книги / Методы математического моделирования рудничных аэрологических процессов и их численная реализация в аналитическом комплексе Аэросеть
..pdfприближении. Подобная ситуация имеет место, например, при моделировании пожаров в горных выработках, когда быстро растущие тепловые депрессии в считанные секунды изменяют движение воздуха вплоть до опрокидывания потоков.
Главным фактором, определяющим динамику тепловых депрессий в руднике, является теплообмен движущегося по выработкам воздуха с породным массивом. А поскольку интенсивность теплообмена зависит от того, насколько быстро и глубоко температурные изменения проникают вглубь породы, то задача расчета теплопереноса в массиве оказывается относящейся непосредственно к моделированию аэрологических процессов.
Основные выводы по совокупности изложенных в книге математических моделей и методов расчета рудничных аэрологических процессов представляются следующим образом.
Моделирование работы эжекторных установок для организации рециркуляционного проветривания позволяет добиться значительного улучшения вентиляции рабочих зон при минимальных затратах электроэнергии.
Потери депрессии на сопряжениях горных выработок оказываются существенными в местах сопряжения стволов с горизонтами и калориферными каналами, а также на любых сопряжениях горных выработок больших сечений.
Учет инерционности воздушных потоков необходим при моделировании аварийных процессов, связанных с рудничными пожарами, отключениями и реверсированиями главной вентиляционной установки.
Влияние отработанных пространств на переходные процессы нестационарного воздухораспределения после остановки или реверса вентилятора моделируется на основе решения общей системы уравнений, так как метод контурных расходов оказывается непригодным для описания движения сжимаемой среды.
При описании процессов переноса вредных примесей используется модель идеального вытеснения, в рамках которой частицы газа или дыма пассивно переносятся воздушным потоком с возможностью сорбции поверхностью породного массива. Распространение пыли моделируется с учетом ее коагуляции
361
и оседания, а также взаимодействия с каплями воды при влажном обеспыливании воздуха.
Перенос влаги, в отличие от газа и пыли, тесно связан с температурой воздуха, изменяющейся по ходу движения. На основе предварительного расчета температурных изменений воздуха определяются интенсивности испарения и конденсации влаги, позволяющие прогнозировать время, протяженность
иколичество выпадаемой влаги и ее миграцию вглубь рудника в зимний период.
В первом приближении перенос тепла воздухом также описывается моделью идеального вытеснения с заданным коэффициентом теплообмена. Учитываются также специфические эффекты теплового режима воздуха в стволах – геотермическое увеличение температур пород с глубиной и разогрев воздуха в результате его гидростатического сжатия. Процессы переноса тепла
ипримесей смоделированы в программе «АэроСеть» в виде отдельного модуля теплогазодинамического расчета.
Коэффициент теплообмена не является величиной заданной и постоянной. Определяется он либо с помощью аналитических зависимостей различного уровня сложности, либо на основании точного решения задачи теплообмена в сопряженной постановке.
Для описания сложной динамики тепловых депрессий разработана модель расслоения воздушных потоков по сечению горных выработок, на основании которой удается получать адекватную картину движения воздуха в зоне рудничных пожаров, а также в стволах после отключения главного вентилятора и определять величину естественной тяги.
Отдельное направление математического моделирования – развитие энергосберегающих технологий проветривания. В соответствии с требованиями безопасности каждый участок рудника должен быть обеспечен определенным количеством свежего воздуха. И есть множество способов этого обеспечения, из которых целесообразно выбирать наименее энергоемкие. Для этих целей разработан алгоритм оптимального регулирования воздухораспределения средствами отрицательного регулирования с минимизацией нагрузки на главный вентилятор. Алгоритм
362
реализован численно на базе метода контурных расходов, позволяет в автоматическом режиме находить оптимальные решения при заданных параметрах вентиляционной сети и может также использоваться для проектирования вентиляции.
При отсутствии достаточного количества данных о параметрах вентиляционной сети информация считывается с датчиков, и работа приведенного алгоритма оказывается крайне медленной из-за большого количества операций. Для осуществления управления проветриванием в реальном времени разработан упрощенный алгоритм с возможностью редактирования его в сложных ситуациях.
