Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Требования к реверсированию воздушной струи в нормативных документах в России и за рубежом 12
1.2 Аэро- и термодинамические факторы, влияющие на распределение воздуха в рудничных вентиляционных сетях при реверсировании ГВУ
1.2.1 Аэродинамические факторы 16
1.2.2 Термодинамические факторы
1.3 Методы теоретического определения местных аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок
1.4 Экспериментальные методики определения местных аэ...одинамических
1.5 Методы расчета воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях
1.6 Цели и задачи исследования 37
2 Разработка метода расчета местных аэродинамических сопротивлений при течении воздуха через сопряжения
2.1 Концептуальная модель местных аэродинамических сопротивлений 38
2.2 Оценка влияния индивидуальных особенностей геометрии сопряжений горных выработок на величину местных аэродинамических сопротивлений 40
2.3 Математическая модель местных аэродинамических сопротивлений
2.3.1 Учет расширения, сжатия и смешивания потоков на сопряжении 46
2.3.2 Учет поворота потока 49
2.3.3 Определение границ применимости гипотезы об изотермическом потоке 2.4 Сравнительный анализ полученной формулы с существ..ющими .о...м...лами
2.5 Выводы по главе 62
3 Экспериментальное исследование в03духораспределения в калийных рудниках при реверсивном режиме проветривания 64
3.1 Методика проведения замеров аэродинамических и термодинамических параметров воздуха при реверсировании ГВУ 64
3.1.1 Определение расположения замерных станций аэродинамических и микроклиматических параметров воздуха при экспериментальном исследовании реверсирования ГВУ
3.1.2 Выбор измерительных приборов и методика проведения замеров аэродинамических и мик...оклиматических па...амет...ов возд...ха п. 7и
3.1.3 Расчет изменения аэродинамических сопротивлений при переходе с нормального на реверсивный режим проветривания 72
3.2 Проведение экспериментальных исследований изменения
воздухораспределения при реверсировании ГВУ на рудниках ВКМКС 74
3.2.1 Время реверсирования рудников 74
3.2.2 Аэродинамическое сопротивление каналов ГВУ 79
3.2.3 Утечки через надшахтное здание
3.2.5 Изменение аэродинамического сопротивления вентиляционных сетей рудников 88
3.2.6 Объективные и субъективные факторы, влияющие на воздухораспределение при реверсировании ГВУ 90
3.3 Выводы по главе 91
4 Исследование процессов изменения воздухораспределения в ру...ничных вентиля...ионных сетях при реверсировании
4.1 Разработка сетевой модели расчета воздухораспределения с учетом местных
сопротивлений и теплообмена рудничного воздуха с породным
массивом 94
4.1.1 Нестационарное воздухораспределение 95
4.1.2 Нестационарное теплораспределение в рудничной атмосфере
4.1.3 Теплообмен с породным массивом
4.2 Расчет местных аэродинамических сопротивлений в вентиляционных сетях, построенных по данным воздушно-депрессионных съемок 105
4.3 Расчет воздухораспределения при реверсировании ГВУ на примере рудника БКПРУ-2 1 4.3.1 Анализ влияния местных аэродинамических сопротивлений 108
4.3.2 Исследование влияния естественной тяги 111
4.3.3 Моделирование внешних утечек через надшахтное здание 114
4.4 Исследование общих качественных закономерностей воздухораспределения при реверсировании ГВУ 115
4.4.1 Влияние внешних утечек через надшахтное здание на изменение производительности ГВУ п...и пе..еходе в .еве...сивный ежим
4.4.2 Зависимость изменения воздухораспределения на главных направлениях от количества транспортных и вентиляционных штреков, вентиляционных сбоек 117
4.4.3 Влияние естественной тяги на изменение п...оизводительности ГВУ 4.5 Выводы по главе 5.1 Организационно-технические мероприятия по обеспечению нормативно-доп.стимых величин .течек возд...ха в еве...сивном .ежиме аботы
5.2 Методика расчета параметров работы ГВУ в реверсивном режиме проветривания 127
5.3 Разработка технических решений по обеспечению требуемых параметров реверсивных режимов работы на примере рудников ПАО «Уралкалий» 133
5.4 Выводы по главе 138
Библиографический список
- Аэродинамические факторы
- Оценка влияния индивидуальных особенностей геометрии сопряжений горных выработок на величину местных аэродинамических сопротивлений
- Определение расположения замерных станций аэродинамических и микроклиматических параметров воздуха при экспериментальном исследовании реверсирования ГВУ
- Исследование общих качественных закономерностей воздухораспределения при реверсировании ГВУ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Действующие на территории Российской Федерации «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» предъявляют ряд требований к реверсивным режимам вентиляции рудников. Соблюдение данных требований необходимо для обеспечения безопасного вывода людей из рудника при ликвидации пожаров и задымлений. В частности, «расход воздуха, проходящего по главным выработкам в реверсивном режиме проветривания, должен составлять не менее 60 % от расхода воздуха, проходящего по ним в нормальном режиме». Как следствие, на этапе проектирования и эксплуатации рудников для принятия эффективных технических решений по выбору параметров работы главных вентиляторов и определения правильных геометрических параметров горных выработок, обеспечивающих требуемые расходы воздуха и аэродинамические сопротивления выработок, появляется необходимость моделирования воздухораспределения не только в нормальном режиме проветривания, но и в реверсивном.
