Введение к работе
Актуальность проблемы. Ватаейшув роль в обеспечении нормального функционирования горного производства играет проветри-Б8ЯИ6. Однако Бремя, когда все проблемы снимались простым увеличением мощности побудителей тяги, прошло. Сегодня рудничная ЕЄН-тиляция стала фактором, определяющим и ограничивающим основные технико-экономические показатели горного предприятия, поскольку традиционная концепция автономного проЕетриЕаяия и оценки его эффективности по расходу свежего Еоздуха исчерпала свои еоемож-ности и требует экономически неоправданного, а зачастую и технически нереального наращивания вентиляционных мощностей.
Переход к новой концепции, непосредственно использующей единственно объективный критерий эффективности проветривания -соответствие газового и аэрозольного составов и термодинамических парачегроЕ рудничной атмосферы в любой заданной точке вентиляционной сети нормативным требованиям требует умения рассчитывать динамику гвзоеой и тепловой обстановки в слогяой многосвязной системе горных выработок разных типов на основе адекватных реальности физических представлений, корректного математического формализма и современной вычислительной техники.
Сегодня Есе эти вопросы в научном плене разработаны нэдос-таточно глубока, далеки от использования на практике, а потому их реиение приобретает особую актуальность и имеет большое теоретическое и практическое экономическое и социальное -значение.
Работа выполнялась в соответствии с пятилетними координационными планами мяшпзшромв СССР, Минудобрений СССР, Академии наук СССР, Минвуза РСФСР, в частности, по программе Минвуза РСФСР "Чєлоеєк и окружающая среда" (проблема "Охрана и рациональное использование земных недр"), по проблеме АН СССР "Научные основы сохранения и улучшения окружающей природной среды и рационального использования природных ресурсов" на 1976-1990 гг., по общэа-кадемической программе приоритетного направления 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", по отраслевой целевой комплексной программе по проблемам аэрологии калий-sax рудников СССР яа период до 1995 г. и т.п.
- A -
диссертация обобщает результаты исследований ло тематике Пермского политехнического института и Горного института УрО Ш СССР при участии и под руководством автора (ЮТ гос.per. -76068238, 78070992, 78072214, 8І0872ЄЗ, 01860069774, 01860097272,01890011299, 0I8900II30Q и др.).
Цель работы - обеспечить надежный прогноз и эффективность проветривания слоквых многосеязных систем подземных горных выработок.
Дцея работы заключается в построении иерархии математических моделей турбулентного тешюмассоперениса для описания аэро-гезотермодинамических процессов в многосвязной системе горных выработок.
Задачи исследований!
установить тенденции развития проветривания и обосновать перспективные направления его совершенствования;
разработать принципы и математические метода построения универсальной полуэмпирической модели турбулентного движения некзотермической метано-воздушши смеси в любой точке рудничной атмосферы;
разработать концепцию и методы универсального математического моделирования процессов турбулентного тепломассопереноса в многосвязннх системах горных выработок разных типов;
- разработать аффективного аналитического и численного
решения краевых задач проветривания, определенных на ориентиро
ванных графах произвольной топологии;
разработать программные средства реализации предлагаемого подхода к описанию вентиляционных процессов и методам их оценки и расчета, пригодные для широкого использования;
обобщить и развить теорию естественного и искусственного проветривания отдельных тупиковых выработок, как важнейших элементов вентиляционной сети, при эпизодическом и постоянном газо-выделэюш; .
