Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Опыт предотвращения образования наледей в горных выработках шахт, рудников и подземных сооружений 12
1.1 Горные выработки с рельсовыми транспортными средствами 12
1.2 Горногеологические и климатические характеристики районов с суровыми климатическими условиями 13
1.3 Особенности проветривания различных типов горных выработок 15
1.3.1 Железнодорожные тоннели 15
1.3.1.1 Схемы вентиляции железнодорожных тоннелей 18
1.3.2 Транспортные штольни шахт и рудников 20
1.3.3 Тоннели метрополитенов 1.4 Факторы, определяющие процессы наледеобразования 25
1.5 Опыт борьбы с наледеобразованием в горных выработках в условиях сурового климата 29
1.6 Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2 Методические основы определения параметров теплового режима горных выработок с рельсовыми транспортными средствами для предотвращения образования наледей 36
2.1 Оценка условий образования наледей в горных выработках 36
2.2 Методика определения количества воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, за счет действия естественной тяги и поршневого эффекта подвижного состава 39
2.3 Исследование теплообмена воздуха с горным массивом, окружающим выработки, при скачкообразном изменении температуры воздуха и скорости его движения 43
2.4 Методика определения параметров системы подогрева наружного воздуха с помощью калориферов, установленных у устья выработки 52
2.5 Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3 Управление воздушными потоками в горных выработках с рельсовыми транспортными средствами 57
3.1 Характеристика воздухообмена при эксплуатации железнодорожных тоннелей 57
3.2 Методы управления распределением воздуха в горных выработках шахт и рудников 66
3.3 Исследование эффективности снижения количества воздуха, поступающего в железнодорожные тоннели при помощи воздушных завес, расположенных на устьях выработок 70
3.4 Результаты определения аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот 75
3.5 Оценка эффективности использования струйных вентиляторов для сокращения количества воздуха, поступающего в тоннель под действием естественных и эксплуатационных факторов 81
3.6 Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4 Математическое моделирование аэродинамики воздушных потоков 92
4.1 Общее описание программного пакета 92
4.2 Математическое моделирование аэродинамики воздушных потоков при взаимодействии струй холодного наружного и подогретого воздуха 99
4.3 Математическое моделирование аэротермодинамики при различном расположении воздухоподающих устройств относительно портала тоннеля
4.4 Выводы по главе 4 112
Заключение 113
Список литературы 115
- Горногеологические и климатические характеристики районов с суровыми климатическими условиями
- Методика определения количества воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, за счет действия естественной тяги и поршневого эффекта подвижного состава
- Исследование эффективности снижения количества воздуха, поступающего в железнодорожные тоннели при помощи воздушных завес, расположенных на устьях выработок
- Математическое моделирование аэродинамики воздушных потоков при взаимодействии струй холодного наружного и подогретого воздуха
Введение к работе
Актуальность работы. Районы с суровыми и
экстремальными климатическими условиями занимают более 2/3
территории России. В этих районах сосредоточено большинство
разведанных запасов полезных ископаемых, располагаются
имеющие существенное значение для нашей страны культурные,
научные и промышленные центры. Логистическая связь между
этими центрами осуществляется, в основном, по железным дорогам,
неотъемлемым элементом инфраструктуры которых являются
железнодорожные тоннели. Один из аспектов обеспечения
безопасности их эксплуатации состоит в создании необходимых
условий, предотвращающих развитие негативных процессов при
взаимодействии холодного наружного воздуха, поступающего в
тоннели, с их конструктивными элементами (крепь, контактный
провод, водоотводные лотки и т.п.). К числу вышеупомянутых
негативных процессов следует отнести образование наледей.
Возможность их появления связана, главным образом, с наличием
воды, поступающей в выработки, контакт которой с холодным
наружным воздухом в конечном итоге и приводит к развитию
процессов наледеобразования. Аналогичные процессы характерны и
при разработке месторождений полезных ископаемых, когда для
транспортировки на поверхность добываемой горнорудной массы
используются штольни. На формирование теплового режима как
железнодорожных тоннелей, так и транспортных штолен, в отличие
от горных выработок других типов, оказывает влияние переменная
величина расхода поступающего в них наружного воздуха. Его
динамика определяется поршневым действием подвижного состава,
зависящего от горнотехнических параметров выработок,
характеристик подвижного состава, скорости и интенсивности его движения.
