Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы повышения безопасности при подготовке участков газоносных пластов на шахтах Вьетнама 10
1.1 Современное состояние и перспективы развития угольной промышленности Вьетнама 10
1.2 Сравнительные статистические данные по аварийности в результате взрывов метана на угольных шахтах Вьетнама и России. 14
1.3 Основные технологические схемы добычи и проветривания выработок выемочных участков. 26
1.3.1 Технологические схемы выемочных участков . 26
1.3.2 Основные схемы проветривания шахт. 33
1.3.3 Схемы вентиляции выемочных участков. 36
1.3.4 Схемы и способы вентиляции тупиковых выработок
1.4 Аэрогазодинамические характеристики выработок шахт Вьетнама 46
1.5 Выводы, цель и задачи исследований. 49
ГЛАВА 2 Особенности формирования газовой обстановки в подготовительных выработках 52
2.1 Метаноносность и метановыделение угольных пластов. 52
2.2 Аэродинамика воздушных потоков в подготовительных выработках 59
2.3 Источники выделения метана в атмосферу подготовительных выработок 65
2.4 Выводы 76
ГЛАВА 3 Разработка метода аэрологической оценки метаноопасности подготовительной выработки
3.1 Методика экспериментальных исследований распределения воздуха по длине подготовительной тупиковой выработки 78
3.2 Результаты экспериментальных исследований 88
3.3 Аналитическое описание движения воздуха по длине подготовительной выработки 98
3.4 Аналитическая оценка изменения концентрации метана по длине подготовительных тупиковых выработок 102
3.5 Выводы 108
ГЛАВА 4 Совершенствование методов расчета тупиковых выработок большой длины и сложной конфигурации 111
4.1 Особенности проветривания протяженных тупиковых выработок сложной конфигурации 111
4.2 Аналитические исследования аэродинамических сопротивлений мест сложной конфигурации тупиковых выработок 113
4.3 Выводы 123
ГЛАВА 5 Моделирование процессов проветривания газообильных подготовительных выработок 124
5.1 Обоснование выбора средств и методов моделирования. 124
5.2 Моделирование распределения воздушных потоков в подготовительных выработках 127
5.3 Моделирование распределения газовых примесей в подготовительных выработках 134
5.4 Выводы 138
Заключение 139
Список литературы
- Технологические схемы выемочных участков
- Источники выделения метана в атмосферу подготовительных выработок
- Аналитическое описание движения воздуха по длине подготовительной выработки
- Аналитические исследования аэродинамических сопротивлений мест сложной конфигурации тупиковых выработок
Введение к работе
Актуальность темы исследований.
Во Вьетнаме с 2015 года планируется более широко осуществлять подземную (шахтную) добычу угля на больших глубинах. При этом существенно затрудняются условия ведения подземных горных работ в связи с повышением газоносности пластов и усложнением шахтных вентиляционных сетей. Вместе с тем для повышения добычи необходимо внедрение новых высокопроизводительных выемочных комплексов, что связано с увеличением объема подготовительных работ. В этих условиях важнейшими элементами обеспечения аэрологической безопасности являются достоверный прогноз мест скопления метана в общем объеме подготовительных выработок и адекватная оценка количества воздуха, необходимого для их проветривания по газовому фактору.
Исследованием вопросов повышения безопасности угольных
шахт Вьетнама по газовому фактору занимались ряд
исследователей: Динь Хунг, Чан Суан Ха, Ле Ван Тхао. Однако для
решения задач настоящих исследований необходимо изучение
опыта России. Большой вклад в решение проблемы внесли такие
ученые, как Ф.А. Абрамов, В.Б. Комаров, В.А. Колмаков,
Н.М. Качурин, А.Д. Климанов, А.А. Мясников, И.В. Сергеев,
Э.М. Соколов и др. Методики прогноза газовыделений и расчета
требуемых количеств воздуха по газовому фактору изложена в
нормативных документах. Практика ведения работ в условиях
множества взаимно влияющих друг на друга факторов показала, что
наиболее рациональным методом обеспечения безопасности ведения
горных работ является заблаговременная оценка
аэрогазодинамической обстановки, выполненная с учетом наличия в пространстве выработки мест потенциально возможных скоплений взрывоопасных газов.
