Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования ... 8
1.1. Анализ существующих методов, алгоритмов и программ расчёта вентиляционных сетей 8
1.2. Обзор известных способов учёта внутренних источников тяги ... 22
1.3. Существующие системы и датчики контроля состояния проветривания шахт 25
1.4. Выводы. Цель и задачи исследования 28
2. Исследование аэрогазо и термодинамических процессов в горных выработках при турбулентных, ламинарных и промежуточных режимах движения 31
2.1. Разработка математической модели аэрогазо и термодинамических процессов в горных выработках при турбулентных, ламинарных и промежуточных режимах 31
2.2. Учёт действия тепловых источников тяги на шахтную вентиляционную сеть 42
2.3 Учёт действия источников метановыделения на шахтную вентиляционную сеть 52
2.4 Выводы 55
3. Разработка высокоточного метода, алгоритма и программы расчёта вентиляционных сетей шахт 57
3.1. Разработка метода межузловых депрессий (ММД) 57
3.2. Разработка алгоритма и программы расчёта вентиляционных сетей методом межузловых депрессий 65
3.3. Подготовка исходных данных для расчёта режимов проветривания шахт в нормальных и аварийных условиях 70
3.4. Проверка достоверности и точности разработанного метода межузловых депрессий 75
3.5. Выводы 85
4. Прогноз устойчивости вентиляционных струй методом межузловых депрессий (ММД) 86
4.1. Исследования нарушения режима проветривания горных выработок при закорачивании и местном реверсировании вентиляционных струй 86
4.2. Прогноз устойчивости вентиляционных струй при пожарах по методу межузловых депрессий 95
4.3. Прогноз устойчивости вентиляционных струй при выбросах метана в лавах и подготовительных выработках 100
4.4. Рекомендации по применению разработанного метода ММД и прогнозу устойчивости вентиляционных струй 108
4.5. Выводы 113
Заключение 115
Список использованной литературы 117
- Обзор известных способов учёта внутренних источников тяги
- Учёт действия тепловых источников тяги на шахтную вентиляционную сеть
- Разработка алгоритма и программы расчёта вентиляционных сетей методом межузловых депрессий
- Прогноз устойчивости вентиляционных струй при пожарах по методу межузловых депрессий
Введение к работе
Актуальность работы. Углубление горных работ и интенсификация производственных процессов при добыче угля, как правило, сопровождаются пылеобразованием, повышением температуры и концентрации метана в выработках шахт. Поэтому проблема доставки к забоям угольных шахт достаточного количества свежего воздуха актуальна практически для всех предприятий отрасли.
Моделирование воздухораспределения в выработках широко распространено для обработки результатов депрессионных съёмок, при проектировании горных работ, реконструкции шахтных вентиляционных сетей, при составлении планов ликвидации аварий.
В угольной промышленности стран СНГ используется более десятка программ, комплексов и автоматизированных рабочих мест, позволяющих проводить расчёты воздухораспределения в горных выработках на основе решения сетевой вентиляционной задачи.
Несмотря на постоянное совершенствование алгоритмов и программ расчёта в сторону увеличения быстродействия, они по-прежнему базируются по сути на одном методе - методе контурных расходов, использующем теорию графов и включающем в себя различные методы приближений к искомому результату (в основном метод Ньютона или Андрияшева) и обладают тем недостатком, что требуют каждый раз для новой задачи, особенно нестационарного воздухораспределения, сортировки массива ветвей в порядке возрастания их аэродинамических сопротивлений, построения дерева минимальных сопротивлений и определения линейно независимых контуров, включающих большое количество ветвей. Погашение невязок в контурах по депрессии даже до 1 Па, не позволяет свести их к нулю и тем самым до конца решить вопрос об устойчивости вентиляционных струй в диагоналях.
Внедрение автоматизированных систем контроля параметров проветривания вызывает необходимость совершенствования численных
методов расчёта вентиляционных сетей при обработке непрерывно меняющейся информации, поступающей от датчиков расхода воздуха. Алгоритмы, реализующие эти методы, должны отличаться большей точностью и быстродействием.
