ИнтерСтройЭкспо 2016
04.05.2016
С 20 по 22 апреля 2016 года в Санкт-Петербурге, в КВЦ «ЭКСПОФОРУМ» состоялась 22-я Международная выставка «ИнтерСтройЭкспо», крупнейшая на Северо-Западе России международная выставка строительных, отделочных материалов и строительной техники.
Евроасфальт и Евробитум 2016
29.04.2016
Конгресс, который состоится с 1 по 3 июня в Праге, станет важной вехой в развитии асфальтовой и битумной промышленности Европы. Предоставив возможность ведущим специалистам отрасли подвести итоги проделанной работы и наметить планы на будущее, он послужит полноценной стратегической платформой для ее дальнейшего развития.
 

ИННОВАЦИОННОЕ РЕШЕНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ВЕНТИЛЯЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ И РУДНИКОВ/Горная Техника 2012-2/

Кобылкин С. С.

В настоящее время горные работы идут на глубинах, где газовый фактор ограничивает интенсивность добычи: высокая газоносность пластов не позволяет использовать высокопроизводительное оборудование на полную мощность. Высокая производительность забоев не обеспечивается соответствующими инженерными решениями по схемам вентиляции и дегазации. Одной из важных причин такой ситуации является отсутствие нормативно-методической базы проектирования систем метанобезопасности угольных шахт [1], поскольку в основе действующей методики расчета параметров вентиляционных систем лежат эмпирические зависимости прогноза газообильности, установленные при нагрузках на лаву в десятки и сотни раз меньших, чем сегодняшняя производительность выемочных комплексов. Эффективность дегазации при проектировании вообще не рассчитывается, а декларируется. В результате достоверность расчетов при такой ситуации недопустимо низка.
Учитывая тот факт, что взрывы метана, сопровождающиеся взрывами угольной пыли, подземными пожарами, характеризуются катастрофическими последствиями как в социальном плане — по массовому смертельному травматизму (рис. 1), так и с точки зрения материального ущерба — вплоть до потери месторождения (табл. 1), необходимо найти новый способ проектирования вентиляции шахт. Дальнейшее развитие горной промышленности связано с интенсификацией и концентрацией горных работ, увеличением темпов подвигания подготовительных и очистных забоев, внедрением высокопроизводительной техники и увеличением нагрузки на очистной забой, поэтому следует ожидать повышения интенсивности общего выделения газов, усложнения проветривания выработок, роста опасности эндогенных пожаров.
Часто взрывы метановоздушной смеси сопровождаются пожарами в выработанных пространствах и наоборот. Также следует отметить, что жертвами аварий становятся и горноспасатели, что можно объяснить постоянно изменяющимися условиями ведения горных работ и ошибками в проектировании шахт — несоблюдении нормативных требований. По бассейнам, в которых происходят взрывы, самым опасным остаетсяКузнецкий (рис. 2), отличающийся наибольшей производительностью очистных забоев.
Известно [2, 3], что при скорости подвигания очистных забоев более 5 м / сут абсолютная газообильность возрастает экспоненциально с ростом природной газоносности, скорости подвигания и длины лавы; относительная газообильность при этом снижается. При этом величину «газового барьера» — нижнюю границу газообильности, соответствующую максимальной пропускной способности вентиляционной системы участка по газу, следует определять исходя из схемы проветривания, длины лавы и скорости подвигания очистного забоя. В этом случае использование эмпирических многофакторных детерминированных зависимостей не обеспечивает необходимой точности расчетов параметров вентиляции очистных и подготовительных забоев, для этих целей целесообразно использовать виртуальные аналоги объектов проветривания, позволяющие системно учесть факторы в их взаимодействии.
Многофакторная математическая модель аэрогазодинамических процессов, разработанная на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса для реальных газов, замыкаемая уравнениями неразрывности и сохранения энергии, дополняемая дифференциальным уравнением диффузии и законом Дарси в общей форме, адекватно описывает конвективную диффузию в стратифицированных потоках в горных выработках и в выработанном пространстве и может использоваться для расчета параметров аэрогазодинамики при проектировании систем вентиляции шахт, опасных по газу.
Предлагаемая математическая модель содержит четыре зоны, в которых течение имеет существенно различный характер. К этим зонам относятся горные выработки, по которым подается свежая струя воздуха, горные выработки с исходящей метановоздушной струей, очистной забой с различными источниками выделения метана и выработанное пространство. Для описания течений в этих зонах следует варьировать уравнения модели: пренебрегать малосущественными членами, изменять аппроксимации и т.д. Всё это усложняет задачу нахождения численного решения задачи. Поэтому было принято решение использовать во всей расчетной области одни и те же уравнения. При этом предполагается использование высокопроизводительной вычислительной техники на базе кластеров, это позволит преодолеть те сложности, которые могли бы быть устранены с помощью варьирования модели, и инновационного программного обеспечения, впервые применяющегося для численного решения диффузионных процессов вентиляции выемочных участков угольных шахт.
Для учета турбулентности применяется процедура осреднения искомых параметров по времени и представление этих параметров как суммы среднего и пульсационного значений, которые замыкаются с помощью уравнения неразрывности и энергии. Рудничная атмосфера рассматривается как сплошная среда, которая в общем случае подчиняется основным законам аэродинамики [5].
Отдельно необходимо отметить, что пористая область задается изотропной моделью потерь и моделью направленных потерь. Изотропные потери импульса учтены линейным и квадратичным коэффициентом сопротивления, коэффициентами проницаемости и потерь. Основываясь на работах Пучкова Л.А., Калединой Н.О. [6, 7] и Клебанова Ф.С. [8] по изучению аэродинамики выработанных пространств и исследованиях Милетича А.Ф. по утечкам [9, 10] на основе двучленного закона, для выработанного пространства используется закон Дарси в дифференциальной форме записи.