Цель работы. Нормализация условий горных работ по газовому фактору при проведении подготовительных выработок на основе результатов оценки аэрогазодинамической обстановки,
выполненной с учетом наличия мест потенциально возможных скоплений взрывоопасных газов.
Идея работы. Комплексный дифференцированный учет
закономерностей формирования газовой обстановки и факторов,
влияющих на образование зон повышенной концентрации
взрывоопасных газов в пространстве тупиковых выработок для
своевременного их контроля и управления параметрами
проветривания подготовительных выработок.
Основные задачи исследований:
анализ взаимосвязи непосредственных, способствующих и сопутствующих причин взрывов газа в угольных шахтах Вьетнама и России;
разработка методики исследования и дифференцирования различных факторов, влияющих на формирование газовой обстановки и динамику газовыделений в комплексе тупиковых и сквозных подготовительных выработок;
- изучение механизмов формирования местных скоплений
метана в комплексе тупиковых подготовительных выработок как
основной непосредственной причины аварийных ситуаций;
- изучение факторов, влияющих на пути и динамику миграции
газа из массива в рабочую зону и до мест возможных взрывов газа в
зависимости от горно-геологических и горно-технических условий;
- разработка методики и проведение производственных
наблюдений для изучения динамики газовой обстановки в
комплексе тупиковых подготовительных выработок;
- научное обоснование и разработка проектных методов расчета
и контроля вентиляции тупиковых выработок по газовому фактору.
Методы исследований:
- анализ литературных источников и обобщение научного и
практического опыта проветривания подготовительных выработок
угольных шахт Вьетнама и России;
обработка натурных данных воздушных и газовых съемок;
численное математическое моделирование и статистический анализ результатов моделирования.
Научная новизна:
- установлено, что при расчете проветривания тупиковых
подготовительных выработок при их проведении необходимо
учитывать дополнительную депрессию вентилятора местного
проветривания на преодоление аэродинамических сопротивлений в
местах сопряжений выработок, при этом наибольшее влияние на
величину их аэродинамического сопротивления оказывают форма
сечения, соотношение расходов в выработках и угол сопряжения;
- установлены закономерности образования зон повышенной
концентрации взрывоопасных газов в комплексе тупиковых
выработок от характера распределения утечек по длине
трубопровода.
Основные защищаемые положения.
1. Аэрологическая безопасность подготовительной выработки
основывается на результатах оценки аэрогазодинамической
обстановки, учитывающей установленные зависимости динамики
метановыделения с учетом влияния интенсивности источников газа
и характера распределения количества воздуха по длине выработки,
наибольшее влияние на который оказывает характер утечек по
длине трубопровода.
2. При расчете тупиковых выработок большой длины и
сложной конфигурации, наличии сопряжений протяженной части и
устья тупиковой выработки с другими выработками,
проветриваемыми за счет общешахтной депрессии, необходимо
учитывать дополнительную депрессию в работе вентилятора
местного проветривания на преодоление местных сопротивлений,
создаваемых горнотехническими условиями.
3. Мониторинг взрывоопасных концентраций метана
необходимо проводить с помощью математического моделирования
не только в призабойном пространстве, но и в протяженной части
тупиковых подготовительных выработок в области формирования
застойных зон, образованных изменениями конфигурации и
площади сечения, сопряжениями выработок, наличием
оборудования.
Научное значение диссертационной работы состоит в обосновании методики оценки возможности формирования газовых скоплений в пределах всего объема подготовительных выработок при их проведении и эксплуатации по газоносным угольным пластам с учетом закономерностей формирования газовой обстановки при изменениях конфигурации, площади сечения, влиянии сопряжений выработок.
Практическая значимость работы состоит в разработке методики оценки аэрологической безопасности в подготовительных выработках, пройденных по газоносным угольным пластам, на основании которой предложены метод расчета и определение мест контроля областей застойных зон с повышенной концентрацией горючих газов.
Научные и практические результаты работы используются в
учебном процессе при чтении лекций по аэрологии горных
предприятий студентам Санкт-Петербургского горного
университета.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные выводы
работы и рекомендации по обеспечению аэрологической
безопасности, а также разработанная методика будут использованы на угольных шахтах Вьетнама при проектировании вентиляции тупиковых выработок и обосновании расчета расхода воздуха в подготовительных выработках выемочных участков.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов подтверждается:
- адекватностью применяемых методов численного
моделирования и статистических исследований;
- удовлетворительной сходимостью натурных данных с
результатами аналитических исследований и моделирования;
- значительным объемом шахтных наблюдений, а также
результатами анализа плановых замеров (проанализированы данные
по 35 подготовительным участкам шахт Вьетнама).