Имеющийся в России опыт свидетельствует о том, что радикальным средством для предотвращения образования наледей следует считать создание в горных выработках в зимний период положительного теплового режима за счет подогрева холодного наружного воздуха на устьях выработок. Методики для определения
параметров систем подогрева, используемые на горнодобывающих предприятиях, не учитывают переменный характер расхода воздуха, зависящий от нахождения или отсутствия в тоннеле подвижного состава, и сложную пространственную динамику скоростных и температурных полей, сопровождающую процесс смешения холодного наружного и подогретого воздуха у устья выработок.
Исследованиям тепломассообменных процессов при
создании положительного теплового режима, применительно к железнодорожным тоннелям, были посвящены работы ученых Горного университета (Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г.), в которых разработаны основные принципы управления тепловым режимом горных выработок при периодическом движении транспортных средств и подогреве наружного воздуха. Определённый вклад в решение проблемы минимизации процессов наледеобразования внесли ученые Славин Б.Е., Молчанов В.С., в работах которых предложены методы тепловой пассивной и активной защиты конструкций транспортных выработок от воздействия сурового климата. Обоснование способов предотвращения обледенения осуществлено Ковалевым А.В., Деминым В.И. и др. За рубежом подобные исследования осуществлялись учеными из Австрии, Финляндии (Лангнер В., Хагенах Б., Гронвел Т.), а также Японии и Канады.
Анализ имеющегося опыта эксплуатации систем подогрева наружного воздуха, поступающего в железнодорожные тоннели и транспортные горные выработки, показал их сравнительно невысокую энергетическую эффективность, нерациональность использования в условиях выделения из пород вредных газообразных веществ (например, радона), сложность применения при организации аварийных вентиляционных режимов.
Переход к системам подогрева воздуха нового поколения, свободных от вышеперечисленных недостатков, возможен только при разработке научно-методических основ выбора параметров тепловентиляционых систем, которые должны базироваться не только на имеющемся опыте, но и на современных методах математического моделирования, позволяющих изучить сложные
процессы теплопереноса в системе воздушная среда – горный массив.
Таким образом, необходимость решения данной проблемы для горных выработок с рельсовыми транспортными средствами, расположенных в сложных климатических и горно-геологических условиях, является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности систем подогрева воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, при одновременном сокращении энергетических затрат.
Идея работы. Обеспечение параметров теплового режима
горных выработок с рельсовыми транспортными средствами,
требуемых для предотвращения или минимизации процессов
наледеобразования, на основе сокращения количества
поступающего наружного воздуха и достижения максимальной эффективности использования тепловой энергии калориферных установок.
Основные задачи исследований:
-
Анализ и обобщение отечественного и мирового опыта обеспечения безопасности транспортных горных выработок, расположенных в суровых климатических условиях.
-
Определение основных факторов, оказывающих влияние на процессы образования наледей и разрушения крепи транспортных горных выработок.
3. Теоретические исследования процессов
тепломассопереноса в системе воздушная среда – горный массив
при изменяющихся во времени температуре и расходе
поступающего воздуха.
4. Теоретические исследования динамики скоростных и
температурных полей при смещении холодного наружного воздуха
и теплого воздуха по длине транспортной выработки.
5. Исследования эффективности предлагаемых устройств для
снижения количества холодного наружного воздуха, поступающего
в выработки.
6. Разработка методики расчета параметров теплового
режима, обеспечивающего безопасность эксплуатации
транспортных горных выработок.
Научная новизна:
- установлена зависимость, определяющая изменение числа
Эйлера, характеризующего потери давления при движении
вентиляционной струи через устье выработки, перекрытое воротами,
от площади открытого проема для прохода воздуха, позволяющая
определять положение ворот, при котором в выработки поступает
требуемое количество воздуха;
- определены закономерности динамики скоростных и
температурных полей, формирующихся на участке выработки,
прилегающем к ее устью, при смешении струй холодного наружного
воздуха, поступающей через ворота, и подогретого воздуха,
выпускаемой из проемов, расположенных по высоте боковых
поверхностей выработок, при различном расположении проемов
относительно устья выработки и скоростях выпускаемой воздушной
струи.