Цель работы состоит в создании нового метода расчёта и моделирования вентиляционных сетей угольных шахт для контроля устойчивости проветривания горных выработок и раннего распознавания аварийных ситуаций.
Идея работы заключается в использовании электромеханических аналогий для разработки высокоточного метода расчёта вентиляционных сетей - метода компенсации межузловых депрессий.
Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:
уточнена закономерность движения воздуха при турбулентных,
ламинарных и промежуточных режимах в выработках с высокой
температурой, которая имеет вид
Л = Pb(QIS)\Tx /T0~l) + (^^+7^Q)RO-(l-pcp/p0)p0gLsma;
а Т0
доказано, что повышение скорости и точности итерационного процесса расчёта при моделировании сложных вентиляционных сетей достигается при использовании метода межузловых депрессий, при этом невязки расходов воздуха в узлах без начальных приближений оказываются исчезающее малыми;
разработана аэротермодинамическая модель проветривания горных выработок, позволяющая, исключая невязки депрессий в контурах, достичь высокой точности расчёта воздухораспределения в вентиляционной сети;
показано с использованием численных методов расчёта на основе полученной математической модели, что устойчивость вентиляционных струй в диагоналях в большой степени зависит от режима движения воздуха и изменения температуры в примыкающей выработке.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием при проведении теоретических исследований
современных достижений в области аэрогазо- и термодинамики в выработках
и выработанных пространствах;
проверкой основных положений по влиянию различных аварийных ситуаций на устойчивость вентиляционных струй в диагоналях с привлечением лабораторных и шахтных экспериментов;
сходимостью результатов расчёта воздухораспределения по методу межузловых депрессий (ММД) с результатами шахтных экспериментов.
Научное значение работы состоит в разработке нового метода и алгоритма расчёта вентиляционных сетей в условиях неустойчивого проветривания, когда традиционные методы и алгоритмы становятся малоэффективными.
Практическое значение работы заключается в использовании полученных зависимостей и разработанного метода межузловых депрессий (ММД), алгоритма и программы расчёта воздухораспределения в системах автоматизированного проветривания шахт и рудников.
Предложенный метод позволяет повысить точность расчётов вентиляционных сетей при оценке устойчивости струй в нормальных и аварийных условиях.
Реализация работы. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке дипломированных специалистов по направлению 230200 «Информационные системы» специальности 230201 «Информационные системы и технологии».
Апробация результатов работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (2007 - 2009 гг.), на научных семинарах кафедры «Электротехники и информационных систем» МГГУ (2007-2009 гг.), ФГУП «Гипроуголеавтоматизация» (2009 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в четырёх работах, в т.ч. одной статье в журнале по перечню ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 17 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы из 108 наименований.
Обзор известных способов учёта внутренних источников тяги
При решении задачи воздухораспределения необходимо учитывать источники тепловой тяги и источники газа и определять способ их задания. Различия в состоянии и в составе рудничного воздуха обусловливают возникновение внутренних источников тяги.
При нормальных условиях работы шахты изменения в составе воздуха происходят по естественным причинам: повышение температуры горных пород и статического давления с глубиной; наличие газовыделения на выемочных участках; наличие влажности и запылённости воздуха и т.д.
При возникновении аварии к этим факторам добавляется высокая температура в месте очага пожара или интенсивное газовыделение при выбросах метана и загромождение выработок выброшенным углем и породами. Этим объясняется самопроизвольное опрокидывание вентиляционных струй при авариях [32, 37, 38, 45, 46, 53, 56 - 59].
Внутренние источники тяги представляют собой ту же тепловую депрессию, которая возникает за счёт разности температур в наклонных выработках. При нормальных условиях работы шахты эту тепловую депрессию называют естественной тягой.
Так, при задании тепловой депрессии при пожаре учитывают либо распределение температуры только за очагом пожара [35], либо в очаге и за очагом [7]. При рассмотрении температуры в очаге пожара принимают [7, 32- 34], не раскрывая физики процесса, линейное её нарастание вдоль потока воздуха:
По-разному определяется и величина тепловой депрессии при пожаре. Так, в учебнике по рудничной аэрологии [29] предлагается величину тепловой депрессии определять по формуле Б.И. Медведева [36] где ра - атмосферное давление в аварийной выработке, Па; g - ускорение свободного падения, м/с ; tszi - разность высотных отметок і-й выработки, м; R - газовая постоянная воздуха, м /(с /К); Тс — средняя гармоническая температура после возникновения пожара, К; к— количество выработок в контуре.