При решении математической модели и для получения единственного решения уравнения задаются краевые условия протекания процесса переноса в начальный момент времени и на границах потока, а также строится расчетная трехмерная геометрическая форма области течения потока [9]. Разработанный подход к системному проектированию включает в себя многочисленное количество определенных в работе физических и технологических параметров и констант, ранее не учитываемых при проектировании вентиляции шахт.
В ряде работ рассматриваются более простые случаи, а также вводятся предложения, упрощающие описание процесса, при этом растет погрешность расчетов. В сложившихся условиях данная погрешность существенно влияет на безопасность ведения горных работ. При разработке математической модели предлагается другой подход, основанный на использовании полных дифференциальных уравнений.
Верификация проводилась для условий сланцевой шахты «Эстония» компании Eesti Energia Kaevandused, исследования производились в натурных условиях для схемы, представленной на рис. 3. Параметры, используемые при численном решении многофакторной математической модели, определялись на основе горно-геологических данных, представленных шахтным управлением. Геометрическая модель, выполненная в CAD системах, полностью соответствует реальным значениям в масштабе 1:1. Проветривание шахты в настоящее время осуществляется по объединенной схеме нагнетательным способом восемью главными вентиляционными установками, расположенными на поверхности на главном западном и восточном направлениях. Камерные блоки проветриваются по возвратноточной схеме. Исходящие струи воздуха из очистных и подготовительных забоев проходят по вентиляционным штрекам и выводятся на поверхность через исходящие вентиляционные шурфы.
Первоочередные меры обеспечения безопасности должны предотвратить создание условий для возникновения аварий. Для этого нужно разработать новые методики расчета необходимого и достаточного количества воздуха для безопасного ведения горных работ на выемочных участках угольных шахт. Необходимо найти новое решение для проведения анализа процессов выноса и распространения газовых примесей по горным выработкам.
Для существующих шахт и вновь проектируемых требуется расчет и обоснование рациональных параметров по новым нормативным документам, для их создания требуется разработка и внедрение новых подходов проектирования вентиляции горнодобывающих предприятий на основе объёмного моделирования процессов, протекающих в подземных аэрогазодинамических системах.
Разработанный методологический подход к проектированию вентиляции шахт на основе моделирования аэрогазодинамических процессов позволяет обоснованно рассчитывать рациональные параметры управления газовыделением, обеспечивающие минимальный риск загазирований.
Для оценки адекватности математической модели и ее численного решения были произведены исследования по распределению воздушных потоков в камерном блоке отрабатываемой панели 1210, где добыча сланца осуществляется буровзрывным способом. Поступающая струя воздуха подается по сборному штреку 1, а исходящая — по бортовым штрекам 2 и 3.
На рисунке 3 отмечены места проведения замеров распределения воздушных масс. Измерения производились анемометром АПР-2 по методике, представленной в инструкции к правилам безопасности. Выработанное пространство поддерживается целиками размером 6 на 6 метров, основная кровля, сложенная из прочного известняка, остается на протяжении всего срока эксплуатации шахты.
Анализ проведённых расчетов показал следующее. Проветривание в шейках и в коротких забоях происходит лишь за счет молекулярной диффузии. В межцеликовом сечении происходит рециркуляция воздуха (рис. 4). Натурные исследования проводились в трёх камерных блоках. Ранее было установлено, что при длине выработанного пространства 300 метров и более дальнобойность струи не ограничивается, а достигает своей максимальной величины 70 – 80 метров. Проведённые исследования показали, что эта величина в современных условиях достигает 60 – 90 метров в зависимости от перекрытия сечения в месте перегрузки сланца на скребковый конвейер. Результаты численного моделирования с заданными краевыми условиями и соответствующей реальности геометрии течения полностью соответствуют натурным измерениям.
Результаты численного моделирования процессов вентиляции были представлены на техническом совете шахты «Эстония». Сравнение результатов показало полное соответствие результатов численного моделирования и натурных экспериментов, что позволило сделать вывод о внедрении и возможности дальнейшего применения полученных данных численного моделирования при проектировании новых камерных блоков и вновь строящихся шахт.
Проведённые исследования показали высокую эффективность использования численных методов при решении сложных задач рудничной аэрогазодинамики и необходимость их применения в вентиляционных расчётах сложных систем угольных шахт, особенно в сочетании с современным уровнем вычислительных компьютеров.
На основе предложенного метода объёмного моделирования диффузионных процессов вентиляции разработан методологический подход к расчёту шахтных вентиляционных систем. Предложенный метод проведения расчёта включает в себя: сбор и формирование исходных данных, задание начальных и граничных условий, численное решение многофакторной математической модели процессов конвективной диффузии в рудничной атмосфере горных выработок и в выработанном пространстве по всей области течения газовоздушной смеси; укрупнённая блок-схема алгоритма этого метода представлена на рис. 5. В результате создаётся компьютерный аналог изучаемого объекта — проходческого или выемочного участка. Анализируя и изменяя параметры объекта, определяем безопасные, экономически рациональные и оптимальные условия ведения горных работ для конкретного месторождения.

