Введение к работе
Актуальность работы. Тенденция усложнения условий угледо-
бычи, сь;ізашіая с уволпчеізтом глубины горгшх работ, проявляется в повышении природных опасностей в изхтэх, среди которых особое место занимают газоопаспость, пзрывоспаеность и пожароопасностБ. Большую роль в формировании опасных ситуаций игрэпт газодинамические процессы d выработанном пространстве .3 связи с этим, комплекс мероприятия по Оизопасности горгшх работ должен базироваться на закономерностях газодинамических процессов, обеспечивающих irpjri'03 іі«зико-г<'Омеханической ситуации и способы активного управления ей в виработашюм пространстве.
О;иіако газодинамические процессы в выработанных пространствах крутих пластов, вследствие сложности природу массопереносэ и влияния неоднородности газовоздушноЯ среды, ецо недостаточно исучепч.что связано с неполнотой сксноршенталыкх даіппіх и значительной сложностью физического моделирования.Поэтому всо большее значение для автоматизации исследований газодинаміки выработанного пространства получают численные методы решения - на ЭВМ, оснепашшо на математическом моделировании процоссов тепломассо-переноса в среде с переменной пористостью и прелгацаомосты), позволяющие синтезировать методы прогноза газодинамического состояния выработшшого пространства с выбором оптимальных технологических решений.
Этим обусловлена актуальность научной задачи математического моделирования газодинамических процессов в выработанных прос-трьнсть-эх крутых пластов на основе методов и уравнений, описывающих комплексное влияние природных и технологических факторов.
Работа выполнялась по темам НИР Кемеровского госуниверситета: тема N27-89 "Разработка программ расчета аэрегазодинамики выработанного пространства",тема Ю-91"Разработать комплекс программ расчета елрогазодинамики выработанного пространства шито— вого участка" и по тематическому плану РосНИИТД 1990: тема N1900307000 " Исследовать возможность управления газодинакичес-. кими процессами в выработанном пространстве для активзой локализации очагов эндогенных пожаров".
Цель работы заключается в создании математических моделей и средств программного обеспечения численного экспериментирования
2 для повшаошія эффективности исследования газодинамических процессов в выработанных пространствах кругах пластов.
'Иде я ппбзтч заключается ъ учете неоднородности поля плотности газовоздушноЧ сриди при построении математических моделей тепломассопереноса ь обрушенном массиве для исследования газодинамических процессов в выработанных пространствах крутих пластон.
Залччи иіулздоі.шия;
разработать математические модели диффузионно -фильтрационного течения газа в выработанных пространствах крутих пластов с учетом неоднородности газоьоздушноЯ среда;
построить математическую модель тепломассопероноса в окрестности очага эндогенного пожара в выработанных пространствах крутых пластов;
разработать численные методы, алгоритмы расчета и программный комплекс, обеспечивающие миогопараметрическое моделирование газодинамических процессов с учетом тепломассопереноса в выработанных пространствах крутых пластов;
на основе численного эксперимента установить особенности влияния неоднородности газовоздушной среды в выработанном пространстве крутых пластов на структуру течения, распределение фильтрационных потоков, величину утечек, расположение и размеры потенциально взрывоопасных областей;
разработать математическое описание процессов дегазации, инёртизации и воздействия пенных завес, провести численное исследование по выявлению особенностей их влияния для обоснования параметров управления газодинамикой выработанного пространства в окрестности потенциальных очагов эндогенных пожаров.
Методы исследования:
- методы механики сплошных сред и математической фізики для
построения и обоснования математических моделей газодинамических
процессов е выработанных пространствах крутых пластов и влияния
на них элементов управления;
. - метод контрольного, объема Патанкара для построения разностных аналогов уравнений переноса и итерационный метод Зейде-ля для их интегрирования;
- методы математического моделирования и вычислительной
математики для модификации классических алгоритмов с целью
внявленчя закономерностей, присущих газодинамическим процессам в
выработанных пространствах крутых пластов;
- методы модульного программирования, языки и средства про-
діаммироваїшя для создания программного комплекса для ЕС ЭВМ и
пакетов программ Для IBM PC.
Научные положения. защищаемые автором:
математическая модель газодинамических процессов, описывающая даффузионно-фільтраииошюв течение в выработанных пространствах крутых пластоп, строится с учетом силы плавучести, порождаемых неоднородностью гэзовоздушной среда, влияние которой . соизмеримо с влиянием сил сопротивления и градиента давления;
построение математической модели тепломассопереноса в обрушенном массиве следует осуществлять с позиции двухтемпера- . турного подхода для описания аэрогазодинамических процессов в окрестности очага ендогенного пожара ;
-алгоритм и методика расчета диффузиоішо-фільтрациоішого течения в выработанных пространствах, построенная в развитие метода контрольного объема Патанкара к радению гидродинамических задач на основе полиномиальной аппроксимации экспоненциальной схемы, снимающей ограничение по сеточному числу Рейнольдса, обеспечивает получение стационарного решения методом установления с дефектом массы, равным нулю;
следствием неоднородности моделируемой газовоздушной среда выработанных пространств крутых пластов является нарушение ортогональности линий тока и изобар при изменении структуры диффузионно-фильтрационного течения с увеличением утечек и ростом метановыделения, которые влияют на положение и размер потенциально взрывоопасных областей; ""
математический алгоритм активного управления газодинамикой выработанного пространства обеспечивает прогноз параметров изменения фильтрационных потоков и газового состава за счет вли-
* яния пенных завес, инертного газа и дегазации в задашюй области.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, ' сформулироЕашшх в работе, обеспечивается и годтверздается:
использованием классических положений теории массоперено-са газа в пористой среде для обоснования математической модели изучаемых газодинамических процессов;
достаточным количеством и объемом численного эксперимента и удовлетворительной сходимостью его результатов о данными газовых съемок выемочных участков;
сопоставимостью результатов численного эксперимента и аналитического решения модельной задачи;
практическим применением разработанных математических моделей и созданного на их основе программного комплекса в РосНИИ Горноспасательного дела.