В то же время в работе [7] для расчёта тепловой депрессии пожара вместо экспоненциальной приводится логарифмическая зависимость от температуры. В других работах [38, 39] применяется формула тяги дымовой трубы где z — длина выработки по вертикали или разность высотных отметок концов выработки, м; ро - плотность воздуха до очага пожара, кг/м3; Pi - плотность воздуха за очагом пожара, кг/м3.
Такой разнобой в определении величины тепловой депрессии без учёта горючих материалов, их распределения в выработке и площади горения заставляет пересмотреть предлагаемые зависимости с позиций аэротермодинамики и получить наиболее подходящую формулу для расчётов устойчивости вентиляционных струй. К тому же учёт дополнительного сопротивления при расширении вентиляционной струи вызывает уверенность в том, что даже при пожаре в горизонтальной выработке может произойти опрокидывание вентиляционной струи в диагонали, что ранее не исследовалось.
Как справедливо отмечается в работе [40], задачи определения аэродинамических сопротивлений вентиляционных сетей и режимов работы вентиляторов главного проветривания иногда излагаются упрощённо, без учёта физической основы физических процессов. Такое положение авторы [40] объясняют тем, что основы_рудничной аэрологии шахт и рудников разрабатывались в основном в 30 - 50 годы прошлого столетия, для условий неглубоких шахт с простыми схемами вентиляционных соединений. С таким мнением нельзя не согласиться. Так, одним из недостатков трактовки влияния естественной тяги на режимы работы ВГП является алгебраическое сложение тяг и депрессий вентиляторов. Однако действие естественных тяг необходимо учитывать в тех местах, где они формируются (в стволах, уклонах и т.д.), а не включать их все вместе в тот или иной контур. Как справедливо отмечается [40], при определении параметров регулирования вентиляторов необходимо использовать весь реальный диапазон их работы, чтобы правильно учесть взаимовлияние ВГП и вентиляционной сети друг на друга. В данном случае подойдёт характеристика вентилятора главного проветривания с линейным и квадратичным внутренним сопротивлением, как в работе[7] где а - максимальная депрессия, которую может создать ВГП при малых расходах воздуха, Па; параметр линейной характеристики вентилятора, Па-с/м3; параметр квадратичной характеристики вентилятора, Па-с2/м6.
В этом случае будет учтён как восходящий, так и нисходящий участки характеристики вентилятора, то есть весь её реальный диапазон.
Однако обычно принимается Ьх = 0, что может привести к погрешностям при расчётах вентиляционных сетей.
Таким образом, обзор литературных источников показал, что несмотря на обилие методов, алгоритмов и программ расчёта вентиляционных сетей почти все они базируются на теории графов, что вызывает необходимость дополнительных громоздких вычислений по выстраиванию ветвей в порядке возрастания их сопротивлений, по построению дерева графа, нахождению контуров и заданию начальных приближений. Всего этого можно избежать, решив обратную задачу погашения невязок расходов воздуха в узлах, а не депрессий в контурах, учитывая при этом одновременно турбулентные и ламинарные режимы движения воздуха, тепловые тяги и расширение воздуха при пожарах, а также промышленные характеристики вентиляторов главного проветривания в виде полинома второй степени.