В условиях возрастания мощности добычи полезных ископаемых
горнодобывающими предприятиями, увеличивается глубина отработки полезных ископаемых, площадь шахтных полей. Вентиляционные сети рудников становятся более протяженными и разветвленными, что приводит к усложнению прогнозирования в них воздухораспределения. Существующие методы расчета воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях, как правило, основываются на решении системы уравнений Кирхгоффа 1-го и 2-го рода исходя из известных значений линейных аэродинамических сопротивлений, определяющихся в ходе проведения воздушно-депрессионных съемок на рудниках. В ряде случаев для уточнения распределения расходов и давлений рассчитываются также неравномерное распределение температур в выработках рудника и связанные с ними естественная тяга и нестационарный теплообмен с породным массивом. Однако в вентиляционных сетях со сложной топологией и множеством сопряжений горных выработок указанные подходы приводят к высокой погрешности, так как не учитывают влияния местных сопротивлений при прохождении потоком воздуха сопряжений горных выработок, поворотов. По оценкам, выполненным в работах Харева А.А. Мохирева Н.Н., Шалимова А.В., Казакова Б.П., Алыменко Н.И., относительный вклад местных сопротивлений в общее сопротивление вентиляционной сети калийных рудников составляет 15 — 25 % и увеличивается при относительном увеличении площадей поперечного сечения горных выработок. В
работах Бодягина М.Н. отмечено, что при неэффективном проектировании отдельных
узлов вентиляционной сети рудников это влияние возрастает до 45 — 50 %. Численное
трехмерное моделирование воздухораспределения в комплексе главной вентиляторной
установки (ГВУ) и на сопряжениях шахтных стволов с горизонтами при изменении
режима работы ГВУ, выполненное в работах Газизуллина Р.Р., показало, что фактор
местных сопротивлений является определяющим при анализе изменения
воздухораспределения. Это связано с высокими скоростями потока на данных узлах вентиляционной сети и с тем, что местные сопротивления, в отличие от сопротивлений трения линейных участков горных выработок, нелинейно зависят от расходов воздуха и являются несимметричными относительно смены направления воздушного потока.
В настоящее время в литературе существует несколько методов расчета местных аэродинамических сопротивлений. Однако их интеграция в сетевые методы расчета воздухораспределения вентиляционных сетей произвольного вида осложняется по следующим причинам. В ряде случаев методы позволяют точно рассчитывать перепады давлений для частных случаев сопряжений трех горных выработок под прямым углом, однако оказываются не применимыми при анализе более сложных видов сопряжений. В ряде случае исследователями предлагаются достаточно общие формулы для расчета местных сопротивлений произвольного количества горных выработок, однако не учитывается ряд значимых физических процессов. Также некоторые из существующих методов расчета местных сопротивлений оказываются несовместимы с классическими методами стационарного расчета воздухораспределения, что выражается в отсутствии сходимости решений.
Данные факты указывают на актуальность разработки новых методов и методик
расчета воздухораспределения, учитывающих комплексное влияние местных
аэродинамических сопротивлений и термодинамических факторов: естественной тяги,
тепловой депрессии и нестационарного сопряженного теплообмена с породным
массивом. Такие методы позволили бы корректно прогнозировать
воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях при реверсировании ГВУ и других видах изменения режима работы ГВУ.
Цель работы
Разработка метода расчета воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии при реверсировании главной вентиляторной установки.
Основная идея работы заключается в решении сетевой задачи
воздухораспределения в реверсивном режиме проветривания на основе разработанной математической модели течения воздушного потока через сопряжения горных выработок произвольной геометрии.
Основные задачи работы:
-
Разработать математическую модель течения воздуха через сопряжение горных выработок произвольной геометрии, учитывающую потери давления на местных сопротивлениях, вызванных расширением, сжатием, смешиванием и поворотом потоков.