Большинство представленных моделей аэрологических процессов реализованы численно в аналитическом комплексе «АэроСеть» [35], а также интегрированы в программно-интер- фейсный модуль «План ликвидации аварий» [89], предназначенный для практического использования разработанных моделей вентиляционных процессов применительно к прогнозу, профилактике и борьбе с рудничными авариями.
363
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. – М.: Советское законодательство, 1932. – 62 с.
2.Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. – М.: Наука, 1985. – 280 с.
3.Шкундин С.З., Иванников А.Л. Разработка метода межузловых депрессий для расчета вентиляционных сетей в нормальных и аварийных условиях // Труды научного симпозиума «Неделя горняка – 2010». Горный информационно аналитический бюллетень. Спец. вып. 1. – 2010. – С. 448–458.
4.Казаков Б.П., Шалимов А.В. Сравнительный анализ методов расчета воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях // Горное эхо. Вестник горного института УрО РАН. – 2009. – № 1. – С. 67–69.
5.Salgado R., Todini E., O'Connell.P.E. Comparison of the gradient method with some traditional methods for the analysis of Water Supply and Distribution // Computer Applications in Water Supply / B. Coulbeck and C.H. Orr (eds). – John Wiley & Sons, London, 1988. – Vol. 1 (System analysis and simulation). – P. 38–62.
6.Мохирев Н.Н. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. – М.: Недра, 2007. – 325 с.
7.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.
8.Казаков Б.П., Шалимов А.В., Стукалов В.А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. – 2009. – № 12. – С. 56–58.
9.Казаков Б.П., Шалимов А.В. О возможности проветривания рудника естественной тягой после отключения главной вентиляционной установки // Горный журнал. Известия вузов. – 2013. – № 2. – С. 59–65.
10.Шалимов А.В. Численное моделирование газо-воздуш- ных потоков в экстремальных ситуациях и аварийных режимов проветривания рудников и шахт // ФТПРПИ. – 2011. – № 6. – С. 84–92.
364
11.Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1976. – Ч. II. – С. 512.
12.Моделирование динамики тепловых депрессий и ее влияния на проветривание горных выработок / А.В. Шалимов, Д.С. Кормщиков, Р.Р. Газизуллин, М.А. Сёмин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2014. –
№12. – С. 41–47.
13.Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. Математическое моделирование процессов теплообмена рудничного воздуха с массивом горных пород при пожаре // ФТПРПИ. – 2006. – № 3. – С. 94–102.
14.Казаков Б.П., Шалимов А.В. О температуре крепи вентиляционных стволов при реверсировании главных вентиляторных установок // Безопасность труда в промышленности. – 2006. – № 10. – С. 12–14.
15.Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. – М.: Недра, 1966. – 219 с.
16.Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. Моделирование нестационарных процессов распространения газовых примесей по выработкам рудника в условиях рециркуляционного проветривания // ФТПРПИ. – 2006. – № 1. – С. 95–101.
17.Гуменюк Т.Е. Исследование проветривания подземными участковыми вентиляторами без перемычки // Труды Карагандинского горного института. – 1958. – № 3. – C. 28–33.
18.Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. – М.: Физматгиз, 1960. – С. 715.
19.Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. – М.: Недра, 1970. – С. 208.
20.Самлан Ю.К. Проветривание группы очистных камер рециркуляцией с применением вентилятора местного проветривания с конфузором // Труды н.-и. института сланцев. – 1966. –
№15. – С. 45–56.
21.Мохирев Н.Н. Исследование работы эжектирующих установок в рудничных вентиляционных сетях: дис. … канд. техн. наук / Пермский политехнический институт. – Пермь, 1974. – С. 217.
365
22.Алыменко Д.Н. Работа вентиляционной установки комбинированного типа в рудничной вентиляционной сети: дис. … канд. техн. наук: 05.26.01. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 1999. – С. 159.
23.Казаков Б.П., Шалимов А.В. Математическое моделирование работы эжекторных установок при проветривании подземных выработок // Горный журнал. Известия вузов. – 2004. –
№2. – С. 39–44.