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались и обсуждались: на научно-технических
советах Национального минерально-сырьевого университета
«Горный», 2013-2016 г., Международной научно-практической
конференция «Промышленная безопасность предприятий
минерально-сырьевого комплекса в ХХI веке», 2014 г., Международной научно-практической конференции «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование», 2015 г.
Личный вклад автора:
- анализ литературных источников и научно-технической
документации;
- постановка цели и задач работы;
- разработка методов и способов исследований, проведение
лабораторных экспериментов;
- анализ результатов математического моделирования и выбор
рациональных способов контроля газоопасных зон в зависимости от
распределения воздуха по длине подготовительных выработок;
- обобщение полученных результатов, формулирование
выводов и рекомендаций.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержатся в 3 научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 93 наименований.
Технологические схемы выемочных участков
Для получения достоверных результатов исследования причин аварий, позволяющих разработать конкретные меры, направленные на повышение безопасности горных работ по газовому фактору, необходимо комплексное выполнение не только статистического, но и детального технического анализа.
Статистические методы анализа основаны на изучении количественных показателей данных документов об авариях на предприятиях и в организациях. Это позволяет группировать случаи аварий по определенным признакам, в том числе и по причинам. Чаще всего при оценке аварийной ситуации, связанной с взрывами пыли и газа, применяется простейший статистический метод, целью которого является получение данных по распределению частот и вероятностей возникновения аварий по отдельным группам (кластерам) в пространстве шахты и по времени [44, 89].
Технические методы анализа проводится с целью установления взаимосвязи причин и технических факторов, приведших к аварии. В результате устанавливаются качественная картина развития событий и определяются количественные показатели определяющих факторов. Техническое расследование имеет целью установить с максимально возможной достоверностью причины аварии, наметить меры по устранению ее последствий и восстановлению работоспособности потерпевшего аварию объекта, определить материальный ущерб, разработать необходимые мероприятия и предложения для предупреждения аналогичных аварий на данном и других родственных объектах и предприятиях. Техническое расследование причин аварии производится специальной комиссией в составе и порядке, определяемыми нормативными документами.
Статистические методы по оценке распределения частот возникновения аварий на шахтах Вьетнама позволили получить следующие данные [44, 89]. Изучение динамики изменения количества взрывов газа и пыли в угольных шахтах за период с 1993 по 2015 годы показало, что за указанный период произошло 11 взрывов, некоторые с многочисленными человеческими жертвами. Максимальное количество в год составило 2 взрыва (2002 год). Все зафиксированные взрывы произошли на 45 % шахт от общего числа. При этом на 30 % шахт от общего количества произошло более 80 % взрывов. Пострадало 163 человека, в том числе 76 человека получили смертельные травмы
Результаты топографического анализа мест, где произошли взрывы газа показали, что наибольшее количество взрывов - в среднем более 85 % произошли в подготовительных выработках.
Наиболее полные и достоверные сведения о местах, обстоятельствах, путях развития и характере аварий, также позволяющие выявить максимально полное количество нарушений, могут быть получены при их расследовании, в ходе которого применяются методы технического анализа и экспертных оценок. Основная задача, которая ставится при изучении обстоятельств подобных аварий -выявление причин и источников: во-первых, появления взрывоопасных концентрация газов и пыли в горных выработках, во-вторых, их воспламенения и взрыва. С этой целью для систематизации всех причин, приведших к авариям, принято их кластерное деление по основным факторам, присущим горному производству - природным, техническим, организационным.
Расследование аварийных ситуаций на угольных шахтах Вьетнама, приведших к взрывам метановоздушных смесей, показало, что большинство из них произошло в протяженных тупиковых выработках. Основной причиной появления взрывоопасной концентрации в подготовительных выработках можно считать нарушение проветривания всего объема выработки. При этом причиной загазирования в месте взрыва стали местные скопления газа, выделяющегося из угольного пласта, по которому проходилась выработка. Источником воспламенения метановоздушной смеси стали грубые нарушения техники безопасности - курение, а также неисправность электрооборудования. В качестве основной способствующей причины можно назвать отсутствие датчиков метана в местах потенциально возможных взрывоопасных скоплений.