-
Провести экспериментальное исследование изменения расходов воздуха в рудничных вентиляционных сетях при реверсировании ГВУ и определить степень влияния различных аэродинамических и термодинамических факторов на изменение воздухораспределения.
-
Разработать и алгоритмизировать сетевой метод расчета воздухораспределения на базе разработанной математической модели течения воздуха через сопряжение горных выработок, учитывающий также протекание нестационарных аэродинамических и термодинамических процессов в рудничной атмосфере.
-
Выполнить численное моделирование воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях при переходе с нормального на реверсивный режим проветривания и сопоставить модельные результаты с результатами натурного эксперимента.
-
Разработать методику расчета изменения воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии в реверсивном режиме работы ГВУ.
Методы исследований предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования влияния местных сопротивлений, инерционности воздуха, естественной тяги и теплообмена с породным массивом на воздухораспределения в вентиляционных сетях рудников, численное и аналитическое моделирование воздухораспределения, статистическую обработку результатов экспериментальных измерений и численных расчетов, физический и статистический анализ результатов моделирования и экспериментов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Для повышения универсальности математических моделей течения воздуха через сопряжения горных выработок произвольной геометрии необходимо учитывать закономерности распределения воздушных потоков на сопряжении горных выработок (местные аэродинамические сопротивления), в частности при таких физических процессах как расширение, сжатие, смешивание и поворот потоков, шероховатость стенок горных выработок.
-
Комплексное влияние местных аэродинамических сопротивлений, инерционности воздуха, естественной тяги и теплообмена с породным массивом учитывается в разработанном численном методе расчета воздухораспределения, позволящим определять аэротермодинамические параметры воздуха в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии в реверсивном режиме проветривания.
-
Определение рабочей точки главной вентиляторной установки в реверсивном режиме работы должно осуществляться с учетом влияние факторов изменения местных аэродинамических сопротивлений, естественной тяги, утечек при реверсировании воздушной струи.
Научная новизна:
– Получена аналитическая формула определения потери давления на местных аэродинамических сопротивлениях при прохождении воздушным потоком сопряжения в зависимости от геометрических параметров сопрягающихся выработок и аэродинамических параметров воздушных потоков.
– Проведена классификация различных аэротермодинамических факторов, влияющих на изменение воздухораспределения в вентиляционных сетях при переходе на реверсивный режим проветривания, и определен вклад каждого из выделенных факторов для калийных рудников на основе проведенных экспериментальных исследований.
– Произведена интеграция полученной аналитической формулы для определения потери давления на местных аэродинамических сопротивлениях с методом контурных расходов, используемым для определения воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии.
– Разработана методика расчета количества воздуха, необходимого для проветривания рудника, и расчета производительности ГВУ в реверсивном
режиме работы для проектируемых и эксплуатируемых рудников на базе разработанного метода расчета воздухораспределения при реверсировании ГВУ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается соответствием фундаментальным физическим законам,
сопоставимостью результатов аналитических, численных решений и натурных измерений, большим объемом экспериментальных исследований в шахтных условиях, положительными результатами верификации разработанных алгоритмов.
Практическое значение и реализация результатов работы
Полученные в диссертационной работе результаты позволяют осуществлять проектирование систем вентиляции рудников и ГВУ с учетом обеспечения требуемых правилами безопасности параметров реверсивных режимов.
Результаты работы использованы при разработке исходных данных для проектирования вентиляции рудника Половодовского калийного комбината ПАО «Уралкалий», Березовского рудника и рудника Петриковского горно-обогатительного комбината ОАО «Беларуськалий»: при определении технических требований ГВУ, в том числе реверсивных характеристик вентиляторов; при подборе параметров сопряжений каналов ГВУ с вентиляционным стволом; при расчетах реверсивных режимов проветривания рудников и шахт и разработки технических решений и рекомендаций по увеличению надежности реверсивных режимов проветривания.
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 теме «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с предприятиями ПАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий» и ООО «Гипс Кнауф Новомосковск».
С 2013 по 2016 г. исследования по теме диссертации были поддержаны
Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 13-05-96013
«Разработка комплексной технологии повышения энергоэффективности, обеспечения
ресурсосбережения и промышленной безопасности в горнодобывающей
промышленности», проект № 16-35-00269 «Исследование аэро- и термодинамических факторов, влияющих на воздухораспределение в калийных рудниках при
реверсировании главной вентиляторной установки») и Советом по грантам Президента Российской Федерации (проект № МД-7047.2015.5 «Разработка инновационной ресурсосберегающей системы мониторинга и управления вентиляцией горных предприятий, обеспечивающей безопасную и высокопроизводительную добычу полезных ископаемых в сложных горнотехнических условиях»).