24.Казаков Б.П., Шалимов А.В. Особенности моделирования процесса эжектирования воздуха на базе законов сохранения энергии и количества движения выработок // Горный журнал. Известия вузов. – 2006. – № 2. – С. 68–72.
25.Харев А.А. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. – М.: Углетехиздат, 1954. – С. 248.
26.Вентиляторные эжекторные установки для рудников / Н.И. Алыменко, Д.Н. Алыменко, А.И. Коровин, С.В. Пшеничников // Горный журнал. – 2013. – № 6. – С. 73–77.
27.Казаков Б.П., Шалимов А.В., Левин Л.Ю. Проветривание выработок большого сечения с помощью вентиляторных установок, работающих без перемычки // Известия ТулГУ. – 2010. – № 2. – С. 89–97.
28.Мохирев Н.Н. Проветривание подземных горнодобывающих предприятий / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2001. – С. 280.
29.Проветривание выработок с помощью выработок / Л.Д. Дьяконов, В.В. Степин, В.Е. Сушенок, З.Л. Шварц // Исследование, разработка и эксплуатация нового горного оборудования. – Л., 1982. – С. 139–142.
30.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. – М.: Наука, 1991. – Ч. 1. – С. 600.
31.Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г., Китаев Б.И. Исследование эжектирующей способности эжектора с короткой камерой смешения // Вопросы совершенствования строительства // Труды ППИ. – 1971. – № 91. – С. 207–212.
32.Карпов А.М., Фролов М.А., Чухонцев Н.Ф. Анализ случая работы «вентиляторов-толкачей» в шахтной вентиляционной сети // Уголь. – 1955. – № 11.
366
33.Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. – М.: Энергия, 1971. – С. 480.
34.Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. – Л., 1978. – С. 240.
35.Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2015610589 Аналитический комплекс «АэроСеть» / Мальков П.С., Зайцев А.В., Кашников А.В., Кормщиков Д.С., Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Казаков Б.П., Шалимов А.В.; Федеральная служба по интеллектуальной собственности, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14 января 2015 года.
36.Величко А.Е. Тепловой расчет тупиковых выработок // Разработка месторождений полезных ископаемых // Респ. межвед. научно-техн. сб-к. – Киев: Техніка, 1978. – Вып. 49. – С. 40–44.
37.Величко А.Е., Крамаров А.С. Разработка зависимостей прогноза тепловых условий в тупиковых выработках без применения кондиционирования воздуха // Охлаждение воздуха в угольных шахтах. Вып. 3: сб-к научн. трудов. – МакеевкаДонбасс: Изд-во МакНИИ, 1973. – С. 34–38.
38.Красноштейн А.Е., Алыменко Н.И., Минин В.В. Энергосберегающее проветривание рудников с малым аэродинамическим сопротивлением (на примере калийных рудников) // Горный вестник. – 1995. – № 4. – С. 55–59.
39.Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. – 2-е изд-е, исправл. – М.: Наука, 1972. – 688 с.
40.Казаков Б.П., Шалимов А.В., Паршаков О.С. О возможности проветривания тупиковых выработок беструбным способом // ГИАБ. – 2014. – № 9. – С. 195–200.
41.Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. – М.: Наука, 1989. – С. 320.
42.Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. ПБ 03-553-03. – М.: НТЦ по БП Госгортехнадзора России, 2003.
43.Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при веде-
367
нии горных работ и переработке твердых полезных ископаемых»: Приказ от 11 декабря 2013 года № 599 / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. – М., 2013. – 195 с.
44.Левин Л.Ю., Семин М.А., Газизуллин Р.Р. Разработка метода расчета местных аэродинамических сопротивлений при решении сетевых задач воздухораспределения // Горный инфор- мационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2014. – № 9. – С. 200–205.
45.Казаков Б.П., Мальцев С.В., Семин М.А. Обоснование участков измерения аэродинамических параметров воздушного потока при определении аэродинамического сопротивления стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2015. – № 5. – С. 69–75.
46.Автоматизированная обработка данных воздушно-де- прессионной съемки для построения корректной математической модели вентиляционной сети рудников / Б.П. Казаков, А.Г. Исаевич, С.В. Мальцев, М.А. Семин // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2016. – № 1. – С. 22–30.
