Введение к работе
Актуальность темы исследовании.
Отличительными особенностями калийных рудников, обладающих малым аэродинамическим сопротивлением, как объектов провегривания. являются:
1. Основная часть обшерудничной депрессии, которая развивается
главными вентиляторными установками (до 85 о), затрачивается в
главных воздухоподающих и вентиляционных выработках - стволах, а в
некоторых шахтах (апатитовые рудники) - в штольнях;
2. Вентиляционная сеть, включающая выработки главных
направлений и добычных участков, - это большая разветвленноеть горных
выработок, пройденных достаточно большим сечением (для калийных
рудников, к примеру, комбайном Урал-20КС), обладает незначительным
аэродинамическим сопротивлением. В результате этого падение
обшерудничной депрессии в сети и в отдельной выработке небольшое, что
затрудняет реіулировапие воздухораспределением, а на процесс
провеїривания начинают оказывать влияние с тсдующие факторы:
- тепловые депрессии, возникающие в системе аэродинамически
связанных выработок, имеющих перепады высот, вследствие даже
незначительной разности температур в потоках воздуха, которые моїут
увеличить расходы воздуха в проветриваемых участках или, наоборот,
опрокинуть воздушные потоки;
воздействие движущегося самоходного транспорта на аэродинамическое сопротивление горных выработок;
- активные процессы выщелачивания солевых пород, результатом
коюрых является уменьшение герметичности вентиляционных
изолирующих сооружений.
3. Наличие огромною объема отработанных пространств,
заполненных практически чисіьім воздухом, который может быть
использован в процессе вентиляции.
Несмотря на то, что в последние годы проведено большое количество научно-исследовательских работ, касающихся вентиляции калийных и других рудников, отдельные вопросы не были рассмотрены совсем или же исследованы недостаточно полно:
- существующие до последнего времени методы определения
параметров элементов вентиляционных сетей уже не соответствуют
современному уровню расчетов, анализов и проектирования систем
вентиляции калийных и других рудников. Следовательно, на основании
сравнения различных методов, в том числе предлагаемых в данной работе,
необходимо выбрать такие, которые бы соответствовали условиям
проведения экспериментов и давали бы минимальные ошибки при
определении параметров элементов вентиляционных сетей. Огсюда
вытекает необходимость вычислений параметров выработок с іраиицами
отклонений их величин от исшпньгх значений, что дало бы возможность в дальнейшем оценивать надежность вентиляционных сетей и устойчивость воздухораспределения в каждой выработке:
- не были разработаны методы расчета и выбора схем вентиляции
рудников в целом, исходя из минимумов общерудничных утечек воздуха,
объемов вынутой горной массы при раскройке шахтных полей и
воздействия на вентиляцию различных факторов в том числю и влияния
поршневого эффекта при движении самоходного транспорта в выработках;
не были разработаны методы оценки надежности воздухораспределения в вентиляционных сетях произвольной сложнисги и определения пределов отклонения величин реальных воздушных потоков в каждой выработке в зависимости от скоростей движения самоходного транспорта и заполняемое им пространства горных выработок;
не разработан механизм сетевых задач для расчета вентиляционных сетей, в которых в числе основных воздействующих на воздухораспределение факторов является источник тяги в виде движущаяся предмета (машины), влияние которого особенно заметно в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением, к которым относятся сети калийных рудников, шахт пильного камня и некоторых гипсовых рудников;
для решения вентиляционных задач, в которых искомые параметры являлись неоднородными по физическому смыслу (например, расход воздуха, скорость самоходного транспорта, скорость набегания потока воздуха на движущийся предмет или транспорт, соотношения сечений предмета и воздуховода), существующие математические методы расчетов не могли быть применены, поскольку они предполагают ступенчатое решение при последовательном их приравнивании к определенной константе, что могло привести к одному из множеств решений, не являющихся оптимальным.
Без решения перечисленных выше вопросов невозможно широкое использование компьютерной технологии проектирования рудников, создания надежных, высокоэффективных, легко регулируемых и в то же время экономичных вентиляционных сетей .
Цель диссертационной работы - разработка методов расчета и выбора средств управления вентиляцией в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением - как средства нормализации рудничной атмосферы и повышения безопасности работ.
Идея работы заключается в создании таких вентиляционных сетей, которые могли бы быть нейтральными к воздействию поршневого эффекта, создаваемого движущимся транспортом, или же, наоборот, чувствительными к влиянию этого эффекта в зависимости от цели использования его как источника с отрицательной и положительной тягой.
Задачи и методика исследования. В данной работе использован обширный комплекс методов, включающий изучение, анализ и обобщение
выполненных исследований по изучаемой проблеме, фактических данных рудников по состоянию вентиляции; лабораторные (модельные) и шахтные эксперименты; приборные и инструментальные измерения при изучении вопросов проветривания и нарушения режимов вентиляции при воздействии мощных поршневых эффектов; теоретические исследования механизма вентиляции и ее чувствительности к воздействию поршневых и других эффектов; технико-экономические расчеты по оценке эффективности поршневых эффектов как источников тяги; статистические методы планирования экспериментов и анализа их результатов; опытные и опытно-промышленные испытания' в произволе гвеиных условиях способов и надежности обеспечения рабочих зон требуемыми объемами свежего воздуха; приборные и инструментальные измерения при изучении вопросов возникновения и процессов протекания во времени эффектов поршневого воздействия.