Основные защищаемые положения:
-
Выбор параметров системы подогрева воздуха для горных выработок с рельсовыми транспортными средствами, включающих мощность калориферных установок, циркуляцию воздуха и его температуру, следует осуществлять с учетом совокупного изменения в течение зимнего периода температуры и количества атмосферного воздуха, поступающего в устья выработок, во время движения подвижного состава по выработкам и при его отсутствии в них.
-
Снижение энергетических затрат на подогрев наружного воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, достигается в результате увеличения ее аэродинамического сопротивления за счет установки на противоположных устьях вентиляционных ворот, которые открываются при движении через них подвижного состава и закрываются после его прохода.
3. Повышение эффективности системы подогрева воздуха
достигается за счет выбора места выпуска в выработку подогретого
в калориферах воздуха относительно ее устья и скорости его
движения, обеспечивающих максимальное использование
теплосодержания теплой воздушной струи за счет организации смешения воздушных потоков с отрицательной и положительной температурой.
Методы исследований. Работа выполнена на основе
комплексного метода исследований, включающего анализ и
обобщение литературных данных о проветривании горных
выработок с рельсовыми транспортными средствами, а также
способах и средствах, способствующих предотвращению
образования наледей; экспериментальные исследования в натурных условиях, статистическую обработку экспериментальных данных, математическое моделирование с использованием современных программных продуктов, обработку и интерпретацию результатов математического моделирования.
Достоверность результатов исследований обеспечивается
применением современной аппаратуры и методов исследований,
поддерживаемых соответствующим метрологическим обеспечением
с верификацией качества проведения измерений, значительным
объемом численных расчетов по обоснованным математическим
моделям, удовлетворительной сходимостью результатов натурных
измерений и математического моделирования, апробацией
полученных результатов в периодической печати.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе научно-методические основы позволяют определять параметры системы подогрева воздуха в горных выработках с рельсовыми транспортными средствами для предотвращения образования наледей.
Реализация результатов работы.
- результаты исследований использованы в проектных
работах ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» при разработке
проекта вентиляции и подогрева воздуха на Байкальском
железнодорожном тоннеле;
- научные и практические результаты работы могут быть
использованы в учебном процессе при чтении лекций по
дисциплине «Аэрология горных предприятий» студентам Санкт-
Петербургского горного университета.
Личный вклад автора:
анализ факторов, определяющих вентиляционный и тепловой режимы выработок с рельсовыми транспортными средствами при движении воздуха за счет естественной тяги и принудительном проветривании с одновременным подогревом воздуха в зимний период времени;
изучение способов и методов предотвращения или минимизации образования наледей;
постановка и решение задачи о теплообмене воздушного потока с горным массивом при скачкообразном изменении температуры воздуха и коэффициента теплоотдачи;
разработка методики расчета параметров калориферного оборудования для подогрева воздуха;
статистическая обработка экспериментальных данных по определению потерь давления при движении вентиляционной струи через открытый проем вентиляционных ворот на устье выработки;
сопоставление данных по величинам количества воздуха, поступающего в Байкальский тоннель, рассчитанных по результатам математического моделирования, и вычисленных с учетом экспериментально определённой величины местного сопротивления ворот;
- участие в разработке математической модели для
исследования закономерностей формирования скоростных и
температурных полей при смещении воздушных струй холодного
наружного и подогретого воздуха;
- обработка и интерпретация результатов математического
моделирования.
Апробация работы. Результаты исследований и основные
положения диссертационной работы, как в целом, так и результаты
отдельных этапов, обсуждались и одобрены научной
общественностью на международных научно-практических
конференциях «Аэрология и безопасность горных предприятий» и «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (СПб, 2012 г, 2014 г.), а также семинарах кафедры безопасности производств ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Публикации. Основные результаты диссертационной
работы содержатся в 3 печатных работах, из которых 2 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 83 наименований.
Горногеологические и климатические характеристики районов с суровыми климатическими условиями
Метрополитен - вид городского транспорта, в котором подвижной состав для перевозки пассажиров курсирует по железной дороге. Он инженерно-отделён от любого другого транспорта и пешеходного движения [13].
Непрерывный и эффективный воздухообмен между метрополитеном и атмосферой обеспечивают шахты для вентиляции. Вентиляционные шахты подразделяются на две разновидности, соответственно работают в двух режимах: на вытяжку и на приток.