обобщить закономерности газопроявлений на калийных рудниках и разработать критерии оценки газовой опасности и дифференциации мероприятий газового режима для специфических условий калийных рудников;
установить закономерности формирования газовой обстановки в системе Одиозных выработок при последовательном и рециркуляци-
- 5 -оннсм проветриввнии в условиях эпизодических, постоянных и перемещающихся газоввделбний;
- обосновать базу технических решений и способов обеспече
ния интенсификации проветрквания без существенного увеличения
вентиляционной мощности и осуществить иг промышленную апробацию;
Методы исследований обусловлены системностью объекта исследований - процессов проветривания в многосвязннх системах подземных горных выработок и включают в себя:
метода научно-технического прогнозирования и инженерного анализа статистических данных для установления тенденций развития теории и практики проветривания;
метода механики сшюшнх сред а теории турбулентного ге'н-ломассопвреноса для выявления и математической формализации основных закономерностей движения нвизотермичныг метано-воздуи-ннх смесей в аэродинамически связанных системах подземных горных выработок;
метода математического моделирования и вычислительной математики для разработки новых и модификации классических алгоритмов с целью эффективного решения краевых задач тешіомассопе-реноса, определенных на ориентированных графах;
метода структурного и модульного програмюфования, нисходящего проектирования, реализации дружественного интерфейса, языки и среда программирования FOETRAN-rv, ГОКГНАН-ТГ, TurboBaalc, TurboPaacal для создания удобных для пользователя проблемно-ориентированных пакетов программ для EG ЭВМ и ІШ PC;
метода имитационного моделирования и проведения численных экспериментов для обоснования новых, и совершенствования классических способов организации проветривания;
метода физического лабораторного эксперимента на гидромоделях для провергш правильности полученных теоретических представлений и га уточнения для сложных условий существенной трехмерности процессов переноса;
методы натурного шахтного эксперимента, в том числе метод "инверсного моделирования", и опытно-промышленных испытаний для оценки эффективности предложенных способов и средств повышения эффективности проветривания забоев, добычных участков и калийных рудников в целом;
Основные научные положения, выкосшше на 'защиту:
- б -
-градационная концепция автономного проветривания и оценки его айвктишости по расходу свежего Еоздуха исчерпала сбои воз-иокности и должка быть заменена новой концепцией, непосредственно использующей единственный критерий эффективности проЕетрива-Н2Я - соответствие газового и аэрозольного составов и термодинамических параметров рудничной атмосферы в любой заданной точке вентиляционной сети нормативным требованиям;
полуэмшрическая модель турбулентности, включающая 38 уравнений даикэння для средник скорости, давления, температуры к концентрации и для вторых одноточечных моментов пульсаций и градиентов пульсаций скорости, тешературы и концентрации, достаточно детально описывает динамику турбулентного тепломассопереноса е любой точке рудничной атмосферы и может быть использована как базисная для построения других более простыл моделей методом редукции;
метод тензорной аппроксимации неизвестных корреляций, представлямцай их в виде сумм линейно независимых комбинаций произведений известных сверток, дельта-тензора Кронекера и вектора нормали к ближайшей твердой поверхности, позволяет получать выражения, переходящие для однородной и изотропной турбулентности в точные , имеющие максимально общий вид и содержащие минимальное число эмпирических постоянных замыкания. ' '
при моделировании процессов переноса в системах аэродинамически связанных горных выработок, каждой выработке и каждому месту их сопряжения может быть поставлена соответствующая характеру протекаыдих в них процессов проветривания математическая модель: для еєтвєй - вытеснения, дисперсии, дисЕфузии, смешения; для узлов - мгновенного идеального или инерционного частичного смешения;
при решении газотермодинамических задач следует отображать ориентированным графом структуру потокое, т.к. она оказывается сложнее и информативнее структуры выработок;
метода решения стационарных и нестационарных краевых задач тепломассопереноса, определенных на ориентированном графе, состоят в сведении исходной задачи к автономным задачам, определенным на отрезке, и к системе линейных алгебраических уравнений с М-матрицей коэффициентов, свойства которой позволяют применять любые прямые или итерационные метода;