Объектами исследования являлись рудники акционерных обществ "Уралкалий", "Сильвинит" и "Гинс-RNAUF".
Основные научные положення, выносимые на защиту:
-
Теорегическое описание процесса возникновения и действия поршневого эффекта при движении предмета в воздуховоде, который подвержен или нет влиянию внешнего мощного источника тяги.
-
Исходная информация и степень ее достоверности зависят от совершенства методик ее получения и обработки экспериментального материала, выделения факторов и явлений, воздействующих на экспериментальные данные, источником которых являются существующие вентиляционные сети и их элементы. Разработка методики оценки методов ведения измерений н выбор таковых в условиях натуры - калийных рудников и модели - один из разрабатываемых в данной работе вопросов.
-
Метод оценки возникающего давления в воздуховоде с движущимся предметом в условиях промышленного эксперимента и модели.
-
Способ управления величиной давления, возникающего в результате воздействия поршневого давления.
-
Методов оценки коэффициентов энергетических потерь.
-
Метод расчета аэродинамической характеристики источника тяги - движущегося предмета в ограниченном пространстве.
-
Метод расчета воздухораспределения в условиях воздействия на него источника тяги в виде движущегося предмета.
Обоснованность я достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием расчетных математических моделей физическим и натурным аналогам, сопоставимостью физических моделей с реальными процессами воздействия поршневого эффекта на вентиляцию, сопоставимостью теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований. Многие полученные результаты дублировались различными методами, поскольку они получены впервые и
сопоставимые данные в литературе отсутствуют. При исследовании вентиляционных систем или их отдельных участков получены положительные и подтверждающие выводы диссертации результаты, некоторые из них внедрены на горных предприятиях акционерных обществ "Уралкалий" и "Сильвинит". Научная новизна:
- разработана математическая модель возникновения и влияния на
процесс вентиляции поршневого эффекта, определены закономерности
составления уравнений, определяющих степень воздействия поршневого
эффекта на потоки воздуха в воздуховодах в различных условиях;
разработаны методика моделирования процесса воздействия поршневою эффекта на потоки воздуха в воздуховодах и методы измерений параметров вентиляции в натуре и модели;
разработан метод описания аэродинамической характеристики движущегося предмета в замкнутом пространстве, играющего роль источника тяги;
- разработан способ определения воздейсгвия движущегося
самоходного транспорта в выработках на характер изменения
воздухораспределения в отдельных участках вентиляционной сети и в
вентиляционной системе в целом.
Практическая ценность заключается в том, что разработанная методика описания и построения аэродинамической характеристики источника тяги - движущегося в выработке транспорта - позволяее осущесівлять расчеты вентиляционных сетей существующими методами последовательного приближения и на основании расчетов принимать стратегические решения выбора таких сетей, коюрые были бы нечувствительными к воздействию поршневого зффекіа или же в услопиях метрополитена могли проветриваться исключительно за его счет.
Реализация результатов работы. Разработанная методика описания аэродинамической характеристики движущихся предметов в замкнутом пространстве, играющих роль источников тяги, позволила решаїь сетевые задачи и определять степень влияния самоходного транспорта на воздухораспределение в выработках вентиляционной сети лк>бой сложности. Это в свою очередь позволяет в зависимости от длины участков путей прохождения самоходным транспортом и его скорости определять отрезки времени, в течение которых те или иные проветриваемые зоны могут находиться в условиях весьма слабого поступления свежего воздуха для проветривания, и намечать мероприятия для ослабления или нейтрализации данного эффекта. Это особенно важно при разработке месторождений полезных ископаемых в условиях газового режима.
Материалы по методикам измерений, исследования, расчетов и анализов вентиляционных схем с целью выбора наиболее рациональных, надежных и малочувствительных к воздействию поршневого эффекта
используются при подготовке горных инженеров специальноеm "Раїрабоїка месторождений полезных ископаемых" и в курсе лекции "Рудничная аэрология горнодобывающих предприятий".
Апробации работы. Научные положения и основные результаты
исследований доложены и обсуждены на: - ежегодных конференциях и
семинарах Пермского государственного технического универсиїста,
технических совещаниях акционерных обществ "Уралкалий" и
"Сильвинит"; - технических совещаниях производственных
рудоуправлений (г. Березники и г. Соликамск); - XXVIII научно-ісхнической конференции по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1991-1994 г.г.(г. Пермь, 1995 г.); - 1-й международной конференции "1 Іроблсмьі создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.); - 2-м международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (г. Санкт-Петербург, 1996 г.); - Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы образования, научно-технического развития и экономики Уральского региона" (г. Березники, 1996 г.); - научном симпозиуме "Неделя горняка-97" (г. Москва, 3-7 февраля 1997 г.); -научно-практической конференции "Белые ночи" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); - международной конференции "Горная наука на рубеже XXI века" (г.г. Москва-Пермь, 1997 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, подана заявка на предполагаемое изобретение. Основное содержание диссертации отражено в 7 работах.
Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 31 рисунок, библиографический список из 127 наименований.