Вытяжка выдувает теплый воздух наружу из тоннеля метрополитена, а шахта на приток, напротив, нагнетает свежий воздух с поверхности в тоннель. В жаркие времена года поток воздуха обеспечивают станционные шахты, вытяжка производится, непосредственно, с перегонов.
Во время холодов, напротив, воздух на приток поступает с перегонов, а выводится через станционные шахты. Таким образом, зимой воздух проходит через тоннель и прогревается, попадая на станцию теплым. Вентиляционная шахта делится на следующие основные части. - вентиляционный киоск, представляющий собой отдельно построенное сооружение на поверхности земли. Рассчитано оно для двухстороннего движения воздуха; - вентиляционный ствол, способствующий движению воздуха с поверхности земли в тоннель метрополитена; - вентиляционная камера, представляющая собой помещение, которое примыкает к тоннелю метрополитена. В шахте имеются также вентиляционные сбойки, расположенные между двумя тоннелями линии. Данные сбойки представляют собой участок свободного пространства, расположенный на определенном расстоянии.
Важную роль в метрополитене играют и вентиляционные вытяжки. Предназначены они для того, чтобы проветривать аккумуляторные подстанции метрополитена и другие служебные помещения. Вентиляционный киоск для такого рода вытяжек меньше, чем киоски вентиляционных шахт. Как правило, киоски располагаются неподалеку друг от друга.
В тоннелях метрополитена, на станциях метро и переходах между ними необходима специальная вентиляция, которая обеспечивает нужный для человека микроклимат под землей. Устройства для создания вентиляции поддерживают температуру, влажность и прозрачность воздуха согласно требованиям нормативной документации.
Теплота, которую выделяют пассажиры и движущийся под землей поезд метрополитена, влияет на воздухообмен в метро. Выделение тепла происходит через внутреннюю поверхность тоннеля в окружающий слой грунта и в наружный воздух через тоннельную вентиляцию. На каждой станции метрополитена размещены осевые реверсивные вентиляторы. Они и образуют систему тоннельной вентиляции. В наземном диспетчерском пункте установлена телемеханическая система для дистанционного управления вентиляторами.
Различия летних и зимних периодов Зимой, когда воздух в городе имеет температуру ниже нуля, идет реверсирование вентиляции: зимний холодный воздух с помощью вентиляторов поступает вниз, в тоннели метрополитена, и затем отработанный перегоняется в атмосферу через станции метро. Летом вентиляторы закачивают воздух на станции, а удаляют его в атмосферу через перегонную вентиляцию. В южных районах страны, где круглый год температура воздуха выше нуля, воздух поступает под землю и загрязненный удаляется в атмосферу через перегонные установки. Но возможна система тоннельной вентиляции в метрополитене без реверсирования. Управление системой вентиляции Большое значение для качественной обработки воздуха имеют климатический пояс, в котором расположен город, интенсивность и скорость движения поездов в метро. Чтобы своевременно и эффективно регулировать воздухообмен в метрополитене, когда наверху температура наружного воздуха снижается, диспетчерская служба отключает часть вентиляторов. Для уменьшения шума от работы вентиляторов размещают вертикальные бетонные блоки в вентиляционных каналах. Вентиляторы старых моделей и отслужившие свой срок заменяются более современными и модернизированными. Стабильная работа вентиляционных агрегатов увеличивает объем воздухообмена на станциях метро.
Таким образом, современные системы не являются полностью автоматизированными, хотя существенная часть процессов выполняется по установленной схеме. Тем не менее, для создания оптимальных условий в пространстве метро, требуется непрестанный контроль со стороны операторов, которые могут менять параметры системы при потребности. В частности, это относится к периодам теплого времени года, когда следует особым образом регулировать теплоту и прозрачность воздуха с использованием имеющихся возможностей.
Инновации в вентиляции Конечно, не только грамотная работа операторов является основным фактором, обуславливающим стабильную работу вентиляции метрополитена. Не менее важным является качество используемого оборудования, которое периодически требует обновления. Например, на территории московского метрополитена установили новые осевые вентиляторы, которые обладают значительно лучшими характеристиками. В частности, закачивают большее количество воздуха, имеют увеличенный диапазон температурной устойчивости (до 250 градусов по Цельсию, по сравнению с диапазоном от -45 до +50 градусов по Цельсию, используемого ранее оборудования) [39].