Технический анализ аварий показал, что основной причиной появления местных скоплений метана во взрывоопасной концентрации стали особенности конфигурации протяженных выработок. В связи с этим была отмечена неэффективность системы автоматической газовой защиты, так как места установки датчиков не совпадали с местами повышенной концентрации газа, отмеченными преимущественно в местах усложнения конфигурации выработки.
Топологический анализ аварийных выработок позволил установить, что характерными местами, где скапливался метан, являлись: - места внезапных расширений и купола в кровле выработок; - сопряжения со сбойками с выработанными пространствами и параллельными выработками; - ниши для установки оборудования; - застойные зоны вблизи машин, механизмов м оборудования. При этом оценка расчетного количества воздуха, подаваемого в призабойную зону в сопоставлении с исходящей в устье выработки струей, показала следующее: - наличие больших утечек в прилегающие выработки; - наличие большого количества застойных зон; - наличие контуров рециркуляции в местах нескольких сбоек с параллельными выработками.
Подобные условия приводили к тому, что скорость движения воздуха по самим выработкам в ряде случаев оказывалась меньше регламентируемой ПБ по опасности местных скоплений, что приводило к образованию слоевых скоплений метана. В подобных условиях в качестве наиболее рационального решения, направленного на повышение безопасности ведения работ, необходимо совершенствование методики расчета подаваемого в забой воздуха, заключающееся в учете не только аэродинамического сопротивления вентиляционного трубопровода, но и выработки. При этом основная научно-практическая задача, решение которой предложено в работе, состоит в обосновании величины увеличения подаваемого в забой выработки воздуха путем определения дополнительного расчетного сопротивления выработки, которое должно включать в себя сопротивление трения стенок и местные сопротивления всех вышеуказанных мест локальных скоплений метана.
Проведенные комплексно статистическая обработка данных и технический анализ при расследовании аварий с целью постановки цели и задач исследования показали, что в настоящее время во Вьетнаме существует устойчивая тенденция к стабилизации количества аварий. Эту статистику в целом можно охарактеризовать как положительную, так как наблюдаемая тенденция свидетельствует об уменьшении количества аварий. Однако среднее количество аварий стремится к постоянной величине, отличной от ноля, которую в настоящее время можно оценить как 4 взрыва или инцидента в год, что в целом соответствует общемировой тенденции.
Таким образом, анализ аварий в угольных шахтах Вьетнама по газовому фактору показывает, что эффективность существующих методов для снижения риска взрывов метановоздушной смеси и предотвращения возникновения взрывоопасных газовых ситуаций является неудовлетворительной, не позволяющей минимизировать опасность по газовому фактору прежде всего в тупиковых и сквозных подготовительных выработках угольных шахт.
Источники выделения метана в атмосферу подготовительных выработок
По предельной метаноносности угольных пластов на угленосной территории Вьетнама выделены три области: метаноносных угольных пластов ("газовая область - более 25 м3/т с.м., угли марок ПA1, ПА2 и A1), умеренной метаноносности ("переходная область - до 15 м3/т с.м., угли марок Г, Ж, К, Т, A2), неметаноносных угольных пластов ("негазовая область" - до 1 м3/т с.м., угли марок Б1, Б2, Б3, Д, A2, А3) [48].
К газовой области относятся восточная часть Куангнинского бассейна, месторождение Нонгшон бассейна Куангнам. К переходной области приурочены западная часть Куангнинского бассейна, бассейны Анчау, Шонгда, район Тхань-Хоа, месторождение Кхебо. К негазовой области относятся северо-западная часть (район Баодай) Куангнинского бассейна, бассейн Ханойской впадины, месторождение Назыонг и другие месторождения бурых углей. Ресурсы углеводородных газов угольных месторождений в газовой и переходной областях значительны, что позволяет оценивать их как попутное полезное ископаемое.