- имеются два основных физических процесса естественного
проветривания тупиковых выработок: инерционно-диффузионный,
СОСТОЯЩИЙ В ТОМ г-ї"ТО Р.НбШКТТЙ (^КЛИЛСТЧ"-0** іглтло1 тлхтттчгтттттгочі р шчггтог_
4JVJ V.'A Wiiuyi»! J-* .4 W1M f А і О U.I.IW ОШАЛІЛІ U'ilVJ^JW V. ill^Jl t ± ^ ЮЛ AJJyj.j *_yiA^J j Ul Д 1 J ЛІЛЛ
ке систему вихрей падающей интенсивности, выносящую примесь за счет турбулентной диффузии, її гравкгзционнс-яонвектиЕный, связанный с конвективным течением из-за горизонтального градиента плотности, выносящим примесь за счет переноса. В условиях иахт оба процесса действуют одновременно, усиливаясь из-за пульсацій дебита основной вентиляционной струи и нвгоризонтальности тупиковой tjyna^rirnt/'Tt'
к моменту нормализации газовой обстановки после взрывных работ процесс снижения концентрации Есегда описывается экспоненциальной зависимость», разрешение которой относительно расхода воздуха позволяет получить две универсальные канонические формулы его расчета;
специфіка газопрояЕлений на калийных рудниках требует адекватных ей критерии газовой опасности и газового режима, отличных от газового режима угольных шахт а критериев их кзтегори-рования: введения газового режима только в рабочих зонах, дифференциации последних на неопасные, опасные по газу, опасные по газу и ГДЯ; идентификации опасности по загазований забоев и наличию ГДЯ, по относительной газоебильяости комбайновых выработок и по загазовзктю непроветриваемых тупиковых выработок;
в условиях эпизодического локализованного газовыделения, нзчичия е отработанных камерах достаточно чистого воздуха, утечек свежего Еоздуха воздух исходящих струй пригоден для повторного (последовательного либо рециркуляционного) использования;
методика компьютерной оценки ноесй техники и технологии по фактору "вентиляция" сводится к последовательному расчету и отбору технически осуществимых способов организации проветривания с наиболее устойчивыми и эффективными режимами, причем для кзвдого варианта оценивается газовая обстановка на всех этапах ведения горных работ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается
- непротиворечивостью с фундаментальными физическими ЗаКО-
- соответствием полученных результатов и установленных за-
- 8 -кономерностей с данными, полученными другими авторами или ыаго-дами;
сопоставимостью результатов аналитического решения, численных (компьютерных), физических (лабораторных) и натурных (шахтных) экспериментов;
достаточным объемом выполненных в течении 15 лет экспериментов, Еключащих десятки тысяч расчетов на ЭВМ и ПЭВМ, тысячи замеров скоростей движения Еоздуха, сечений выработок, давлений, температур и концентраций горючих и ядовитых газов, сотни воздушных, температурных и газовых съемок, пять крупномасштабных длительных опыгно-промыошенных испытаний;
положительными результатам! многолетней реализации предложенных рекомендаций на практике на калийных рудниках Верхнє-камского и Старобтшского месторождений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована необходимость применения на практике новой концепции проветривания, использующей в качестве единственного критерия эффективности - соответствие газового и аэрозольного составов и термодинамических параметров рудничной атмосферы в любой точке вентиляционной сети нормативным требованиям;
впервые разработан метод тензорной аглгроксимашд^ неизвестных турбулентных корреляций для полуэмпирического замыкания уравнений турбулентности, позволяющий воссоздавать тензорные структуры неизвестных корреляций по их известным сверткам;
сформулирована полная модель второго порядка, включающая в себя 32 уравнения для Еторых моментов пульсаций и градиентов пульсаций скорости, температуры и концентрации;
получен иерархический ряд новых малопараметрических моделей турбулентного тепломассопереноса, пригодных для целей инженерного расчета на ЭВМ средней модности;
впервые сформулированы гтриншшы построения сетевых моделей турбулентного тепломассопереноса, опирающиеся на квазп-одно -нуль-мерные уравнения моделей вытеснения, дисперсии, диффузии и смешения для ветвей сети и уравнения моделей мгновенного идеального или инерционнного частичного смешения для узлое сети;
разработан метод автономизащш для решения задач расчета
Г230ЕОЙ СОСТаНОВКИ В веНТИЛЯЦИОННОЙ СвТИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОПОЛОГІЯ!