Методика определения количества воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, за счет действия естественной тяги и поршневого эффекта подвижного состава
Результаты вычислений представлены в виде зависимостей температуры поверхности горного массива, окружающего выработку, от времени TF () как для случаев изменения только коэффициентов теплоотдачи при постоянной температуре воздуха (рисунки 2.7 -2.9), так и при одновременном изменении коэффициентов теплоотдачи и температуры (рисунок 2.10).
Температура поверхности бетонной крепи при продолжительности периодов с коэффициентами теплоотдачи осот и осп, составляющими 1800 с и 1200 с. Анализ графиков на рисунках 2.7 - 2.9 показывает, что ступенчатый закон изменения коэффициентов теплоотдачи приводит, в периоды с его низким значением, к восстановлению температурного поля горного массива, что следует из определенного повышения температуры поверхности бетонной крепи. Темп процесса восстановления и значение температуры при завершении периода с низким коэффициентом теплоотдачи зависит от его величины и продолжительности этого периода. Вычисления при постоянном значении коэффициента теплоотдачи, определенного как средне интегральная величина коэффициентов теплоотдачи в периоды тот и тп, приводят к результату, свидетельствующему о более высоком темпе охлаждения горного массива, что подтверждает необходимость использования для расчета теплообмена ступенчатого закона изменения коэффициента теплоотдачи. При одновременном скачкообразном изменении коэффициента теплоотдачи и температуры воздуха происходит наложение эффектов, связанных с изменением температуры и коэффициентов теплоотдачи. В связи с этим, снижение температуры поверхности горного массива происходит более интенсивно, чем в случае влияния только коэффициента теплоотдачи (рисунок 2.10). Амплитуда изменения температуры поверхности бетонной крепи показала, что она остается практически неизменной после завершения 10 повторяющихся циклов снижения и повышения температуры воздуха.
Среднеинтегральная температура поверхности горного массива, рассчитанная с учетом продолжительности периодов тот и тп, уже к десятому циклу изменения коэффициентов теплоотдачи и температуры воздуха стабилизируется, стремясь к некоторому асимптотическому значению, зависящему от максимальной и минимальной величины коэффициентов теплоотдачи.
Изменение температурного поля в горном массиве за этот период времени ограничено расстоянием, отсчитываемым от его поверхности, не превышающим 0,25 м (рисунок 2.11). Рисунок 2.10 -Температура поверхности крепи в зависимости от времени и значений коэффициента теплоотдачи (кривые 1,2,3 характеризуют начальную температуру бетонной крепи Т0=120С и коэффициенты теплоотдачи « соответственно равные 5 Вт/(м К),а = 15 Вт/(м К); аот = 10 Вт/(м К),аи = 20 Вт/(м К); аот = 15 Вт/(м К),а = 30 Вт/(м К); кривые 4,5,6 - начальную температуру бетонной крепи Т0=60С и коэффициенты теплоотдачи аот соответственно равные 5 Вт/(м К),аи = 15 Вт/(м К); аот = 10 Вт/(м К),«и = 20 Вт/(м К); аот = 15 Вт/(м К),«и= 30 Вт/(м К); tom = 40С; tn= - 100С). Результаты численного эксперимента позволили сделать вывод о том, что за рассматриваемый период времени двухмерное температурное поле практически не отличается от одномерного поля. Это позволяет в дальнейшем использовать одномерную постановку задачи.
Распределение температуры в массиве грунта в конце шестого цикла колебаний временах теплообмена температуры и коэффициентов теплоотдачи тот = 3200 с, аот = 5 Вт/(м К), tom= 4 С, хп = 600 с,ап= 15 Вт/(м К), tn = -10 С. Аналитическое решение задачи о теплообмене полупространства с воздухом при граничных условиях третьего рода, при постоянном коэффициенте теплоотдачи , хорошо известно [56] и может быть представлено в виде [61]: описания процессов теплообмена в горном массиве, окружающем цилиндрическую выработку, при малых (число Фурье Fo l). Для полупространства формулы (2.6) и (2.8) являются точными решениями.