Научная новизна работа состоит:
в разработке математических моделей газодинамических процессов с учетом неоднородности гаповозлушной среда и порождаемых ею сил плавучести для виявлення особенностей, присущих диффузионно- фильтрационному тсчеїшю в выработанных пространствах кругах пластов;
в разработке математической модели тешюмассопереноса в обруаотюи массива в окрестности очага эндогенного пожара на осново двухтемпературного подхода, учитывающего теплообмен газовой фазой с пористым породним скелетом;
в применении подходов Патанкара при построении эффективных численных алгоритмов и методики расчета тешюмассопереноса в выработанном пространстве;
в установлении особенностей влияния неоднородности газовоздушной среды в выработанном пространство крутых пластов, порождаемой метановиделеішем в нем, на структуру течения, распределение фильтрационных потоков, величину утечек, расположение и размеры потенциально взрывоопасных областей;
- в разработке моделирующего алгоритма для выбора парамет
ров активного управления газодинамикой выработанных пространств
с использованием пенных завес, дегазации и инертного газа.
Личный вклад автола состоит: - '
в разработке и обосновании математических моделей тепло-ыассопореноса в выработанных пространствах крутых пластов;
в теоретическом анализе и обосновании необходимости учета неоднородности газовоздушной среды при построении математических коделей газодинамики выработанных пространств крутых пластов;
в разработке алгоритма, методики и программного комплекса для расчета газодинамических процессов в выработанных пространствах крутых пластов;
в разработке комплекса программ для ЭВМ ЕС и 1ВЫ PC, обеспечивавших численное моделирование активного управления газодинамикой выработанного пространства;
в установлении зависимости величины утечек в выработанное
пространство щитового участка от интенсивности метановыдолония, ,; свойств вмешлгацих пород, вентиляционных характеристик участка и' ,' глубиіш отработки, а также разработке оценок размеров потенцн- ' алыю взрывоопасных областей .
Практическая ценность работа заключается в том, что ее '
результати позволяют: I
э#5ектквгю применять ра-работянтше математические модели и программные комплекс» для прогноза параметров газодинамических ситуация в выработанных пространствах крутых пластов с учетом конкретних горногеологических условия и технологической обстановки;
рассчитывать величину утечек в виработаїшое пространство щитового участка в зависимости от свойств вмощатаих пород, интенсивности метановнлеления, вентиляционных характеристик участка и глубгаш отработки.по аппроксимациогаюЯ формуле, полученной на основе сбобиения результатов числоіпшх оксперимонтоп;
определять размеры потенциально'взрывоопасных областей в выработанном пространстве щитового участка на основе разработан- пых оценок:
разрабатывать моделирующие алгоритмы выбора параметров управления газодинамической ситуацией в выработанном пространстве в зависимости от природных л технологических факторов и с учетом возмущающего воздействия очага эндогенного пожара на Фильтрационное течение в выработанном пространстве крутых пластов.
Реализация работа'. Программный комплекс SK0DD используется -* в лаборатории локализации и тушения эндогенных пожаров в FocHIft! Горноспасательного дела для проведения расчетов, при разработке koeux способов активного воздействия на аэрогазодииампку выработанного пространства, исследовании процессов объектной инертиза-ции выработанного пространства с применением пенных завес, дегазационных и азотоподающих скважин и решении ситуационных- задач горноспасательного делз. Отдельные компоненты программного комп-лекса использованы в учебном процессе на кафедрах вычислительной и высшей математики Кемеровского госукиверситвта.
Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались и обсуздэлись на: семинаре по численным методам в мэхшшке сплошной среды ИВЦ КемГУ (г.Кемерово, 1990,1991), VIII Всесоюзном совещании "Управлєігле вентиляцией и газодинамическими явлениями
в шахтах" (г.Новосибирск, 1ЭЭ1), XXIV Международной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной проммвлешюсти (г.Донецк, 19Э1), научном семинаре кафедры аерологію, охраны труда и природи КузІМ (г.Кемерово, 1992).
Публикации. По результата?.! выполненных исследований опубликовано 6 печатних работ.
Обт-г-м и гтруктурч рчбот». Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных па 13І странице машинописного текста, содержит 7 таблиц, 46 рисунков, список использованной литературы из 127 наименований и приложение.