- получено математическое описание и физические закономер
ности естественного проветривания тупиковых выработок, учитыва
ющие влияние сквозного потока в примыкающей выработке и
горизонтальный градиент плотности яеизотермичной воздукко-газо-
-"выведены и обоснованы канонические формы формулы расчета количества воздуха, необходимого для проветривания после взрывных работ;
сформулированы критерии газовой опасности выработок рабочих зон, учитывающие специфику, газопроявлений на калийных рудниках;
получены математическое описание и физические закономерности при частичном повторном использовании воздуха в системе аэродинамически связанных Еыработок, позволяющие обосновать способы интенсификации проветривания рабочих зон и калийных рудников в целом.
Личный вклад автора:
в обосновании нового концептуального подхода к оценке и расчету процессов проветривания в многосеязных системах горных выработок;
в разработке метода тензорной аппроксимации и формулировке новых математических моделей турбулентности в рудничной атмосфере: полной второго порядка модели турбулентности и иерархического ряда малопараметрических дифференциально-алгебраических моделей;
в разработке теоретических положений и методов универсального построения сетевых математических моделей турбулентного тепломассопереносз в рудничных вентиляционных сетях;
в разработке эффективных математических* методов к алгоритмов решения систем уравнений, определенных на ориентированном графе;
в разработке программных средств реализации предлагаемого подхода для ЭВМ пша ЕС и адаптации и модификации этих средств для ПЭВМ типа IBM PC;
в теоретическом анализе и выявлении сущности вентиляционных процессов при ресурсосберегающих режимах проветривания и разработке методов управления ими;
в математической описании процессов естественного провет-
- 10 -ривания тупиковых выработок;
в разработке критериев оценки газовой опасности в калийных рудниках;
е разработке и обосновании технических решений и средств интенсификации проветривания рабочих зон и мест и нормализации условий труда в калийных рудниках без существенного увеличения вентиляционной мощности рудников в целом;
в разработка нормативно-методических документов яэ проектированию и организации проветривания Верхнекамских калийных рудников.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
методам? имитационного моделирования и вычислительного эксперимента исследовать и расчитывать физические процессы проветривания в отдельных односвязных полостях II Е сложных мно-госеязнык системах подземных горных выработок с целью разработки инженерного обеспечения безопасности ведения горных работ средствами вентиляции;
средствами проблемно-ориентированного комплекса программ ' ТУРБОТЕСТ адекватно рассчитывать физические процессы в подземных односвязных природных и технических объектах, эксперимент в которых невозможен или нецелесообразен;
средствам! проблемно-ориентированного комплекса программ ПРОГНОЗ, зная аэродинамические и маесообманные характеристики горных выработок, топологию их сети, распределение и характеристики источников примеси, исходное состояние рудничной атмосферы. рассчитывать газовую обстановку в любой последующий момент времени для діхЗой точки рассматриваемой вентиляционной . сети;
обосновывать базу технических решений и методов интенсификации процессов проветривания, обеспечивающих безопасные и комфортные условия труда горнорабочих, безаварийного функционирования горного предприятия без увеличения вентиляционной мощности;
прогнозировать динамику газовой обстановки в выработках разных типов и их системах с учетом всего многообразия фзктороЕ, формирующих рудничную атмосферу;
определлть условия использования новых технических реше-
- 11 -обоснованные решения по интенсификации проветривания;
- обосновывать требования ноеых нормативно-методических документов по обеспечению безопасности ведения горных работ средствами вентиляции.
Реализация работа. Результаты исследований с 1977 года используются для выполнения расчетов и разработки конкретных рекомендаций по совершенствованию режимов и схем проветривания действующих и проектируемых калийных рудников Верхнекамского месторождения.