47.Абрамов Ф.А., Тян Р.Б. Методы и алгоритмы централизованного контроля и управления проветриванием шахт. – Киев: Наук. думка, 1973.
48.Казаков Б.П., Шалимов А.В. Разработка энергосберегающей системы автоматического управления проветриванием рудников // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2012. – № 3. – С. 57–63.
49.Цой С.В. Автоматическое управление вентиляционными системами шахт. – Алма-Ата: Наука, 1975.
50.Акутин К.Г., Филиппович Е.И., Шойхет Л.А. Управление воздухораспределением в шахтной вентиляционной сети. – М.: Недра, 1977.
51.Волков А.А. Постановка задачи оптимального управления проветриванием шахт // Механизация и автоматизация проветривания шахт. – Киев, 1965. – С. 9–15.
52.Пучков Л.А., Бахвалов Л.А. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. – М.: Недра, 1992.
368
53.Зуховицкий С.И., Авдеева Л.И. Линейное и выпуклое программирование. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука, 1967.
54.Tonnos A.M., Allen C. Technology convergence for sustainable underground mine ventilation system control // Proceedings, 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium / K.G. Wallace (Ed.). – Reno, NV, USA, 9–11 June 2008. – P. 37–40.
55.Hardcastle, Kocsis, and Lacroix. Strategic mine ventilation control: A source of potential energy savings, in Proceedings of the CIM Conference. – 2007.
56.Круглов Ю.В., Семин М.А., Зайцев А.В. Математическое моделирование работы оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. – Тула: Тульский государственный университет, 2011. – № 2. – С. 116–126.
57.Круглов Ю.В., Семин М.А. Совершенствование алгоритма оптимального управления проветриванием вентиляционных сетей сложной топологии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2013. – № 9. – С. 106–115.
58.Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: учеб. пособие для студентов эконом. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1986.
59.Казаков Б.П., Шалимов А.В., Зайцев А.В. Исследование работы системы оптимального управления проветриванием на испытательном стенде // Горный информационно-аналити- ческий бюллетень (научно-технический журнал). – 2013. – № 12. – С. 169–174.
60.Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах: пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1981.
61.Wylie E.B., Streeter V.L. Hydraulic Transients. – New York, McGraw Hill, 1978.
62.Гернет М.М. Курс теоретической механики. – М.: Высш. шк., 1987. – С. 344.
63.Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Зайцев А.В. Моделирование переходных процессов в вентиляционных сетях подземных рудников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2011. – № 5. – С. 100–108.
369
64.Постникова М.Ю. Влияние выработанных пространств на вентиляцию рудников в переходный период аварийной вентиляции // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2011. – № 3. – С. 206–209.
65.Казаков Б.П., Левин Л.Ю., Шалимов А.В. Теория и практика прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников. – М.: Недра, 2016. – 244 с.
66.Федеральные нормы и правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых: приказ от 11 декабря 2013 г. № 599. – М., 2013.
67.Кошель А.В., Исаевич А.Г. Оценка возможности применения нагнетательного способа проветривания на калийных рудниках // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. – 2016. – № 1. – С. 218–223.
68.Медведев И.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. – Свердловск: УрО АН СССР, 1990. – С. 252.
69.Красноштейн А.Е., Файнбург Г.З. Диффузионно-сете- вые методы расчета проветривания шахт и рудников. – Екатеринбург, 1992. – С. 244.
70.Красюк А.М., Лугин И.В. Исследование режимов работы вентиляции при возгорании поезда в тоннеле метрополитена // ФТПРПИ. – 2005. – № 4. – С. 84–93.
71.Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства. – СПб., 1998. – С. 146.
72.Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2001.
73.Щербань А.Н. Основы теории и методы тепловых расчетов рудничного воздуха. – М.: Углетехиздат, 1953. – С. 221.
74.Кремнёв О.А. Теплообмен между вентиляционной струёй и горными массивами старых шахт и выработок // Труды ИТЭ АН УССР. – 1954. – № 10. – С. 12–17.
75.Брайчева Н.А., Черняк В.П., Щербань А.Н. Методы расчета температуры вентиляционного воздуха подземных сооружений. – Киев, 1981. – C. 83.
370