Апробация работы
Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных сессиях ГИ УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов» (Пермь, 2013 — 2016 гг.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2013 — 2016 гг.), на «Зимней школе по механике сплошных сред» (Пермь, ИМСС УрО РАН, 2013 г., 2015 г.), на международной конференции «Advanced Problems in Mechanics» (Санкт-Петербург, ИПМаш, 2013 — 2015 гг.), на международной конференции «Компьютерное моделирование — 2014» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2014 г.), на Всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, ПНИПУ, 2012 г., 2014 г.), на всероссийской научной конференции «Горняцкая смена – 2015» (Новосибирск, ИГД СО РАН, 2015 г.), на международной конференции «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2015 г.), на международной конференции «Горная и нефтяная электромеханика» (Пермь, ПНИПУ, 2015 г.).
Личный вклад автора
При непосредственном участии автора проведена постановка задач, 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.
Практические эксперименты и внедрение результатов исследований были бы невозможны без содействия ведущих специалистов ПАО «Уралкалий»: Старцева И.Ф., Тронина А.П., Кресовой С.В., Караваева В.Г. и других.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Левину Л.Ю. за помощь в формировании научного направления диссертационной работы, Казакову Б.П. и Казаковой Л.В. за консультации и ценные указания, Зайцеву А.В. за помощь в выполнении работы и Шалимову А.В. за ценные указания.
Успешной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 14 печатных работ, в том числе 7 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК, 5 в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 47 рисунков и 15 таблиц. Список использованных источников состоит из 140 наименований, в том числе 30 зарубежных.
Аэродинамические факторы
Ко второй группе относятся нормативные документы большинства развитых стран, в которых подземная добыча полезных ископаемых имеет длинную историю и большой объем накопленного опыта, а нормативно-правовая база глубоко проработана - США («Code of Federal Regulations: Mineral Resources», 2014; «Federal Mine Safety and Health Act», 1997), Канада («Occupational Health and Safety Act», 2014), Германия («The Occupational Safety Act», 1996; «The Act on Safety and Health at Work», 2013), Великобритания («The Mines Regulations», 2014; «Health and Safety at Work etc Act», 1974). Основным и единственным требованием к реверсированию воздушной струи, является то, что каждая главная вентиляторная установка должна разрабатываться, устанавливаться и эксплуатироваться таким образом, чтобы она могла быть переведена в реверсивный режим работы в любой момент времени. В данной группе нормативных документов строго не регламентируются ситуации, в которых необходимо производить реверсирование главных вентиляторных установок. Также не вводится конкретных требований к проверке действия реверсивных устройств и тестовому реверсированию воздушной струи на рудниках в штатном режиме работы.
В некоторых случаях реверсирование рассматривается как одно из возможных действий при возникновении аварии или возгорании. Так, например, в правилах безопасности США имеется следующее требование: «для предотвращения распространения токсичных газов от места возгорания в подземных выработках, необходимо принять одну из следующих мер: - использовать регулируемые двери или перемычки, направляющие загазованный воздух напрямик к вентиляционному стволу; - реверсировать ГВУ; - использовать автоматизированную систему пожароподавления в сочетании с прокладкой альтернативных путей вывода горнорабочих».
При этом в ряде исследовательских работ и справочников [129, 137] указывается, что при принятии решения о реверсировании ГВУ должна быть проведена тщательная оценка различных непредвиденных последствий. Выделяются основные факторы, делающие применение процедуры реверсирования опасной: тепловая депрессия вследствие пожаров, закорачивание воздушной струи вследствие раскрытия перемычек в сбойках при смене направления потока, неустойчивое воздухораспределение в диагональных соединениях выработок. Утверждается, что единственным случаем аварийной ситуации, когда реверсирование воздушной струи в руднике оправданно, является возгорание в воздухоподающих стволах. В данном случае реверсирование воздушной струи может в принципе предотвратить проникновение токсичных газов на рудничные горизонты. В монографии [129] упоминается, что реверсирование является редкой процедурой при ликвидации аварий.
Также ко второй группе нормативных документов относятся правила безопасности Индии «Coal Mine Regulations» (1957).