Проведенные исследования газового режима подземных горных выработок действующих горнодобывающих предприятий в сопоставлении с данными геологических исследований показали, что наиболее метанообильны горные выработки, проходимые при разработке углей марок ПA1, ПА2 и A1 с максимальной метаноносностью. Это выработки соответственно должны классифицироваться как представляющие наибольшую опасность по возможным взрывам метана. Примером могут служить восточная часть Куангнинокого бассейна, месторождение Нонгшон бассейна Куангнам. Менее опасны по газовому фактору шахты, приуроченные к переходной области, где разрабатываются каменные угли (Г,Ж,К) и антрациты группы A2, А3, например, угленосный район Тхайнгуен (бассейны впадины Анчау), район Ньокуанг (бассейн впадины Шонгда), месторождение Кхебо, западная часть Куангнинского бассейна. Практически безопасно проведение выработок и разработка углей марки A4, в северо-западной части (зона Баодай) Куангнинокого бассейна, бурых углей многих месторождений, за исключением бассейна Ханойской впадины, где присутствуют нефтегазовые накопления в угленосных отложениях, которые оказывают влияние на состав атмосферы горных выработок.
В составе природных, газов угленосных толщ основных бассейнов присутствуют следующие компоненты: метан, тяжелые углеводороды (в основном этан), водород, углекислый газ, азот и аргон. Наиболее распространенными являются метан, азот и углекислый газ. В неогеновых угленосных отложениях кроме этана, отмечается целый ряд газовых компонентов нефтяного ряда: пропан, бутан, пентан, гексан и примеси предельных углеводородов (этилен, пропилен, бутилен).
Соотношение газов по глубине позволяет выделить две зоны: зона газового выветривания и метановая зона. Верхняя зона газового выветривания, характеризуется в основном газами атмосферного происхождения и незначительным содержанием метана. В метановой зоне преобладает метан. Характер развития газовой зональности в бассейнах различен. Наиболее развита она в восточной части Куангнинского бассейна, где распространены полуантрациты группы ПА1, ПА2 и антрациты A1. В зоне газового выветривания можно выделить области: азотно-углекислую и азотно-метановую. Мощность зоны газового выветривания изменяется в пределах 50-200 метров, местами до 300 метров. В западной части, где развиты более метаморфизованные антрациты групп А1, A2, A3 (месторождения Донгданг, Уонгби, Чанбат, Маохе, Кохень), газовая зональность менее проявлена. Нижняя граница зоны газового выветривания опущена до 500-700 метров, далее на северо-западной части (район Баодай), где развиты антрациты группы A3, П4, ее мощность составляет до 800-1000 метров, т.е. охватывает всю угленосную толщу. В этом районе зона метановых газов не установлена.
В бассейне впадины Анчау метановая зона установлена почти на всех месторождениях. В районе Тхайнгуен, где развиты каменные угли, верхняя граница метановой зоны проходит на глубинах 150-300 м от дневной поверхности. В бассейне впадины Шонгда, где мощность угленосных отложений не достигает 700 м, метановая зона отмечена только местами в районе Ньокуанг и Шуойбанг на глубине ниже 150 м от дневной поверхности. В бассейне Куангнам метановая зона часто находится в пределе глубин 100-150 м, реже до 300 м. В бассейне Ханойской впадины не наблюдается четкой вертикальной зональности [48].
Свободный метан характерен для полостных (поровых и трещинных) ёмкостей в однородном витрините основной массы угля, линз и полос витринита, межслоевых и межфрагментарных первичных и вторичных полостей разгрузки при тектонических и других процессах. Сорбированный метан больше связан с надмолекулярными ёмкостями межагрегатной, внутриагрегатной. Кластерная форма нахождения метана характерна для молекулярной и внутримолекулярной форм ёмкостей (таблица 2.1). Сорбированный метан менее характерен для углей с перечисленными типами полостного пространства, но больше связан с надмолекулярными емкостями межагрегатной (первичной и разгрузки), внутриагрегатной (нормального и нарушенного строения). Клатратная и кластерная (молекулярно) связанная форма нахождения метана характерны для молекулярной и внутримолекулярной структур. Таблица 2.1 - Формы метана в некоторых марках углях основных групп метаморфизма
Связь сорбции и миграции (диффузии) углеводородных газов в угле и угольном пласте выглядит следующим образом. Миграция метана в ненарушенных фрагментах (блоках) идет по законам диффузии, а в нарушенной массе по законам фильтрации. В однородных фрагментах (блоках) угля равновесная диффузия метана, ведущая к его равномерному распределению, а в угольном пласте как фильтрация метана в свободной газовой фазе по сообщающимся микротрещинам и макропорам. Процесс выделения десорбирующегося метана из объема ненарушенных блоков угольного вещества в основном сводится к диффузии из него. Диффузия метана из угольных микропор, возникших при метаморфизме, происходит значительно медленнее, чем из первичных микропор, и более медленнее, чем со свободной поверхности угля.