Литература

1. Пучков Л.А. Концепция обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006.–.2012. М.: МГГУ, 2006. С. 1.–.17.
2. Тарасов Б.Г., Колмаков В.А. Газовый барьер угольных шахт. М.: Недра, 1978. С. 63.–.79.
3. Костеренко В.Н. Справка о состоянии проветривания и пылегазового режима горных выработок угольных шахт России. М.: ВГСЧ, 2004.
4. Ушаков К.З. Газовая динамика шахт. М.: Недра, 1984. С. 248.
5. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. М.: М / ГГУ, 1993. С. 11.–.206.
6. Каледина Н.О. Исследование и расчет рациональных режимов аэродинамики и дегазации выработанных пространств в условиях автоматического управления вентиляцией выемочных участков. М.: Типография Московского ордена Трудового Красного знамени горного института, 1977. С. 14.
7. Клебанов Ф.С. О выделении метана из выработанных пространств // Проблемы рудничной аэрологии. М.: Госгортехиздат 1959. С. 113.–.122.
8. Милетич А.Ф. Утечки воздуха в шахтах. М.: Госгортехиздат, 1962. С. 73.–.99.
9. Милетич А.Ф. Утечки воздуха и их расчет при проветривании шахт. М.: «Недра», 1968. 148 с.

< Назад

 

Поиск

Автор
Год выпуска
НОВЫЙ СПОСОБ ПРОВЕТРИВАНИЯ ТУПИКОВЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК /Горная Техника 2012-1/
Освоение подземного пространства является одним из основных направлений развития строительства в мегаполисах, ежегодно возрастают объемы горных работ. В настоящее время при строительстве подземных сооружений происходит концентрация работ и интенсификация производственных процессов, сопровождающаяся ростом газо- и пылевыделения. Применяемые способы проветривания тупиковых горных выработок не всегда эффективны и высокозатратны. Современные методы моделирования аэрогазодинамических процессов, позволили исследовать новый способ проветривания тупиковых горных выработок и доказать его целесообразность для одновременного проветривания 1 – 5 тупиковых горных выработок длиной до 20 м.
  © 2008 Славутич Разработка сайта Vitrum-Media