К третьей группе относятся нормативные документы России («Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых», 2014), Белоруссии («Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых», 2012), Казахстана («Правила обеспечения промышленной безопасности для опасных производственных объектов, ведущих горные и геологоразведочные работы», 2014) и Украины (НПАОП 10.0-1.01-10 «Правила безопасности в угольных шахтах», 2010). В данной группе требования к реверсированию воздушной струи прописаны наиболее детально. Здесь помимо основного и наиболее общего требования о том, что «главные вентиляторные установки должны обеспечивать реверсирование вентиляционной струи», также регламентируется время перевода вентиляторных установок на реверсивный режим работы, которое должно составлять не более чем 10 минут. Также прописываются дополнительные требования, конкретизирующие величины расходов воздуха на главных выработках направления при реверсировании: 1. «Расход воздуха, проходящего по главным выработкам в реверсивном режиме проветривания, должен составлять не менее 60 % от расхода воздуха, проходящего по ним в нормальном режиме»; 2. «Система выработок, по которым пойдет опрокинутая воздушная струя, должна удовлетворять следующим требованиям: сопротивление системы не должно быть менее сопротивления шахты нормальному движению воздушной струи во избежание значительного увеличения дебита вентилятора и перегрузки его двигателя; сопротивление выработок обращенной струе не должно значительно превышать сопротивления шахты при нормальном проветривании во избежание уменьшения дебита вентилятора до величины ниже 60 % нормального» (только в нормативных документах в России).
Отличия в требованиях к реверсированию воздушной струи в странах СНГ и Запада обусловлены тем, что у нас применение реверсирования ГВУ является традиционной процедурой при составлении планов ликвидации последствий аварий. По данному вопросу накоплен большой эмпирический опыт. Службы безопасности зарубежных стран двигались по альтернативному пути составления планов ликвидации аварий, применяя регулируемые двери и перемычки для перенаправления загазованной воздушной струи по кратчайшему пути на вентиляционный штрек, камеры аварийного жизнеобеспечения и системы активного пожароподавления. Отказ от реверсирования вентиляторных установок обусловлен наличием негативного опыта при реверсировании воздушной струи во время возникновения реальных пожаров, а также отсутствием научно-обоснованных методик прогнозирования воздухораспределения в реверсивном режиме проветривания.
Исследование закономерностей воздухораспределения при реверсивном режиме проветривания является в первую очередь актуальным для рудничной вентиляции в странах СНГ как вспомогательный инструмент при проектировании рудников, позволяющий улучшить качество разрабатываемых планов ликвидации аварий. Также данный вопрос является актуальным для зарубежных стран как методика повышения надежности прогнозных теоретических оценок воздухораспределения при реверсе и увеличению практики по реверсированию воздушной струи при возникновении пожаров и задымлений.
Оценка влияния индивидуальных особенностей геометрии сопряжений горных выработок на величину местных аэродинамических сопротивлений
В реальных вентиляционных сетях сопряжения горных выработок достаточно часто имеют индивидуальную форму, учет которой в рамках представленных геометрических и физических характеристик идеализированной математической модели сопряжения существенно затруднен (см. рисунок 2.2).
Это обусловлено как сложностью проведения теоретических выкладок с целью оценки величин местных аэродинамических сопротивлений, так и сложностью дальнейшего использования полученных теоретических или эмпирических зависимостей для численных расчетов, требующих в данном случае большее количество входных данных. Индивидуальные геометрические особенности сопряжений могут существенно влиять на величину местных сопротивлений, так что модельный учет местных сопротивлений в рамках упрощенных типовых форм сопряжений может не привнести дополнительной точности процессу моделирования. Поэтому прежде всего требуется оценить степень влияния индивидуальных особенностей геометрии сопряжений на местные аэродинамические сопротивления сопряжений и определить область параметров индивидуальных особенностей, на которых применимы идеализированные математические модели местных аэродинамических сопротивлений.
Аналитическое исследование течения воздуха в сопряжениях горных выработок в режиме развитой турбулентности затруднено. Поэтому для анализа влияния индивидуальных особенностей форм сопряжений необходимо проводить эксперимент [46, 99], применять эмпирические формулы [31, 94] или проводить численное трехмерное моделирование.
В данном исследовании для оценки влияния индивидуальных особенностей геометрии сопряжений проведено численное трехмерное моделирование течения воздуха через сопряжения горных выработок в программном комплексе ANSYS с использованием платформы Workbench. В качестве индивидуальных особенностей рассмотрены наиболее часто встречающиеся на практике случаи наличия бокового ответвления, плавно примыкающего к основному потоку, и наличия технических ниш для вентиляционных восстающих, комбайнов и пр. На предварительном этапе расчета проводилась верификация трехмерной модели сопряжения на предмет соответствия выбираемой шероховатости стенок горных выработок [125] и на предмет корректности моделирования смешивания потоков путем сравнения с эмпирическими зависимостями [31] при малых шероховатостях стенок, соответствующих гладким воздуховодам, рассмотренным в использованной монографии.