Диффузия сорбированного и свободного газа в углях различна. Сорбция и диффузия в угле происходит единовременно, начиная с формирования газонаполняемой емкости и проходя в несколько этапов: исходная метаногенерация – выделение радикалов –СН3 из матрицы исходного угля и образование молекулы СН4; сорбция метана – образование равновесной системы «сорбат (измененные угольная матрица и ее окаймление) – сорбент (молекулы метана)»; десорбция – разрушение системы «сорбат–сорбент» с нарушением сорбционного равновесия; перемещение (диффузия, фильтрация) десорбирующегося газа, как его перенос через пористое тело в пределах среды и свободное движение газа с возможной миграцией за пределы непосредственной среды.
Свойства системы «уголь - коллектор свободного газа» рассматриваются с позиции теории фильтрации. Из многих моделей диффузии (перемещения) молекул метана в угле наиболее распространены модели перераспределения свободного объема газа (региональный метаморфизм). Феноменологические модели диффузии метана в углях: диффузия первого рода (фиковская) – с медленной релаксацией сорбента; диффузия второго рода (нефиковская) – быстрее релаксации сорбента (с опережением), применимы в особых геологических условиях: через цилиндрические поры-каналы, образовавшиеся расчленением алифатических цепочек; через каналы-проходы между двумя соседними цепочками макромолекул угля. Диффузия проходит в двух направлениях: вдоль структур наслоения или микротрещин и перпендикулярно им часто в виде фильтрации.
Согласно теории свободного объема перенос молекул метана происходит путем перераспределения свободного объема в структуре угля, при превышении критической величины перепада давления. Это перераспределение происходит при разных формах миграции метана надмолекулярным диффузным и свободным движением фольмеровского, кнудсеновского, броуновского и пуазейлевского типа (рисунок 2.1). Молекулы метана движутся изнутри агрегатов по направлению к их поверхности. Значительная часть метана, заключенного в угольном пласте, первоначально диффундирует через само угольное вещество, что приводит к изменению его физических свойств. Газоперенос в угольном пласте неразрывно связан со структурными преобразованиями угля, которые вызваны его деструкцией и поликонденсацией и структурными преобразованиями угля как составной части пласта и самого пласта. В ненарушенных геологическими процессами и техногенными воздействиями микроблоках угольных пластов преобладает диффузионный перенос метана [2, 4, 6, 7, 11, 92]
Аналитическое описание движения воздуха по длине подготовительной выработки
На рисунке видно, что степень натяжения материала гибкого трубопровода в начале става намного выше, чем в конце. Соответственно, при этом наблюдалось различие в величинах фактического диаметра по длине трубопровода и отличие от параметров, принимаемых при расчете его аэродинамического сопротивления. При больших утечках по длине трубопровода наблюдалась еще худшая картина, показанная на рисунке 3.6. В забой при этом поступало количество воздуха, значительно отличающегося от расчетного в меньшую сторону, что объяснялось не только величиной утечек, но и значительным возрастанием аэродинамического сопротивления конечной части воздуховода при значительном уменьшении его диаметра относительно начальной части. Это объясняется характером известной зависимости, по которой рассчитывается величина аэродинамического сопротивления трубопровода, которая обратно пропорциональна диаметру трубопровода в пятой степени. Для установления количественных показателей этого фактора были проведены производственные наблюдения и аналитические исследования. Из таблицы видно, что удельное сопротивление начального участка на 14-18 % меньше удельного сопротивления конечного участка только за счет увеличения диаметра за счет растяжения материала трубопровода.
Анализ результатов наблюдений при поперечных съемках позволяет сделать вывод, что скорость движения воздуха по ширине сечения выработки снижается от центра выработки к стенкам с различной интенсивностью, что определяется местоположением сечения по длине выработки и также имеет выраженную зависимость от величины утечек из трубопровода по длине выработки.
Таким образом, проведенные исследования показали, что утечки по длине вентиляционного трубопровода имеют различную величину, зависящую от многих факторов. Аналитическое их определение в ряде случаев дает результаты, значительно отличающиеся от данных натурных наблюдений. Это подтверждается исследованиями других ученых. Так, эксперименты показали, что среди 120 обследованных трубопроводов для условий угольных шахт общей длиной около 50 км только 3,4 % имеют утечки воздуха в пределах величин, принятых существующими нормативными и справочными изданиями, а в остальных случаях они больше [45, 72, 74].
