Введение к работе
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:
-
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.
-
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.
-
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 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 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.
