Введение к работе
Актуальность. Устойчивое обеспечение потребностей страны во всех видах минеральных ресурсов, топлива и энергии будет по-прежнему осуществляться за счет увеличения добычи полезных ископаемых. В настоящее время активно развивается добыча угля, руды и нерудного сырья подземным способом. Долгосрочная программа развития угольной промышленности России нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны. При этом предполагается обеспечить высокий уровень промышленной безопасности в угольной отрасли.
Высокие темпы развития добычи полезных ископаемых подземным способом предъявляют особые требования к обеспечению эффективного и безопасного проведения выработок большого поперечного сечения. Главным фактором обеспечения безопасности проходческих работ является достоверный прогноз аэрогазодинамических процессов, позволяющий правильно рассчитать количество воздуха необходимого для проветривания подготовительных выработок. Особую сложность представляет решение этой научно-технической задачи для выработок большого поперечного сечения. В условиях рыночных отношений достоверность прогноза безопасности горных работ по аэрологическому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по аэрологическому фактору приводит к несчастным случаям и крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт и рудников. С другой стороны, системный подход к данной проблеме может уменьшить вероятность возникновения аварий, а достоверный прогноз аэрогазодинамических ситуаций может существенно снизить расчетное количество воздуха для проветривания подготовительных выработок большого поперечного сечения, что уменьшает эксплуатационные затраты на их вентиляцию при строительстве шахт и рудников.
Особую актуальность эта проблема приобретает для подготовительных выработок, проводимых по газоносным горным породам с высокой скоростью подвигания подготовительного забоя. Российскими учеными разработаны научные основы расчета количества воздуха в горных выработках, основанные на использовании фундаментальных законов термодинамики, что существенно повышает точность расчета. Однако практика показывает, что существующие методы расчета количества воздух для проветривания подготовительных выработок большого поперечного сечения
требуют дальнейшего совершенствования. Следовательно, изучение аэрогазодинамических процессов в подготовительных выработках большого поперечного сечения для совершенствования методики расчета количества воздуха представляет исключительную актуальность для шахт и рудников России.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей газообмена горного массива с атмосферой подготовительной выработки большого поперечного сечения для совершенствования методики расчета количества воздуха и прогноза газовых ситуаций.
Идея работы заключается в том, что совершенствование методики расчета количества воздуха в подготовительных выработках большого поперечного сечения основывается на математических моделях движения воздуха и моделировании аэрогазодинамических процессов, основанных на уравнениях диффузионного переноса газов и уравнениях движения О. Рейнольдса, описывающих газовыделение и перенос газов в трехмерном пространстве.
Основные научные положения состоят в следующем:
динамика газовыделения с поверхности обнажения газоносного горного массива в подготовительные выработки большого поперечного сечения, удовлетворительно описывается решениями линеаризованных уравнений параболического типа с источником, учитывающим динамику десорбции газа, а максимальное значение абсолютной газообильности имеет место при достижении проектного времени проведения данных выработок;
взаимодействие кислорода с веществом горных пород в массиве представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию, а перенос кислорода к реагирующим поверхностям вещества полезного ископаемого посредством фольмеровской и кнудсеновской диффузии провоцирует их взаимодействие, и являются причиной уменьшения содержания кислорода в атмосфере горной выработки;
динамический метод расчета количества воздуха для капитальных подготовительных выработок основывается на решении одномерного уравнения стационарной конвективно-турбулентной диффузии, с учетом утечек воздуха из вентиляционного трубопровода, а аэрогазодинамические ситуации следует моделировать на основе численных решений уравнений движения О. Рейнольдса;
для прогнозирования аэрогазодинамической ситуации в строящихся подготовительных выработках необходимо создавать математические модели аэродинамических режимов работы ВМП с использованием точных аппроксимаций аэродинамических характеристик и потребляемой мощности от производительности вентиляторов.
Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:
усовершенствована методика аналитического описания рабочих характеристик вентиляторов местного проветривания, отличающаяся тем, что используется программные средства для преобразования графически заданных характеристик в цифровую базу данных, которая позволяет подобрать высокоточные аппроксимации;
обоснован процесс 3 d-моделирования аэрогазодинамических потоков в программном комплексе Solidworks, который позволяет визуализировать и моделировать воздушные потоки, в строящихся подготовительных выработках большого поперечного сечения;
уточнены математические модели движения газовых примесей в выработках, имеющих большую площадь поперечного сечения, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе установленных закономерностей динамики газовыделений, входящих в уравнение конвективно-турбулентной диффузии.
Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследования, применением классических методов математической физики, статистики и современных достижений вычислительной математики и средств вычисления;
обработкой большого объема экспериментальной информации по характеристиках современных вентиляторов местного проветривания, позволяющих выработать методику замены графических характеристик вентиляторов математическими функциями;
значительным объемом вычислительных экспериментов.
Практическая значимость работы заключается в уточнении законо
мерностей газообмена в атмосфере подготовительных выработок, в про-
цессе их строительства, моделировании аэрогазодинамических ситуаций и визуализацией последствий принимаемых решений, а также разработке программных средств для выбора вентилятора местного проветривания и мониторинга его режима работы, которые повышают эффективность проектирования вентиляции подготовительных выработок большого поперечного сечения и обеспечивают высокий уровень аэрологической безопасности.
Личный вклад автора заключается в следующем: разработаны математические модели газообмена горного массива с атмосферой подготовительной выработки большого поперечного сечения и формирования газовой ситуации; усовершенствована методика расчета количества воздуха; проведены вычислительные эксперименты и получены приближенные зависимости для инженерных расчетов.
Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР в Тульском государственном университете. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий и охране труда.
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2016 гг.), на научно-технических советах АО ХК «СДС-Уголь» (г. Кемерово, 2013-2015 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2013 - 2016 гг.); Научно-практической конференции, посвященной 25-летию Горного института УрО РАН «Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях» (г. Пермь, 2013 г.) , 10-й и 11-й Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2014 - 2015 г.); 5-th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION (10 - 13. June 2015. Vrdnik, Serbia).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 статей, из них 2 статьи опубликованы в изданиях, входящих в международную систему цитирования “Scopus”, и 2 статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 171 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 9 таблиц, 79 рисунков, список литературы состоит из 121 наименования.