Поэтому для лучшей сходимости результатов натурных исследований и аналитических зависимостей необходимо их уточнение с учетом дополнительных факторов, влияющих на динамику утечек в нагнетательном трубопроводе и соответственно на распределение расхода и скорости воздуха по длине подготовительной выработки.
Проведенный анализ результатов натурных исследований показал, что величина утечек по длине трубопровода и изменение количества воздуха по длине подготовительной выработки, наиболее хорошо описывается уравнением вида у=1+a(1-x)n.
Полученные основные точки пересечения этой функции с осями координат служат для вывода расчетных уравнений. Для аппроксимации связи использован метод наименьших квадратов, заключающийся в том, что линия регрессии должна удовлетворять условию минимума суммы квадратов расстояний до каждой точки корреляционного поля. В данном случае в уравнении величина у (количество утечек) представляет собой расчетное значение функции, определенное при помощи уравнения выбранной криволинейной связи по фактическим значениям величины х (расстояние по трубопроводу от устья в сторону забоя).
Для решения задачи по установлению зависимости, наиболее близко описывающей распределение утечек по длине трубопровода, выбран метод наименьших квадратов, т.к. каждый из признаков (значения функции и результаты производственных замеров) имеет числовое выражение, при котором нет открытых вариант. Построены ряды из парных сопоставляемых признаков, обозначаемые через "у" - значения функции и "х" - результаты производственных замеров (рис. 3.3 и 3.4).
Расчеты выполняются в следующей последовательности: 1) Определяются средние величины Му в ряду вариант "у" иМх в ряду вариант " х " по формулам: Л/Г ТУ ЛЖ X М = ; Мх= (3.20) п п 2) Находится отклонение (dу и dх) каждой варианты от величины вычисленной средней в ряду"у" и в ряду V: dy=y-My;dx=y-Mx (3.21) 3) Находится произведение отклонений dxdy и их суммарная величина dхAу. 4) Каждое отклонение dx и dу возводится в квадрат и суммируется по ряду "х" и по ряду "у". 5) Определяются произведение (dx2 dy2) и из этого произведения извлекается квадратный корень. 6) Полученные величины подставляются в формулу расчета коэффициента корреляции между признаками: I(dxdy) R yX (Idi dl) (3.22) 7) По полученной величине значения корреляционного отношения оценивалась теснота связи между рассматриваемыми признаками. Результаты аппроксимации представлены в виде зависимости: Я ) = 1 + ( 1)(1 )« ( Q з тр L тр 3.23) где kтр - коэффициент утечек воздуха в пределах расчетной длины Lтр трубопровода. Значения коэффициентов утечек в пределах длины тупиковой выработки, показателя степени в зависимости, полученные для различных диаметров трубопроводов типа МУ, а также результаты сравнительных расчетов тесноты связи между значениями функции и данными замеров в виде коэффициентов парной корреляции приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Результаты сравнительных расчетов аэродинамического сопротивления вентиляционного трубопровода.
Аналитические исследования аэродинамических сопротивлений мест сложной конфигурации тупиковых выработок
В ряде случаев в отдельных обособленных частях рабочих зон проведение натурных аэродинамических исследований традиционными способами - газовыми и воздушными съемками зачастую оказывается неэффективным. Причиной является то, что из-за конфигурации этих зон и труднодоступности их, измерение в них, например скоростей движения воздуха или отбор газовых проб является зачастую трудновыполнимым процессом. Это связано с многими факторами, в частности с малыми размерами таких зон, что при наблюдениях приводит к большим погрешностям в определении поля скоростей и концентраций, незначительной динамикой изменения в их объеме параметров окружающей среды в пространстве и времени по сравнению с окружающей средой. Примерами таких зон являются различного рода ниши для размещения оборудования, заперемыченные сбойки, пространство под конвейером и т.п.
Поэтому наиболее перспективными направления исследования газодинамических процессов в подобных условиях является использование методов численного моделирования с помощью таких программных средств, как ANSYS Fluent, ANSYS CFx и FlowVision. Анализируя возможность и удобство применения подобных программных средств в условиях производства, было принято решение остановиться на версии программы FlowVision, с приемлемыми ограничениями по точности решения.
