Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время ведение горных работ на многих шахтах и рудниках характеризуется увеличением глубины отработки, протяженностью сети горных выработок, наличием отработанных пространств. Наличие наклонных горных выработок и значительные перепады высотных отметок отрицательно сказываются на надежности функционирования систем вентиляции рудников в связи с образованием в них тепловых депрессий. Расходы воздуха, подаваемого в шахты и рудники, составляют десятки тысяч кубометров в минуту, что при наличии отработанных пространств, значительной протяженности сети выработок и изменении термодинамических параметров воздуха обуславливает низкую эффективность управления вентиляцией.
Исследованиями термодинамических параметров рудничного воздуха и влияния данных параметров на распределение воздуха в сети горных выработок занимались Щербань А.Н., Кремнев А.О., Воропаев А.Ф., Шувалов Ю.В., Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г. и другие. Среди зарубежных исследователей, занимающихся данной проблематикой, известны работы авторов M.J. McPherson, P. Mousset-Jones, H.L. Hartman. Ограниченные возможности вычислительной техники привело к разработке упрощенных способов расчета величины тепловой депрессии в одиночных выработках или для шахты в целом, без учета влияния данных факторов на воздухораспределение в сети. Н.Н. Мохиревым поставлена и решена задача расчета надежности воздухораспределения, основанная на оценке отклонения расходов воздуха в сети с учетом аэродинамических и геометрических особенностей горных выработок, но данная методика никак не учитывает термодинамические параметры рудничного воздуха.
При проектировании вентиляции и расчетах количества воздуха, требуемого для проветривания рудников в соответствии с требованиями безопасности, оценка величины влияния изменения термодинамических параметров воздуха на функционирование системы вентиляции не производится. Для повышения эффективности работы систем вентиляции, особенно в аварийных режимах, требуется оценка надежности по термодинамическому фактору с целью своевременной разработки мероприятий повышающих надежность управления воздухораспределением.
Связь работы с крупными научными программами и темами
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН, проводившихся в период с 2008 по 2012 гг., по темам «Проблемы энергосбережения при нормализации состава и
теплофизических параметров атмосферы подземных пространств» (№ гос. регистрации 01.200.106715) и «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ООО «Институт Гипроникель», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», ЗАО «ВКК».
В 2010 г. Исследования по теме работы были поддержаны Российским
фондом фундаментальных исследований: проект № 10-08-96055 «Разработка
математических методов моделирования нестационарных
теплогазодинамических процессов, протекающих в рудничных вентиляционных сетях под действием тепловых депрессий».
Целью работы является разработка способов повышения надежности функционирования систем вентиляции рудников в штатных и аварийных режимах проветривания.
Основная идея работы заключается в использовании критерия надежности вентиляционных сетей по тепло физическому фактору для разработки способов повышения эффективности функционирования систем проветривания рудников.
Основные задачи работы:
-
Провести исследование факторов, влияющих на устойчивость воздухораспределения в вентиляционных сетях, и разработать способ оценки вентиляционных сетей по степени сложности управления воз духораспре делением;
-
Разработать критерий надежности функционирования вентиляционных сетей в условиях изменяющихся термодинамических параметров рудничного воздуха;
-
Исследовать источники тепловыделения в вентиляционных сетях и определить функцию плотности тепловыделения для применяемых типов источников теплоты в различных режимах проветривания;
-
Обосновать методику сетевого расчета динамики изменения теплофизических параметров воздуха, позволяющий производить расчеты надежности вентиляционных сетей сложной топологии;
-
Разработать способы повышения надежности функционирования вентиляционных сетей.
Методы исследования предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования влияния тепловых депрессий на воздухораспределение в вентиляционных сетях рудников, математическое моделирование термодинамических процессов в рудничной атмосфере, анализ результатов численных экспериментов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Критерий надежности функционирования вентиляционных сетей, учитывающий изменение термодинамических параметров рудничного воздуха в результате взаимодействия с источником тепловыделения, и определяющий степень сложности управления воздухораспределением в вентиляционной сети.
-
Методика расчета надежности вентиляционных сетей, базирующаяся на использовании тепловых эквивалентов и функций плотности тепловыделения штатных и аварийных источников теплоты.
-
Способы повышения надежности вентиляционных сетей, заключающиеся в выборе режимов работы главной вентиляторной установки и управлении воздухораспределением в зависимости от степени влияния тепловых депрессий, и обеспечивающие устойчивое движение воздуха в горных выработках.
Научная новизна:
-
Определена зависимость расходов воздуха в вентиляционных сетях при изменении его термодинамических параметров от топологических и аэродинамических характеристик вентиляционной сети, позволяющая производить оценку степени сложности управления воздухораспределением.
-
Построена математическая модель горения на основе известных параметров горючих материалов для расчета тепловой мощности аварийных источников тепловыделения.
-
Предложена классификация источников тепловыделения в вентиляционных сетях рудников по виду функции плотности тепловыделения для численного моделирования штатных и аварийных режимов проветривания.
-
Разработана методика расчета тепловых эквивалентов участков вентиляционных сетей на основе проектных или экспериментальных данных.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием полученных результатов фундаментальным физическим законам термодинамики и данным других авторов, сопоставимостью результатов аналитических и численных решений, экспериментальными исследованиями в натурных условиях.
Практическое значение и реализация результатов работы Полученные в диссертационной работе результаты позволяют повысить надежность функционирования систем вентиляции рудников с учетом изменения термодинамических параметров рудничного воздуха, разрабатывать
мероприятия по спасению людей в рамках разработки планов ликвидации аварий.
Основные результаты работы использованы при разработке рекомендаций по управлению воздухораспределением в калийных рудниках, при разработке рекомендаций по определению аварийных вентиляционных режимов.
Результаты работы использованы при разработке следующей нормативной документации:
-
Технологический регламент по организации проветривания рудников ОАО «Уралкалий»;
-
Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания рудников Старобинского месторождения;
-
Методика организации проветривания и расчета количества воздуха, необходимого для проветривания рудника Талицкого ГОКа ЗАО «ВКК». На основании полученных результатов исследований усовершенствован
программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», модуль «Электронный план ликвидации аварий». Разработан модуль «Электронный расчет количества воздуха и вентиляционный журнал». Указанные программные продукты централизовано развернуты на предприятиях ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» для использования специалистами предприятий.
Результаты работы вошли в рабочую программу дисциплины «Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело» кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых ФГБУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет".
Апробация работы
Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2007-2013 гг.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2007-2008, 2010-2011 гг.), на XIX Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 2009 г.), на всероссийской научной конференции «Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых» (Пермь, 2007 г.), на Всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2009, 2011-2012 гг.) на технических советах в ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», НШУ «Яреганефть».
Личный вклад автора
При непосредственном участии автора проведена постановка задачи, разработка математических моделей, экспериментальные исследования в
шахтных условиях, анализ и обработка полученных данных, теоретические исследования и создание программных продуктов, выполнение расчетов и проведение численных экспериментов, разработка научных решений и их практическая реализация, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 19 работ, в том числе 9 - в изданиях из списка ВАК, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 20 таблиц. Список использованных источников состоит из 138 наименований, в том числе 13 зарубежных.
