Введение к работе
Актуальность работы
Практически все работающие сегодня шахты и рудники построены в годы советского периода и рассчитаны на технические нормативы того времени. В 80-е годы прошлого века, например, выдающимся результатом считалась добыча 1000 тонн угля в сутки или 500 тысяч тонн в год. Сегодня новая техника позволяет добывать до 3-5 млн. тонн угля в год, при этом нагрузки на шахты многократно возросли и превышают допустимые нормативы. Аналогичная ситуация имеет место не только в угольной промышленности, но и, практически, на всех горнодобывающих предприятиях. Многократно увеличившиеся в размерах выработанные подземные пространства являются источником повышенной опасности для работающих в них людей в случае возникновения нештатных ситуаций, в частности связанных с нарушением проветривания горных выработок. В целях обеспечения безопасности горных работ добыча полезных ископаемых в современных условиях сопровождается разработкой и внедрением новых технологических схем вентиляции с использованием дополнительных источников тяги и элементов регулирования воздухораспределения. В связи с участившимися в последнее время авариями, связанными с гибелью шахтёров, особое значение приобретают исследования направленные на разработку систем контроля за состоянием и управлением движения воздуха с целью не допущения скоплений в нём взрывоопасных и вредных газов. Исследования процессов движения воздуха, переноса тепла, дыма и газов непосредственно во время аварий также необходимы, поскольку позволяют делать выводы относительно наиболее безопасных путей выхода людей на поверхность и способов скорейшей ликвидации аварий и их последствий.
Решение научных проблем контроля, прогнозирования и управления микроклиматическими параметрами рудничной атмосферы в нашей стране связаны с именами Щербаня А.Н., Кремнёва О.А., Дядькина Ю.Д., Воропаева А.Ф., Ушакова К.З., Медведева И.И., Красноштейна А.Е. и других учёных, которые разработали общие основы рудничной аэрологии и теплофизики, являющиеся инструментом обеспечения безопасных условий ведения горных работ.
Актуальность работы определяется необходимостью создания, уточнения и совершенствования методов прогнозирования изменений воздухораспределения и параметров рудничного воздуха во время аварий. Исследования аэро- и теплогазодинамических процессов, протекающих в аварийных режимах проветривания, в частности во время пожаров, являются основой для разработки комплекса мероприятий, направленных как на предотвращение возникновения аварий, так и на управление аварийным проветриванием в реальном времени.
Целью работы является разработка и совершенствование теоретических основ прогнозирования, контроля и управления движением воздушных
потоков, распространением тепла, газа и дыма по горным выработкам на базе комплексного математического моделирования нестационарных аэротеплогазодинамических процессов, которые позволят осуществлять детальное планирование мероприятий по профилактике и борьбе с рудничными авариями.
Основная идея диссертационной работы заключается в том, что создание и поддержание нормальных условий проветривания горных выработок, а также принятие решений относительно путей вывода людей на поверхность или возможных мер по обеспечению безопасности в местах их нахождения во время аварий, должно основываться на адекватных математических моделях аэрологических и теплофизических процессов, протекающих в вентиляционных сетях рудников и определяющих состояние рудничной атмосферы.