Программный комплекс FlowVision - комплексное многоцелевое решение для моделирования трехмерных течений жидкости и газа. Сфера применения программного комплекса была определена исходя из того, что FlowVision предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики. Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости и газа. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью.
Программный комплекс FlowVision дает возможность пользователю использовать любую систему автоматического проектирования (САПР) для создания расчетной области. Из многочисленных поддерживаемых форматов данных формат Virtual Reality Modeling Language (VRML) позволяет сохранить информацию о цвете отдельных поверхностей [13, 84]. В этом случае при работе с FlowVision возможно задавать различные граничные условия на поверхностях, имеющих различный цвет. Во многих задачах такой способ задания граничных условий оказывается наиболее быстрым и удобным.
FlowVision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью FlowVision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Эта технология позволяет импортировать геометрию из систем САПР и обмениваться информацией с системами конечно-элементного анализа. Использование этой технологии позволило решить проблему автоматической генерации сетки заданием несколько параметров, после чего сетка автоматически генерируется для расчетной области, имеющей геометрию любой степени сложности.
FlowVision основан на численном решении трехмерных стационарных и нестационарных уравнений динамики жидкости и газа, которые включают в себя законы сохранения массы, импульса (уравнения Навье-Стокса), уравнения состояния. Уравнения Навье-Стокса решаются методом расщепления по физическим процессам (проекционный метод MAC). Для расчета сложных движений жидкости и газа, сопровождаемых дополнительными физическими явлениями, такими, как, турбулентность, горение, контактные границы раздела, пористость среды, теплоперенос и так далее, в математическую модель включаются дополнительные уравнения, описывающие эти явления. FlowVision основан на следующих технологиях вычислительной гидродинамики и компьютерной графики: - прямоугольная расчетная сетка с локальным измельчением расчетных ячеек; - аппроксимация криволинейных границ расчетной области методом подсеточного разрешения геометрии; - импорт геометрии из систем САПР и конечно-элементных систем через поверхностную сетку; - ядро программы написано на языке C++; - имеет клиент-серверную архитектуру; - пользовательский интерфейс - для операционных систем MS Windows и Linux; - система анализа результатов расчетов использует высококачественную графику на основе OpenGL Программный комплекс FlowVision включает в себя два основных продукта: - FlowVision 2; - FlowVision-HPC.
FlowVision построен на базе единой интегрированной среды, в которой препроцессор, решатель и постпроцессор объединены и работают одновременно. В функциональное назначение Препроцессора входит импортирование геометрии расчетной области из систем геометрического моделирования, задание модели среды, расстановка начальных и граничных условий, генерация или импорт расчетной сетки и задание критериев сходимости. После этого управление передается Решателю, который начинает процесс счета. При достижении требуемого значения критерия сходимости процесс счета может быть остановлен. Результаты расчета непосредственно во время счета доступны для Постпроцессора, в котором производится обработка данных - визуализация результатов и сохранение их во внешние форматы данных. Такое построение позволяет проводить моделирование и одновременно, визуализируя значение любой газодинамической переменной, анализировать результаты расчета, менять граничные условия и параметры математической модели. Архитектура программного комплекса FlowVision является модульной, что позволяет легко добавлять новые функциональные возможности и вносить улучшения [13, 84].
Основной задачей исследований являлось определение возможности применения данного программного продукта для математического моделирования течения воздушных потоков в местах потенциально возможных местных скоплений и горного оборудования с геометрическими параметрами расчётных моделей, соответствующих реально применяемым. С этой целью были созданы математические 3-D-модели выработок и ниш некоторых сечений и конфигураций в формате VRML, являющиеся геометрическими границами движения потоков воздуха. Для создания 3-D моделей был использован пакет программ SolidEdge (Siemens). После создания моделей они были экспортированы в формат STL. Далее созданные модели были импортированы в программу FlowVision, в которой численно решены уравнения Навье-Стокса для несжимаемой жидкости [61, 67, 71].
Данные 3-D-модели являются геометрическими границами движения потоков воздуха. На рисунке 5.1. приведены 3 варианта для выработки арочной формы площадью поперечного сечения 18 м2: прямолинейная выработка арочной формы; прямолинейная выработка арочной формы с препятствием прямоугольной формы; прямолинейная выработка арочной формы с примыканием тупика также арочной формы.