Для решения задачи в одномерной постановке при скачкообразном изменении коэффициента теплоотдачи и постоянной температуре воздуха был применен метод пересчета, предложенный И.Р. Венгеровым [63]. Этот метод основан на использовании принципа автомодельности для задачи теплообмена при тепловом взаимодействии воздуха с неограниченным массивом. Решение задачи получено в виде зависимостей коэффициентов нестационарного теплообмена кт от времени, который представляет собой удельный тепловой поток при перепаде температур в один градус. Коэффициенты нестационарного теплообмена введены в практику горно-теплофизических расчетов акад. Щербанем А.Н. и Кремневым О.А. [64] и получили широкое распространение. Для рассматриваемого случая формулы для расчета коэффициентов нестационарного теплообмена имеют вид: кт (аот ) = аот[1- f(Z0T )]; к(ап)=ап [1- f(Zn )], (2.9) где: Zom = J("f(J--)a2om + а2п Sz)]nzom;Zn = J"a2m + 5та2п ) nzom; V є n V є Зт=т„/тот; s=Xcp (X, с, р - соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность пород); п - общее количество проходящих через выработку за рассматриваемый период поездов.
При одновременном изменении по ступенчатому закону коэффициентов теплоотдачи и температуры воздуха для решения задачи используем теорему Дюамеля и свойства единичной функции Хевисайда [55].
Исследование эффективности снижения количества воздуха, поступающего в железнодорожные тоннели при помощи воздушных завес, расположенных на устьях выработок
Проектная схема вентиляции СМТ предусматривала два основных режима проветривания - зимний и летний. В зимний (холодный) период года воздух поступает в тоннель (ЖДТ) через Западный портал и Восточный портал, движется по ЖДТ к кроссингу ствола №2. Для проветривания разведочно-дренажной штольни (РДШ) часть воздуха отводится в неё из ЖДТ через вентиляционную сбойку и направляется по ней через вентиляционный восстающий к вентиляционной выработке, где он смешивается с воздухом из кроссинга к стволу №2. Отвод загрязненного воздуха из тоннельных выработок осуществляется с помощью вентиляторов главного проветривания через ствол №2.
В летний период в зависимости от направления действия естественной тяги (направление движения воздуха должно совпадать с направлением действия естественной тяги) подача атмосферного воздуха в выработки тоннеля осуществляется или через порталы тоннеля, или через ствол №2. В первом случае, атмосферный воздух забирается через Восточный и Западный порталы ЖДТ и РДШ, движется к кроссингу у ствола №2, затем к главной вентиляционной установке, с помощью которой через ствол №2 загрязненный воздух выбрасывается в атмосферу. Во втором случае, воздух подается в выработки тоннеля через ствол №2 и удаляется из них через порталы ЖДТ и РДШ. Для зимнего и для летнего периодов в качестве вентиляторов главного проветривания используются вентиляторы ВОМ-18, установленные у ствола №2, которые могут работать как на «вытяжку», так и на нагнетание воздуха в выработки тоннеля.
В период проведения измерений для оценки влияния естественной тяги на количество воздуха, поступающего в тоннель, и на его распределения по основным выработкам, стволы № 2 и 4 были исключены из схемы проветривания (ствол №2 - в результате перекрытия затвором, а ствол №4 - за счет установки воздухоплотных перемычек в околоствольных выработках), а все вентиляционное оборудование в припортальных зданиях, в тепловентиляционных завесах и вентиляционных сбойках находилось в выключенном состоянии. Наружный воздух поступал в железнодорожный тоннель и разведочно-дренажную штольню через Западный и Восточный порталы, а также через ствол № 3. Распределение воздуха между основными выработками достигалось за счет утечек воздуха через вентиляционные сбойки, перемычки, водосбросные каналы и кроссинги к стволам № 1, 2, 3. Количественная оценка расходов воздуха в выработках СМТ представлена на рисунке 3.4. Анализ этих данных говорит о том, что с восточного портала воздух движется по направлению к стволу № 3 по тоннелю и разведочно-дренажной штольне. Количество воздуха, проходящее по тоннелю, составило перед сопряжением с кроссингом ствола № 3 - 32,7 м3/с, по штольне -2 м3/с. Со ствола № 3 поступало 4,5 м3/с воздуха, при этом на штольню уходило 3,5 м3/с, на тоннель по кроссингу – 1 м3/с. Соответственно по тоннелю далее к стволу № 2 количество воздуха составляло 33,7 м3/с, по штольне к стволу № 2 – 5,5 м3/с. Далее воздух из тоннеля поступает в кроссинг ствола № 2 и через вентиляционной гезенк в количестве 6 м3/с движется в штольню, где смешивается с воздухом, следующим по штольне со стороны ствола № 3. Часть воздуха, поступившая в кроссинг, проходит через нижний вентиляционный узел (около 2,5 м3/с) к стволу № 2 и далее по подходной выработке № 1 в количестве 2 м3/с возвращается на штольню. Здесь он смешивается с воздухом, движущимся по штольне, и далее в количестве 13,5 м3/с следует к стволу № 1. Утечки на ствол № 2 при закрытом затворе составили не более 0,5 м3/с. По тоннелю в сторону ствола № 1 движется 25,2 м3/с воздуха. Таким образом, со стороны Восточного портала и ствола № 3 к стволу № 1 поступало около 39,2 м3/с воздуха.