Полученные результаты вошли в утвержденную ПО Уралкалии и ПО Сильвинит и согласованную Управлением Пермского округа Госгортехнадзора СССР "Инструкцию по замеру горючих газов шахтными газоопределителями на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей"(1984), в утвержденные Государственной агрохимической ассоциацией СССР "Агрохкм" ( Мкнудобрений СССР) и согласованные Госпрокатомнадзором СССР (Госгсртезнздзором СССР) отраслевые "инструкцию по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания Верхнекамских калийных рудников"(1935), "Инструкцию по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания калийных рудников Старобннского месторождения"(1989), "Временную инструкцию по передовому торпедированию карналлитово-го пласта Б при комбайновой выемке на руднике БКРУ-І ПО "Уралкалии" (I93Q), "Методическое руководство по ведению горных работ на калийных рудниках Верхнекамского месторождения"(1990); в находящиеся на согласовании проекты: "Руководство по организации проветривания Берхнакамских калийных рудников", "Инструкция по отнесению горных выработок рабочих зон калийных рудников Верхне-яамского месторождения к опасным по горючим газам", "Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекам-ском калийном месторождении в условиях газового режима".
Результаты работы, развитые в ней методы численной реализации моделей турбулентности в ограниченных областях, полученные в расчетах параметрические зависимости использованы во ВШШПромгаз ВНПО Союзпромгаз для оптимизации режима хранения жидких нефтепродуктов в подземных емкостях.
Основные научные положения и практические рекомендации испо льзуются в учебных курсах горных специальностей Пермского политехнического института и физических специальностей Пермских го-
- 12 -сударственного университета и педагогического института.
Работы па моделированию турбулентности были включены в тх-дунвродный проект "Со&мвстноб тестирование моделей турбулентности", координируемый Станфордским университетом (США).
Апробация работы. Отдельные фрагменты, этапы и вся работа в целом докладывались и получили положительную оценку на 17-ом Международном симпозиуме по применению ЭВМ и математических методов в горных отраслях промышленности (Москва, 1980), на VI Национальном конгрессе по теоретической к прикладной механике (Варна, Болгария, 1989), на 5-той Европейской конференции по жидкому состоянии материи "исследование турбулентности" (Москва, 1Э8Э), на Международном симпозиуме "Генерация крупномасштабных структур в сплошной среде (Нелинейная динамика структур)" (Пермь-Москва, 1930), яа Международном семинаре "Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле, экологии и медицине (профзаболевания)" (Москва, 1991 г.), на 24 Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной промышленности (Донецк, 19Э1); на Всесоюзних съездах, симпозиумах, конференциях, совещаниях, школах, семнна-рвх, в том числе "Современные проблемы тепловой конвекции" (Пермь, 1Э75), "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках большого объема" (Кохта-Ярвв, IS79, 1983), "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий" (Москва.1980), "Управление еєнтиляциєй и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, I9S4), "Информатика недр" (Кемерово, 1989), "Применение ЭВМ в охране труда" (Херсон, IS89), "Управление многосвязными системами" (Суздаль, 1990), "Физические процессы горного производства" (Москва, 1ЭЭ1); яа отраслевых и республиканских совещаниях, конференциях, семинарах, е том числе: "Создание АСУ проветриванием и ликвидацией аварий на шахтах'л рудниках" (Києе, 1Э7Э), "Пути дальнейшей интенсификации и повышения эффективности производства калийных удобрений" (Пермь, 1985), "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений" (Солигорск, 1988); на совместном заседании объединенного Ученого Совета по механике, энергетике и горным наукам СО АН СССР к Объединенных Ученых Соеєтов по математике и механике, физкко-техяическик наукам, наукам о Земле УрО АК СССР (Свердловск,1380); кз разлкчны! рвгкоязлыаж и постоянно действующих
- 13 -семинарах, НТО и т.д. и т.п.
Публикация. Основина положения диссертации опубликованы в 30 работах (в том числе в монографии и в 5 работах - яз английском языке и/или за рубежом). Всего по теме диссертации опубликовано 85 работ, получено дез авторских свидетельства, сдана в типографию монография.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из веєдєния, 6 глав и заключения, изложенных на 236 страницах машинописного текста, и содержит 53 рисунка, 7 таблиц, список использованных источников из ЗЗЭ наименований и, 2 приложения. Общий объем диссертации 329 страниц.