Учёт действия тепловых источников тяги на шахтную вентиляционную сеть
Для наиболее правильного учёта действия тепловых источников тяги и практического применения формул (2.29) и (2.30) необходимо знать среднюю температуру и среднюю плотность воздуха или что тоже среднегармоническую температуру в выработке (2.27). Для нахождения распределения температуры в выработке представим с учётом (2.21) второе уравнение системы (2.14) в виде При наличии в выработке пожара существует зона горения. Высокая температура на стенке выработки будет иметь место там, где горит уголь, конвейерная лента или деревянная крепь. Тогда уравнение (2.31) в зоне горения можно представить в виде с граничным условием где аг - коэффициент теплоотдачи горящей стенки вентиляционному потоку с учётом лучистой энергии, Вт/(м -К); ах- коэффициент теплоотдачи холодной стенки вентиляционному потоку, Вт/(м2-К); Рг - периметр горящей поверхности, м; Тг - температура горения, К. Выделим предельную температуру воздуха, которая может быть при большой длине зоны горения, полагая нулю правую часть уравнения (2.32), и получим откуда найдём возможную предельную или максимальную температуру пожарных газов Из формулы (2.35) следует, что температура пожарных газов может достичь температуры горения при большом периметре площади горения и при большой теплоотдаче горящей поверхности с учётом лучистой энергии. Выделяя в уравнении (2.32) стационарную часть, приведём его к виду Решая уравнение (2.36) с граничным условием (2.33), получим
Решение (2.37) описывает, как нарастает температура воздуха в зоне горения от Г0 до величины Т\ - Т(Г) в её конце. Здесь / - длина зоны горения, м. За зоной горения уравнение (2.31) при Тст = Го можно представить в виде с граничным условием За зоной горения, отсчёт расстояния ведётся от её конца. Решение уравнения (2.38) с условием (2.39) ничем не отличается от известных решений [7, 35] и представляется в виде На рис. 2.4 представлено распределение температуры в зоне горения и за ней. Там же находятся данные экспериментальных исследований [35]. Сравнение расчётных и экспериментальных данных указывает на то, что они удовлетворительно согласуются друг с другом. При расчётах в соответствии с экспериментальными данными [35] принята длина зоны горения через 1 ч - / = 30 м и через 2ч- длина / = 80 м.
Периметр горящей поверхности принят равным, исключая почву, Рг = 0,75Р — в зоне горения деревянной крепи, поскольку закреплены были боковые стенки и кровля выработки квадратного сечения. Температура воздуха до очага пожара - Г0 = 20 С, а температура горения Тг = 1000 С. Скорость воздуха в опытах равнялась v — 1,0 м/с, а площадь поперечного сечения выработки S = 4 м". Плотность воздуха принималась равной ро = 1,2 кг/м3, а его удельная теплоёмкость ср = 1040 Дж/(кг-К) [44]. В результате, при наложении кривых на экспериментальные точки, найдены коэффициенты теплоотдачи ах — 17 Вт/(м -К) — за пределами зоны горения, а в очаге пожара аг = \0ах - через 1 ч и аг = 2ах — через 2 ч. Уменьшение коэффициента теплоотдачи со временем можно объяснить выгоранием крепи и уменьшением в связи с этим лучистой энергии.
Из полученных результатов следует, что при расчётах тепловой депрессии пожара нельзя пренебрегать зоной горения, как в работе [35], так как это приведёт к занижению величины тепловой тяги. Интегрируя функции (2.37) и (2.40) по длине зоны горения и за её пределами, получим Пренебрегая значениями экспонент по сравнению с единицей при достаточно длинной зоне горения и принимая Т\ = Тх, найдём согласно (2.41) коэффициент расширения воздуха или относительную среднюю температуру в выработке при пожаре Из формулы (2.42) следует, что чем длиннее выработка, тем меньше коэффициент расширения воздуха, так как уменьшается доля прогретых пожарных газов во всём объёме выработки. Для нахождения средней плотности воздуха или средне гармонической температуры в выработке найдём в общем виде интеграл [51, 52]
Разработка алгоритма и программы расчёта вентиляционных сетей методом межузловых депрессий
Вентиляционные системы угольных шахт и рудников представляют собой сложные разветвлённые объекты, математическое моделирование которых возможно не только с помощью теории графов, но также методом межузловых депрессий, который представляет тот же метод сеток [52]. Именно метод сеток позволяет избежать ненужных процедур построения дерева минимальных сопротивлений и поиска независимых контуров с первоначальным заданием в них расходов воздуха. И хотя при современном быстродействии вычислительных машин это не представляет никаких проблем, но когда при изменении аэродинамических сопротивлений (даже одного) требуется перестраивать дерево и искать заново новые линейно независимые контуры, то это уже, по меньшей мере, ненужные процедуры. К тому же, как показано в состоянии вопроса, малейшие невязки по депрессии в контурах, представляющие собой дополнительные тяги, не позволяют точно определить в выработках, являющихся диагоналями, будет или нет опрокидывание вентиляционных струй.