С Западного портала воздух движется по направлению к стволу № 4 по тоннелю и разведочно-дренажной штольне. Количество воздуха, движущегося по тоннелю, составляло перед сопряжением с кроссингом ствола № 4 – 31,7 м3/с, по штольне -5 м3/с. На ствол № 4 поступало в виде утечек 0,5 м3/с воздуха. При дальнейшем следовании к стволу № 1 количество воздуха перераспределялось следующим образом: по штольне проходило 18,9 м3/с, по тоннелю - 17,3 м3/с. Соответственно со стороны Западного портала к стволу № 2 поступающее количество воздуха составило 36,7 м3/с. Общее количество воздуха, поступающее в комплекс выработок тоннеля, составляет 75,9 м3/с. При этом основная масса воздуха - 74,9 м3/с удаляется по стволу № 1, утечки через стволы №2 и 4 составляют по 0,5 м3/с.
Таким образом, влияние естественной тяги на общее количество воздуха, поступающее в СМТ, и на его распределение по выработкам следует считать следует оценить, как весьма значительное. Более того, при использовании в схеме проветривания ствола №1, количество воздуха, поступающее в тоннель за счет действия естественной тяги, практически соответствует проектной величине (разница между проектной и фактической величинами не превышает 10 %).
Выявленные закономерности влияния естественной тяги на проветривание характерны и для других перевальных железнодорожных тоннелей, например, Дуссе-Алиньского и Нанхчульского [68]. Так, выполненные замеры показали, что в Дуссе-Алиньском тоннеле, имеющем протяженность 1806 м и односкатный 14-тысячный уклон, ориентированный с востока на запад (западный портал расположен на 25 м ниже восточного), зимой естественная тяга направлена, как правило, с запада на восток, а количество поступающего воздуха превышает 50-60 м3/с. В тоже время в летний и осенний периоды расход воздуха сокращается до 20-30 м3/с при постоянном изменении направления действия естественной тяги.
Математическое моделирование аэродинамики воздушных потоков при взаимодействии струй холодного наружного и подогретого воздуха
Расчеты эффективности портальных воздушных завес для сокращения количества воздуха, поступающего в тоннель, свидетельствуют о том, что при значительной величине естественной тяги, достигающей 300 - 400 Па, их использование приводит к существенным затратам энергии.
В этой связи, более рациональным может быть установка портальных вентиляционных ворот, например, аналогичных вентиляционным воротам на Северо-Муйском тоннеле (рисунок 3.11) Для оценки эффективности использования вентиляционных ворот, установленных в припортальном здании Восточного портала, для сокращения количества поступающего воздуха был осуществлен комплекс экспериментальных и теоретических исследований.
Внешний вид портальных ворот на Северо-Муйском тоннеле. Экспериментальные исследования, по определению аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот, были осуществлены специалистами Горного университета на восточном портале Северо-Муйского тоннеля. Основная задача этих исследований заключалась в установлении зависимости аэродинамического сопротивления ворот от величины свободного проема для прохода воздуха. Сечение тоннеля Sт = 44,8 м2, свободное сечение тоннеля при полностью открытых воротах было равно сечению отверстия для размещения контактного провода 0,44 м2. В процессе измерений температура воздуха в тоннеле составляла 12,5С (при величине наружной температуры 19С), атмосферное давление 91,37 кПа.