Задачи исследований:
разработать методы расчёта воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях применительно к моделированию нестационарных аварийных процессов с учётом инерционных свойств воздушных потоков и механической сжимаемости воздуха в отработанных пространствах рудников;
провести аналитические исследования процессов распространения газов и пыли в условиях нестационарного проветривания с рециркуляцией части рудничного воздуха и экстраполировать полученные результаты на численные модели рудничных пожаров;
разработать теорию сопряжённого нестационарного теплообмена вентиляционного воздуха с породным массивом, пригодную для расчёта быстрых теплообменных процессов с большим перепадом температур и моделирования динамики тепловых депрессий во время пожаров с количественной оценкой их влияния на движение воздуха по выработкам;
исследовать надёжность вентиляционных сетей на основе анализа устойчивости воздушных потоков в рудниках в аварийных режимах проветривания при остановке главных вентиляционных установок и их реверсировании;
исследовать специфику движения воздуха через рудник в зависимости от величины его эквивалентного отверстия и сечений выработок, и на основании полученных результатов разработать методику решения сетевых задач с учётом падения депрессии на сопряжениях горных выработок;
создать программное обеспечение, позволяющее производить численный расчёт прогнозных значений параметров вентиляционного воздуха в горных выработках до-, во время и после предполагаемых аварий;
разработать методы прогнозирования процессов развития аварийных ситуаций на основе комплексного компьютерного моделирования
аэротеплогазодинамических процессов с целью создания методических
основ для разработки планов ликвидации аварий, а также профилактики и
борьбы с последствиями аварий.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Моделирование рудничных пожаров, характеризующихся большим перепадом температур на границе воздуха и породного массива и быстрыми теплообменными процессами, осуществляется в сопряжённой постановке с помощью преобразований Лапласа в приближении малых времён с использованием асимптотических разложений цилиндрических функций в области больших аргументов.
-
Интенсивность и устойчивость проветривания рудников за счёт естественной тяги при аварийном отключения главной вентиляционной установки зависит от времени года, конфигурации рудничной вентиляционной сети, количества стволов и вентиляционных горизонтов, а также начальных условий проветривания и моделируется решением единой сетевой аэротеплогазодинамической задачи с использованием экспериментальных данных и теории устойчивости конвективных течений.
-
Прогнозирование аварийного воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях, характеризующихся большим эквивалентным отверстием и выработками больших сечений, осуществляется с помощью разработанных универсальных аналитических зависимостей для узловых потерь депрессии, адаптированных для решения сетевых вентиляционных задач.
-
Быстрые аэрологические и теплообменные процессы в рудничном воздухе и породном массиве, связанные с возникновением пожаров, сопровождающиеся возникновением мощных тепловых депрессий, остановом или реверсированием главных вентиляционных установок, а также аварийными отключениями других источников тяги, моделируются с учётом инерционности воздушных потоков, путём представления второго закона сетей в нестационарной форме с дополнительным инерционным слагаемым.
-
Математические модели аэротеплогазодинамических процессов в вентиляционных сетях рудников, а именно, модели сопряжённого теплообмена, идеального вытеснения, потерь депрессии на сопряжениях горных выработок, инерционности воздушных потоков, устойчивости естественной тяги, интегрированные в единый программно-вычислительный комплекс, позволяют рассчитывать и прогнозировать процессы возникновения и развития аварийных нарушений проветривания, а также предусматривать мероприятия по их профилактике на стадии проектирования и разрабатывать планы ликвидации аварий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объёмом наблюдений, выполненных в натурных условиях, соответствием приведённых результатов данным, полученными другими авторами, а также удовлетворительной сходимостью с результатами тестового численного моделирования вентиляционных процессов в программной среде SolidWorks.
Научная новизна:
При разработке теоретических основ прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников, следующие исследовательские работы были проведены впервые:
критерии устойчивости проветривания горных выработок во время рудничных аварий, основанные на математическом моделировании динамики тепловых депрессий в условиях интенсивного теплообмена между воздухом и породным массивом;
методика численного прогноза начальной стадии развития экзогенного рудничного пожара, позволяющая определять направления движения, температуру и задымлённость воздушных потоков;
воздействие тепловой стратификации скоростей движения воздушных потоков по сечению горных выработок на процессы теплогазопереноса и устойчивость проветривания;
математическая модель промерзания крепи вентиляционного ствола после реверсирования главной вентиляционной установки в холодный период года, основанная на решении задачи сопряжённого теплообмена между воздухом и двухслойным массивом операционным методом;
методы количественной оценки влияния инерционности воздушных потоков и сжимаемости воздуха в выработанных пространствах на протекание переходных процессов, связанных с остановом или реверсированием главных вентиляционных установок, а также внезапным возникновением мощных тепловых депрессий при возгораниях в наклонных выработках;
режимы проветривания калийных рудников естественной тягой после аварийного отключения вентилятора в зависимости от топологии вентиляционной сети, времени года и начальных условий;
математические зависимости для определения потерь депрессии на сопряжениях горных выработок, необходимые при проведении вентиляционных расчётов применительно к рудникам с большим эквивалентным отверстием;
условия безопасного использования систем рециркуляционного проветривания для предупреждения возникновения аварийных ситуаций, связанных с прекращением поступления свежего воздуха на проветриваемые участки, выраженные в недопущении критического соотношения величин депрессии главной вентиляционной установки, напора рециркуляционного источника тяги и аэродинамических сопротивлений участков.