На рисунках 2.3 — 2.4 представлено распределение скоростей и полного давления в срединном горизонтальном разрезе отвода в случае технологической ниши глубиной 4 м. В задаче с отводом и технологической нишей исследовалась разница полных давлений 1p до и после прохождения отвода с кутком, усредненных по поперечным сечениям до ( Sin ) и после (Sout ) поворота потока в отводе. Сечение Sin до поворота в отводе выбиралось на достаточном удалении от входа в расчетную область, чтобы входящий поток успевал выровняться, а также чтобы исключить влияние на получаемый результат искусственных граничных условий на входе в расчетную область. Рисунок 2.3 — Распределение скоростей в срединном горизонтальном разрезе сопряжения выработок с боковым ответвлением, плавно примыкающим к основному потоку; случай vi=V2=l м/с м/с, S. /S , = гп out Рисунок 2.4 — Распределение полного давления в срединном горизонтальном разрезе отвода с кутком; случаи v Сечение S после поворота в отводе выбиралось на достаточном удалении от поворота, чтобы поток успевал выровняться после поворота, а также на достаточном удалении от выхода из расчетной области, чтобы исключить влияние на результат искусственных граничных условий на выходе. Осуществлялось варьирование глубины ниши L и ширины ниши b. В задаче с тройником, имеющим плавно примыкающее боковое ответвление, исследовались зависимости перепада давления P1_3 между выработками № 1 и № 3 и перепада давления P 2 между выработками № 2 и № 3 от радиуса кривизны R стенок бокового ответвления в области сопряжения с основным проточным каналом. Выбор поперечных сечений, по которым производилось усреднение полного давления, как и ранее, осуществлялся исходя из требований достаточной удаленности от входа и выхода из расчетной области. Определение длин прямых участков горных выработок до и после прохождения поворота осуществлялось исходя из требования, чтобы поток успел выровняться после прохождения местного сопротивления.
На рисунках 2.5 — 2.8 представлены результаты численного моделирования, выполненного в расчетном гидродинамическом модуле Fluent программного комплекса ANSYS. Точками отмечены результаты отдельных расчетов, а непрерывными линиями - их линейная интерполяция. Оценивалась величина коэффициента потерь f при прохождении воздуха по отводу с технологической нишей.
Определение расположения замерных станций аэродинамических и микроклиматических параметров воздуха при экспериментальном исследовании реверсирования ГВУ
Экспериментальное исследование воздухораспределения и местных сопротивлений при изменении режимов работы ГВУ включает в себя подготовку и проведение эксперимента. На этапе подготовки эксперимента разрабатывается методика проведения замеров аэродинамических и термодинамических параметров воздуха: определяется количество и расположение замерных станций, осуществляется выбор измерительных проборов и схем статистической обработки замеренных данных. На втором этапе непосредственно проводится эксперимент и приводятся результаты обработки полученных данных.
На рисунке 3.1 представлена принципиальная схема рудничной вентиляционной сети с одним горизонтом и одним главным направлением. Рассматривается центральная схема вентиляции с одним вентиляционным и одним воздухоподающим стволами. Дальнейшие выкладки легко обобщаются на случай произвольного количества стволов и других схем вентиляции рудников.
Здесь и далее используется представление вентиляционной сети рудника в виде ориентированного графа, ветвями которого являются горные выработки, а узлами их сопряжения. На схеме укрупненно показаны различные участки вентиляционной сети: комплекс ГВУ (вентиляционный канал, ГВУ, диффузор), вентиляционный и воздухоподающий стволы, околоствольный двор, сбойки вдоль главного направления (вентиляционные и транспортные), панели. Каждый из представленных участков в общем случае имеет отличающиеся аэродинамические сопротивления при движении воздуха в прямом и обратном направлениях. Это отражается в количественном и иногда качественном изменении воздухораспределения в руднике при реверсировании ГВУ. Различие в аэродинамических сопротивлениях в прямом и обратном направлениях течения воздуха на представленных участках связано в первую очередь с несимметричностью относительно направления движения воздуха местных аэродинамических сопротивлений: - вентиляционных каналов ГВУ, - диффузора, - надшахтного здания вентиляционного ствола, - надшахтного здания воздухоподающего ствола, - сопряжения вентиляционного ствола с горизонтом, - сопряжения воздухоподающего ствола с горизонтом, - вентиляционных окон, - вентиляционных сооружений в перемычках между воздухоподающими и вентиляционными штреками главных направлений.