Все задачи расчёта вентиляционных сетей можно разбить на два класса: обычные и экстремальные [30].
К первому классу относятся задачи естественного распределения воздуха во всех выработках шахтной сети при первоначальном задании некоторых расходов в тех выработках, где установлены анемометры. Дополнительно к этой информации известны характеристики вентиляторов главного проветривания, работающие на данную сеть с указанием фактических расходов через них, а также данные депрессионных съёмок.
Такие задачи решаются обычно подбором таких аэродинамических сопротивлений всех выработок, чтобы данные датчиков расхода и расчётные данные совпадали.
Ко второму классу относятся задачи оперативного прогноза и реагирования на случившуюся ситуацию по анемометрическим данным и отклонениям датчиков расхода воздуха за пределы их погрешностей. При этом в первую очередь необходимо обнаружить ложные срабатывания датчиков. Так, если на выемочном участке установлено два датчика расхода: на поступающей и исходящей струях участка, то изменение показаний только одного датчика будет указывать на его ложное срабатывание. Изменение показаний сразу группы датчиков расхода воздуха будет указывать на возникновение аварийной ситуации: открытие или закрытие вентиляционных дверей, переход на новый режим или остановка вентилятора главного проветривания, выброс породы и газа, возникновение пожара и т.д.
Все вышеперечисленные ситуации должны быть заранее рассчитаны на ЭВМ, чтобы можно было установить вид и место аварии и указать заранее разработанные и предусмотренные ПЛА мероприятия по управляющему воздействию на вентиляционную сеть и по ликвидации данной аварии.
После ввода исходной информации и выявлении ошибок при вводе можно приступать к расчёту воздухораспределения, исследуя как нормальные, так и аварийные режимы проветривания шахт и рудников.
Расчёт воздухораспределения в сети ведётся методом итераций по формулам (3.12) - (3.15) с разбрасыванием невязок по депрессиям в тех выработках, которые примыкают к рассматриваемому узлу. Процесс итераций продолжается до тех пор, пока невязка по расходу в каждом узле не будет превышать ошибки округления расходов воздуха (второй знак после запятой). В результате будет достигнута высокая точность расчётов, превышающая точность замеров расходов воздуха, поскольку невязки в контурах будут отсутствовать.
При расчётах используется всего одна матрица — матрица инциденций узлов с ветвями, которая образуется сразу же при вводе исходной информации. Эта матрица имеет вид
Здесь ay = 1, если ветвь j входит в узел і, ay = -1, если ветвь j выходит из узла i, ay = 0, если ветвь j не инцидентна узлу /. Под номером TV, подразумевается количество ветвей, принадлежащих данному узлу. Матрица (3.17) может содержать в узле и больше, чем четыре ветви (5, 6 и т.д.). Допускаются узлы, вообще не содержащие ветвей. В этом случае при Nt = О сразу же осуществляется переход к следующему узлу. Таким образом, наличие нулей в матрице (3.17) почти не сказывается на времени расчёта вентиляционных сетей.
На рис. 3.2 приведена блок-схема алгоритма расчёта и контроля вентиляции и распознавания аварийной ситуации. Программно-вычислительный комплекс организуется таким образом, что после получения результатов расчёта естественного воздухораспределения в вентиляционной сети шахты и сравнения результатов расчёта с интегральными данными телеметрии производится периодический опрос датчиков расхода воздуха.
Прогноз устойчивости вентиляционных струй при пожарах по методу межузловых депрессий
Используя литературные источники, продолжим исследования устойчивости вентиляционных струй при пожарах. Рассмотрим, как и в работе [7], вентиляционную сеть, состоящую из 12 ветвей и 8 узлов с вентилятором в 11 ветви (рис. 4.3).