Аэродинамическое сопротивление вентиляционных ворот вычислялось двумя путями. Один заключался в применении стандартной методики [74], которая предполагает расчет сопротивления ворот по измеренным значениям расхода воздуха в тоннеле и депрессии ворот при различном их положении в сечении тоннеля (различная величина сечения проема для прохода воздуха Sпр). Второй путь состоял в расчете величины естественной тяги (he) при полностью открытых воротах при известной величине аэродинамического сопротивления тоннеля (RT) и измеренном расходе воздуха (Qi). После чего найденная величина естественной тяги (he) использовалась для вычисления аэродинамического сопротивления ворот (Rп.в). при измеренном значении расхода воздуха для каждого их положения в сечении портала (Qi) тоннеля, т.е.: K.в. = RT (Q Q -iX (3.17) Измерение скоростей воздуха осуществлялось поверенными электронными анемометрами типа АПР-2 и термоанемометрами МЭС-200. Замеры депрессии выполнялись с помощью микроманометра ММН. Для каждого положения ворот осуществлено от 3 до 5 серий измерений депрессии ворот и количества воздуха, после чего были вычислены аэродинамические сопротивления вентиляционных ворот. Результаты замеров и расчетов по первому способу приведены в таблице 3.2.
Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы: при величине перекрытия портального сечения тоннеля Sпер. = 1-Sсв.пр./Sx, не превышающем 0,75, потери давления и аэродинамическое сопротивление незначительны. Вместе с тем, увеличение величины перекрытия до 0, 85 - 0,95 приводит к повышению потерь давления в 10 раз, что определяет соответствующее сокращение расхода воздуха, поступающего в тоннель. Для количественной оценки влияния аэродинамического сопротивления ворот на количество воздуха использован коэффициент местного сопротивления ворот вор.= 2Rп.вS2/, величина которого повышается с увеличением перекрытия портального сечения тоннеля. При полностью закрытых воротах (открытым остается только отверстие для пропуска контактного провода) вычисленное значение коэффициента местного сопротивления составило вор = 698.
Результаты определения аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот на Восточном портале СМТ.
Результаты измерений были представлены в виде зависимости между числом Эйлера (Eu=P/V2T) и величиной перекрытия тоннеля, которая при корреляционном соотношении 0,97 и статистической надежности, характеризующейся вероятностью 95%, выражается уравнением (рисунок 3.12). Отметим, что при известном числе Эйлера коэффициент местного сопротивления вентиляционных ворот вор. определится как удвоенное число Эйлера (вор=2 Eu). Величина коэффициента местного сопротивления ворот вор = 698 использовалась далее для вычисления количества воздуха, который будет поступать в Байкальский тоннель в результате действия естественной тяги, величина которой может составлять 50-400 Па (рисунок 3.14, точки на графике). Рисунок 3.12 - Зависимость аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот (R) от величины перекрытия площади сечения портала тоннеля Sпер. Eu =exp (0,33e 95 ерX (3.18) С целью подтверждения результатов экспериментальных исследований и инженерных расчетов было осуществлено математическое моделирование аэродинамики движения воздушного потока в Байкальском тоннеле при закрытых воротах на обоих порталах. Для моделирования была выбрана схема расположения портальных ворот, показанная на рисунке 3.13. Для моделирования была использована технология вычислительной гидрогазодинамики (computational fluid dynamics – CFD), реализованная на основе программного комплекса Ansys.
Результаты расчетов представлены в виде полей скорости в сечении тоннеля, прилегающем к воротам (рисунок 3.14), и графической зависимости расхода воздуха, поступающего в тоннель, от величины естественной тяги he (Па) (рисунок 3.15, сплошная линия).
Распределение скорости воздуха в сечении, прилегающем к вентиляционным воротам у западного портала при значении естественной тяги 400 Па. Сопоставительный анализ результатов математического моделирования и инженерных расчетов с экспериментально определенным коэффициентом местного сопротивления (рисунок 3.15), с одной стороны, подтверждает правомерность принятой для численных вычислений расчетной схемы (расхождение не превышает 5%), а с другой, обосновывает возможность выполнения вычислений по известным инженерным зависимостям. Прогнозная оценка количества воздуха, которое может поступать в Байкальский тоннель от поршневого эффекта при движении грузовых поездов и влиянии естественной тяги, осуществлена с учетом времени закрытия ворот на обоих порталах при отсутствии подвижного состава (в тоннеле Q от.ворота) и закрытия ворот на одном из порталов при его входе в тоннель и выходе из него (Qп.ворота) (таблица 3.3).