработке математической модели движения воздуха в шахтной сети, представляющей собой систему дифференциальных уравнений, решение которой описывает изменения расходов воздуха во времени в любой выработке сети при наличии возмущений как в штатном режиме, так и при возникновении чрезвычайных ситуаций.

Практическое значение работы состоит:

в программной реализации разработанных алгоритмов динамического расчёта проветривания угольных шахт.

Реализация работы

Результаты работы были использованы для динамического расчёта вентиляции шахты «Талдинская-Западная», г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл. Впервые были получены расходы воздуха в выработках шахты как функции времени при наличии возмущений, характерных для чрезвычайных ситуаций.

Апробация работы

Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2013), семинарах кафедры ЭИС МГГУ (2010-2013 гг.), в шахто-

управлении «Талдинское-Западное», на международной конференции по безопасности в горном деле SESAM 2013, Сибиу, Румыния.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы

Диссертация, состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 10 таблиц, 34 рисунка, список литературы из 109 наименований.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проветривание - основное средство обеспечения аэрологической безопасности угольных шахт

Актуальность. Проблема метанобезопасности продолжает оставаться одной из главных в угольной промышленности. Большинство крупных аварий с большим количеством смертей происходит в результате взрыва метано-воздушной смеси.

В целом аэрологическая безопасность в угольных шахтах напрямую зависит от качества управления аэродинамическими режимами, что в свою очередь зависит как от правильности проектных решений, так и от уровня шахтного менеджмента.

Правила безопасности угольных шахт рассматривают вентиляцию как основное условие обеспечения надлежащего качества воздуха в шахте, основными составными частями которого, как и атмосферного, являются кислород, углекислый газ и азот. Но в рудничном воздухе, по сравнению с атмосферным, содержится меньше кислорода и больше углекислого газа и азота.

Основными ядовитыми примесями рудничного воздуха являются окись углерода, окислы азота, сернистый газ, сероводород. В ряде случаев в рудничном воздухе встречаются аммиак, акролеин, альдегиды, цианистый водород, пары мышьяка и ртути.

Основными взрывчатыми примесями являются метан, водород, тяжелые углеводороды; иногда встречаются взрывчатые газы — аммиак и ацетилен.

Метан является основной составной частью рудничного газа, представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. В угольных шахтах рудничный газ состоит, в основном, из метана (иногда до 100%) с примесью С02 (до 5%), азота (несколько процентов), водорода и гомологов метана (суммарно 1+4%) и др.

Температура воспламенения метана 650+750°С. Она зависит от содержания метана в воздухе, состава атмосферы, давления, источника воспламенения.

С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5+6% он горит около источника тепла, от 5+6 до 14+16% -взрывается, свыше 14+16 - не горит и не взрывается, но может гореть у источника тепла при притоке кислорода извне.

Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% метана. При большей концентрации метана часть его остается несгоревшей из-за недостатка кислорода. Вследствие высокой теплоемкости метана, эта его часть охлаждает пламя взрыва. При содержании в воздухе СН4 свыше 14+16% происходит его полное самогашение и взрыв не возникает.

Наиболее легко воспламеняются воздушные смеси, содержащие 7+8% метана.

Пределы взрывчатости метановоздушной смеси расширяются с повышением ее начальной температуры и давления. Так, при начальном давлении 10 ат. метановоздушная смесь взрывается при содержании метана от 5,9 до 17,2%.

Следует отметить свойство запаздывания вспышки метана, состоящее в том, что его воспламенение происходит через некоторое время после возникновения контакта с источником тепла. Время запаздывания вспышки называется индукционным периодом. Наличие индукционного периода создает условия для предупреждения вспышки метана при взрывных работах путем применения предохранительных взрывчатых веществ. При этом время, необходимое для ос-

тывания продуктов взрыва ниже температуры воспламенения метана, должно быть меньше длительности индукционного периода.

Давление газа в месте взрыва примерно в 9 раз превосходит начальное давление газо-воздушной смеси до взрыва.

Предварительное сжатие метановоздушной смеси, распространяющейся взрывной волной, способствует развитию высоких давлений (до 30 ат. и выше).

При разработке угольных пластов и проектировании их вентиляции пользуются следующими их характеристиками:

Метаноносностъ - количество метана, содержащегося в природных условиях в единице веса или в единице объема угля или породы. Имеет размер-

3 3 3

ность м /т или м /м .

Метаноёмкостъ - количество газа в свободном и сорбированном состоянии, которое может поглотить единица веса или единица объема угля или породы при данном давлении и температуре.

Количество выделяющегося в шахте (выработке) метана и опасность шахты по метану характеризуется ее метанообильностью.

Различают абсолютную и относительную метанообильность.

Абсолютной метанообильностью называется количество метана, выделяющегося в шахте (выработке) в единицу времени (обычно измеряется в м3/мин).

Относительной метанообильностью шахты (выработки) называется общее количество выделившегося в шахте (выработке) метана, отнесенное к 1т добываемого угля.

По относительной метанообильности шахты делятся на четыре категории (табл. 1.1).

Шахты, в которых выделялся или выделяется метан хотя бы на одном пласте, считаются опасными по газу и должны быть переведены в разряд опасных по газовому фактору.

Табл. 1.1. Категории шахт по метану.

Категории шахт по метану I II III сверхкатегорные

Относительная ме- от 15 и выше или шахты, разра-

танообильность до 5 5+10 10+15 батывающие опасные пласты, по

шахты м /т выбросам и по суфлярам.

Для обеспечения безопасных условий работы в газовых шахтах содержание метана в выработках должно быть значительно меньше нижнего предела взрывчатости метановоздушной смеси (5%). Согласно Правилам безопасности, концентрация метана в рудничном воздухе не должна превышать следующих пределов:

- исходящая из участка, очистного забоя и подготовительной выработки- 1,0%;

- общая исходящая шахты, крыла - 0,75%;

- поступающая в очистные или подготовительные забои - 0,50%;

- местное скопление в очистных забоях, в подготовительных и других выработках - 2,00%.

Исходя из вышесказанного при проектировании разработки угольных месторождений, в части «вентиляция» следует стремиться к решению задачи эффективного разбавления метана, выделяющегося из пластов угля и выработанного пространства, приводя концентрацию метана в рудничном воздухе к нормативным показателям. Ошибки при проектировании могут привести к ухудшению безопасности труда, ограничению нагрузки на забои, увеличению затрат труда и средств на реконструкцию шахты.

При проектировании вентиляции шахты решаются задачи выбора схем вентиляции участков шахты, прогноза выделений вредных газов в выработки, определения расхода воздуха для вентиляции шахты, проверки сечения выра-

боток по допустимой скорости движения воздуха, проверки устойчивости движения воздуха в выработках, расчёта депрессии шахты, регулирования распределения воздуха по выработкам шахты, выбора способа вентиляции шахты и вентилятора главного проветривания и т. д.

При выборе схемы вентиляции участков шахт в процессе проектирования необходимо соблюдать следующие требования. Схема вентиляции должна обеспечить:

• подачу к местам потребления необходимого количества воздуха; в ряде случаев для этого может потребоваться проведение дополнительных выработок, переход от схем с последовательной вентиляцией к схемам с параллельной вентиляцией объектов;

• минимальное аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети, при котором достигается минимальная депрессия шахты и максимальный расход воздуха;

• минимальные утечки воздуха, что возможно при надёжном разделении свежих и исходящих струй (например при фланговой схеме вентиляции), минимальном числе их пересечен