Выбор участков на рисунке 3.1 производился в соответствии с данными факторами местных сопротивлений, которые могут оказать существенное влияние на изменение воздухораспределения при реверсировании ГВУ. Относительный вес каждого из представленных факторов неизвестен и может существенно варьироваться при переходе от одного рудника к другому.
Для полного понимания физических закономерностей изменения воздухораспределения в руднике при реверсировании ГВУ необходимо представлять, как изменяется аэродинамическое сопротивление в каждом из выбранных участков при смене направления движения воздуха. В идеале требуется знать, как изменяется аэродинамическое сопротивление каждой ветви и каждого узла вентиляционного графа. Однако для выполнения указанной задачи требуется либо поддержание реверсивного режима проветривания на руднике на длительный промежуток времени (несколько суток), в течение которого возможно проведение укрупненной воздушно-депрессионной съемки, либо привлечение большого количества специалистов, обеспечивающих своевременное проведение замеров расхода воздуха, давления, температуры и влажности в большей части выработок рудника. Данные условия редко являются осуществимыми в условиях реальных рудников. Наиболее разумным выходом из данной ситуации ограниченности временных и человеческих ресурсов представляется анализ отдельных наиболее значимых или укрупненных участков вентиляционной сети рудника.
Замеры на станциях А и В, в принципе, могут производиться по датчикам, которыми оборудована главная вентиляторная установка, однако при возможности показания датчиков должны дублироваться замерами «вручную» специалистами, проводящими воздушно-депрессионную съемку. Как показывает опыт, показания датчиков со временем накапливают большую погрешность из-за засорения трубок Прандтля-Пито. На калийных рудниках происходит оседание взвеси минеральной пыли на трубки замерного оборудования, и ее дальнейшее налипание в условиях высокого влагосодержания в воздухе.
Некоторые замерные станции предполагают проведение измерений температуры и влажности воздуха. Это необходимо для выявления относительного веса естественной тяги в измеряемом режиме воздухораспределения рудника и исключения ее влияния, так как целью данной работы является исследования в первую очередь аэродинамических факторов, приводящих к изменению воздухораспределения при реверсировании ГВУ.
Для сопоставления отдельных замерных станций давления и расходов с актуальными участками вентиляционной сети разработана таблица 3.1. В данной таблице представлена матрица возможности определения аэродинамических сопротивлений отдельных участков вентиляционной сети в зависимости от экспериментальных замерных точек давлений и расходов, представленных на рисунке 3.2. В каждой строке № / , отвечающей определенному участку, цветом выделены ячейки, соответствующие замерным станциям, в которых необходимо проводить измерения давлений Р, расходов Q, температур Т.
Исследование общих качественных закономерностей воздухораспределения при реверсировании ГВУ
При расчете реверсивного режима проветривания для вентиляционных сетей проектируемых рудников параметр Rf в уравнениях (4.9) и (4.10) представляет собой линейное аэродинамическое сопротивление ветви № / . Однако при расчете реверсивного режима проветривания для эксплуатируемых рудников, в качестве параметра R, принимается аэродинамическое сопротивление, рассчитанное по результатам воздушно-депрессионной съемки. Данное аэродинамическое сопротивление содержит в себе как линейное аэродинамическое сопротивление рассматриваемой ветви № / , так и местное аэродинамическое сопротивление сопряжений данной ветви с соседними ветвями. Это связано с тем, что, как было показано в разделе 1.4, на этапе экспериментальных исследований невозможно выделить местные сопротивления отдельных горных выработок по причине погрешности измерительной аппаратуры.
Отсюда следует, что наложение местных аэродинамических сопротивлений (4.7) на аэродинамические сопротивления 1\ в случае эксплуатируемых рудников является некорректным, поскольку таким образом осуществляется двукратный учет местных аэродинамических сопротивлений. При построении модели вентиляционной сети рудника требуется откорректировать рассчитанное по данным воздушно-депрессионной съемки множество аэродинамических сопротивлений i?j,i?2,...,i?wJ. Процедура корректировки осуществляется следующим образом (М) І = .-,ЦІМ, (4.31) где Rj -Hjk(Qj,Sj,St)/Qi — местное аэродинамическое сопротивление, рассчитанное по формуле (4.7) для расхода воздуха в ветви № і, полученного в ходе воздушно-депрессионной съемки, и контура № к; (Л) линейное аэродинамическое сопротивление, выделенное из полного аэродинамического сопротивления Rj, вычисленного по расходам и перепадам давления, измеренным в ходе воздушно-депрессионной съемки; Л — коэффициент знакоположительности аэродинамических сопротивлений Я-Л), необходимый для соблюдения условия Я,(Л) 0 : 105
В случае, если в вентиляционном графе рудника нет ветвей, в которых рассчитанное местное аэродинамическое сопротивление превышает полное аэродинамическое сопротивление, коэффициент Я равен 1. Вентиляционная сеть рудника БКПРУ-2, построенная в аналитическом комплексе «АэроСеть», представлена на рисунке 4.4.