Схема проветривания вентиляционной сети (сплошными стрелками указано направление движения воздуха до аварии и штриховыми -при пожаре). Характеристика вентилятора принята, как и в примере [7],
О необходимости одновременного учёта линейной и квадратичной характеристик вентиляторов говорят расчётные данные, представленные графически на рис. 4.4. Там же приведена квадратичная характеристика ВГП (штриховая линия), откуда видно, что при существенных изменениях режимов работы вентилятора или изменениях сопротивления сети необходимо пользоваться зависимостью (2.57), чтобы избежать грубых ошибок в расчётах.
Данные о топологии и аэродинамических сопротивлениях вентиляционной сети представлены в таблице 4.5. Будем считать, что выработка 4-5 представляет собой уклон, в котором возник пожар в результате горения конвейерной ленты. Как показали результаты расчёта естественного воздухораспределения методом ММД, данные депрессий и расходов воздуха в сети почти совпадают с данными, приведенными в работе [7] при решении задачи методом контуров, отличаясь друг от друга максимум на 0,3 м /с.
Результаты расчёта на ПЭВМ по разработанной программе показали, что в данном случае требуется всего 20 - 30 итераций для достижения высокой точности. Так, отклонения в узлах по расходам составляют менее 0,01 м /с при отсутствии невязок по депрессии в контурах. Таким образом, получены, по сути, точные решения задачи воздухораспределения в сети, как при нормальном режиме проветривания, так и при возникновении пожара в ветви 4-5 при тепловой депрессии hm = 1500 Па (таблица 4.5).
Несмотря на то, что при нормальном режиме проветривания расчётные данные, полученные по двум методам почти совпадают, однако при рассмотрении аварийной ситуации установлено, что в ветви 1-7 должно произойти опрокидывание вентиляционной струи с переходом с 4 м /с к -0,67 м3/с (см. таблицу 4.5). В то же время в работе [7] указано, что в этой ветви воздух лишь уменьшился с 3,69 м /с до 1,27 м /с. Этот неверный результат объясняется наличием невязок по депрессии в контурах, из-за которых невозможно дать правильный ответ на вопрос об устойчивости вентиляционных струй при авариях. Так, оказывается, что в контуре 1-2-4-7-1 для приведенного примера невязка депрессий в контуре при пожаре по данным [7] составляет А/г = 31 Па. Уменьшение невязок даже до 1 Па не гарантирует того, что струя в ветви 1-7 опрокинется, если знак невязки сохранится. Поэтому предлагаемый метод межузловых депрессий предпочтительней, тем более, что, как показали расчёты, при даже больших невязках по расходу (утечках) до AQ = 1 м3/с струя воздуха в ветви опрокидывается и указывает на то, что пожарные газы с СО могут поступить в околоствольный двор, где находятся горнорабочие.
Как следует из таблицы 4.5, при пожаре в наклонной выработке 4-5 анемометры, установленные в любых выработках рис.4.3, обязательно зафиксируют при такой тепловой депрессии нарушение режима проветривания, а тем более опрокидывание вентиляционных струй.
Рассмотрим ту же схему вентиляции, что на рис. 4.3, и допустим, что пожар возник в выработке 7-8. Пусть эта выработка является горизонтальной и, следовательно, тепловая депрессия в ней равна нулю. Однако в этой выработке увеличится аэродинамическое сопротивление за счёт расширения воздуха и обрушений кровли в выработке, которое обычно не учитывают.
Результаты моделирования показали (табл.4.6), что с увеличением сопротивления выработки 7-8 за счёт расширения воздуха уменьшается его расход в выработке 4-7 и происходит опрокидывание вентиляционной струи в ней при сопротивлении около 5 Па-с /м . В результате пожарные газы попадут в выработки 4-5, 5-3, 5-8 и 3-6. Одна или две из этих выработок могут оказаться лавами или теми местами, где находятся люди.
Поэтому при моделировании аварийной ситуации в вентиляционной сети необходимо учитывать увеличение сопротивления в выработке с пожаром, если даже она горизонтальная, поскольку в диагонали, как показано на примере, может произойти опрокидывание струи воздуха.
Таким образом, при прогнозе устойчивости вентиляционных струй необходимо учитывать при пожаре, как тепловую депрессию, так и расширение пожарных газов.