Практическое значение и реализация результатов работы:
Результаты диссертационной работы открывают новые возможности в осуществлении детального планирования мероприятий по профилактике и борьбе с аварийными нарушениями рудничного проветривания, а разработанные и изложенные в работе математические модели аэротеплогазодинамических процессов, позволяют точно прогнозировать развитие аварий в рудниках и использовать прогнозные данные при составлении планов ликвидации аварий.
Полученные результаты реализованы и внедряются на горнодобывающих предприятиях России и Белоруссии. Разработаны разделы технологического регламента по организации проветривания рудников ОАО «Уралкалий», относящиеся к управлению воздухораспределением и контролю за рудничной атмосферой, а также инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобинского месторождения калийных солей. Разработаны рекомендации и технические решения по борьбе с пылью и внешними утечками воздуха для условий Краснослободского рудника ОАО Беларуськалий». Проведено моделирование воздухораспределения и теплового режима с учетом развития горных работ и введения в эксплуатацию новых стволов на шахтах «Верхняя» и «Глубокая» рудника «Скалистый» «Талнахского» рудоуправления ОАО «Норильский никель», на основании которого предложены технические мероприятия по улучшению качества проветривания рабочих зон. Разработаны технические и технологические мероприятия по приведению температуры воздуха в горных выработках нефтяных шахт Нефтешахтного управления «Яреганефть» ООО «ПечорНИПИнефть» до значений, предусмотренных правилами безопасности.
Все представленные в работе математические модели реализованы численно и используются для проведения технических расчётов. Большая часть из них интегрирована в программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», позволяющий производить комплексное моделирование аэрологических и теплогазодинамических процессов, протекающих в рудниках, как в штатных, так и в аварийных режимах проветривания. Для работы с аварийными вентиляционными режимами разработан отдельный программный модуль «План ликвидации аварий», с помощью которого осуществляется детальное планирование аварийных мероприятий, в частности путей и времени вывода людей на поверхность при возникновении рудничных пожаров.
Апробация работы
Отдельные разделы и материалы диссертационной работы докладывались на XXVII-ой научно-технической конференции (Пермь, 1991); международном симпозиуме SRM-95 РАН «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах промышленных агломераций» (Екатеринбург, 1997); на международной конференции
«Горные науки на рубеже XXI века» (Пермь, 1997); на международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (ИГД УрО РАН, Екатеринбург, 1998); на конференции «Научно-педагогическое наследие профессора Медведева И.И.» (Санкт-Петербург, 1999); на международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствование горных работ» (Пермь, 1999); на 7-ом международном конгрессе по рудничной вентиляции (Польша, 2001); на 5-ой международной научной конференции «Здоровье семьи - XXI век» (Пермь, 2001); на международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов» (Пермь, 2003); на научно-технической конференции «Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых» (Кунгур, 2004); на научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2005); на научно-технической конференции «Уральский горнопромышленный форум «Горное дело. Оборудование. Технологии» (Екатеринбург, 2006); на конференциях «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2006, 2007), на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999-2011). Основные положения диссертации докладывались на научной сессии Горного института УрО РАН.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 работ, в том числе 20 - в изданиях из списка ВАК, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, общим объемом 329 страниц машинописного текста, включая 56 иллюстраций, 8 таблиц, списка литературы из 266 наименований.
Похожие диссертации на Теоретические основы прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников
-