Проветривание рудника осуществляется по центральной схеме всасывающим способом проветривания. Свежий воздух, поступающий в шахту по стволам № 1 и 2, распределяется по крыльям шахтного поля по транспортным и конвейерным штрекам каменной соли главных направлений. Исходящая струя воздуха с крыльев шахтного поля за счет депрессии, создаваемой ГВУ, выдается по вентиляционным штрекам пласта АБ, КС, Кр-II к вентиляционному стволу № 3. ГВУ установлена в здании, расположенном в 30 метрах от устья ствола № 3 и сообщается с ним вентиляционным каналом. Тип ГВУ — ВРЦД-4,5Сl, частота оборотов ГВУ — 500 об/мин.
Подземная вспомогательная вентиляторная установка (ПВВУ) на базе двух вентиляторов ВМЭ-12, установленная на 11-й восточной панели, считается отключенной. Подземная вентиляторная установка (ПВУ) на базе вентилятора ВОД-30МС, установленная в районе 12 — 14-х восточных панелей, также выключена. В ветвях, где находятся выключенные вспомогательные вентиляторные установки, устанавливаются глухие перемычки. Рассматриваемая ситуация соответствует реверсивному и нормальному режимам проветривания, измеренным экспериментально ранее.
Технологически реверсирование воздушной струи и переход с работающего вентилятора на резервный осуществляются изменением положения ляд в вентиляционных каналах. Перемещение ляд производится с помощью лебедок, установленных в здании ГВУ.
В рамках компьютерной модели канал ГВУ моделируется в виде ветви с эквивалентным линейным аэродинамических сопротивлением, которое различно для нормального и реверсивного режимов проветривания и может быть рассчитано на основании таблицы 3.4. Местное сопротивление сопряжения вентиляционного канала ГВУ со стволом определяется с помощью формулы (2.23).
Теоретическое исследование воздухораспределения в вентиляционной сети рудника БКПРУ-2 осуществлено в несколько этапов. На первом этапе анализировалось влияние местных аэродинамических сопротивлений на распределение расходов воздуха в руднике в нормальном и реверсивном режимах работы ГВУ. На втором этапе на воздухораспределение накладывалось влияние естественной тяги, исследовалось изменение ее влияния для различных сезонов. На третьем этапе осуществлялось сравнение результатов расчетов на построенной компьютерной модели вентиляционной сети рудника БКПРУ-2 с результатами экспериментального исследования, приведенными в главе 3; для достижения соответствия результатов теоретических расчетов с экспериментом, в модель введен фактор внешних утечек, присутствовавший во время экспериментальных замеров на практике.
При расчете воздухораспределения линейные аэродинамические сопротивления горных выработок вычислялись исходя из результатов воздушно-депрессионной съемки в нормальном режиме проветривания рудника.
Результаты численного моделирования на базе математической модели, описанной в п. 4.1, представлены в таблице 4.1.
Рассматривалось несколько вариантов — нормальный режим проветривания без учета местных аэродинамических сопротивлений, нормальный режим проветривания с учетом местных аэродинамических сопротивлений и реверсивный режим проветривания с учетом местных аэродинамических сопротивлений. Отдельное рассмотрение реверсивного режима проветривания без учета местных сопротивлений не проводилось, поскольку в данном случае распределение расходов в точности совпадает со случаем нормального режима проветривания без учета местных сопротивлений. Оценивались и сравнивались интегральные характеристики воздухораспределения — производительность и депрессия ГВУ, суммарные расходы по направлениям рудника на сопряжении с вентиляционным стволом, расходы на удаленных участках главных направлений.
Согласно депрессиограмме рудника БКПРУ-2, построенной в ходе обработки данных воздушно-депрессионной съемки, 55 % депрессии теряется в стволах, 30 % — в канале ГВУ, а 15 % — на горизонте. Данное распределение депрессии объясняет то, что при незначительном относительном изменении рабочей точки ГВУ воздухораспределение внутри горизонта меняется существенно (см. таблицу 4.1). Так, в частности, из таблицы следует, что по южному направлению в реверсивном режиме идёт на 25 % меньше воздуха, чем в нормальном. А на западном сопряжении ствола № 3 с выработкой по каменной соли расход в реверсивном режиме увеличивается 28 %.