ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Введение
1.1 Проблема. Ее важность для безопасности работ в угольных шахтах
1.2 Обзор работ по теме
1.3 Обоснование необходимости решения задач в выработанном пространстве в трехмерной постановке. Оценки вычислительных затрат и обоснование необходимости применения параллельных вычислений и быстрых алгоритмов
1.4 Актуальность работы. Цель работы и задачи исследований. Научная новизна. Практическое значение. Достоверность научных результатов
2 Постановка задач подземной аэродинамики
2.1 Физическая постановка задачи в выработанном пространстве с учетом реальных параметров в выработанном пространстве, метано выделен ия и скорости продвижения очистного забоя
2.2 Математическая модель влияния скорости продвижения забоя на скорость метановыделения и способы определения закона метановыделения
2.3 Математическая постановка задачи о течении метановоздушной смсси в выработанном пространстве с учетом вес факторов
2.4 Физическая и математическая постановки задачи расчета нестационарного течения в горных выработках
2.5 Выводы по главе
3 Алгоритмы расчета задач подземной аэродинамики с применением
параллельных вычислений
3.1 Алгоритм расчета трехмерных течений в выработанном пространстве, основанный на различении характерных времен задач газовой динамики и переноса
3.2 Реализация параллельного алгоритма расчета трехмерных течений в выработанном пространстве
3.3 Приближенный алгоритм расчета стационарных трехмерных течений в выработанном пространств
4
7
22
24
29
30
34
39
48
55
56
68
76
2
3.4 Алгоритмы расчетов нестационарных течений в сети горных выработок
3.5 Выводы по главе
4 Применение разработанных моделей и алгоритмов к исследованию аэродинамических течений подземной аэродинамики
4.1 Исследование течений в выработанном пространстве шахты «Котинская»
4.1.1 Модель выработанного пространства шахты «Котинская»
4.1.2 Нестационарное решение и особенност и поля концентрации метана в изначальной конфигурации
4.1.3 Влияние скорости продвигания очистного забоя на эффективность дегазации
4.1.4 Влияние расположения и числа скважи н
4.1.5 Влияние расположения и числа сбоек
4.2 Выводы по главе
5 Исследование течения метановоздушной смеси в системе «горные выработки - выработанное пространство»
5.1 Апробация подхода к решению задачи
5.2 Расчет влияния на аэродинамику выбросов метана
5.3 Расчет в нестационарной постановке влияния на аэродинамику реверса вент иляторов
5.4 Пример использования численной модели для расчета освобождения загазованной выработки отметана
5.5 Выводы по главе Заключение по работе Литература
1 Введение
1.1 Проблема. Ее важность для безопасности работ в угольных шахтах
С необходимостью вентиляции подземных выработок люди столкнулись уже давно, еще до н.э. во времена римлян в Испании (Рио-Тинто) длинные штольни снабжались воздухом из вентиляционных шурфов. Но до изобретения механического вентиля гора в 1832 г. шахты проветривались лишь за счет естественной тяги, т.е. за счет разности отметок вентиляционных шурфов, колодцев. В настоящее время Правилами безопасности запрещена вентиляция шахт только за счет естественной тяги - из-за неустойчивого количества и направления движения воздуха и рассматривается как негативный фактор.
Основными источниками движения в шахте, используемыми для вентиляции, являются силы, появляющиеся при работе вентиляторов и эжекторов, а также силы іравигации. Несмотря на принимаемые меры безопасности по обеспечению свежей струи воздуха угольные шахты, к сожалению, остаются предприятиями с высокой степенью опасности труда. Нарушения пылегазового режима с возникновением взрывоопасных (пыле-) мстановоздушных смесей обусловило 96% общего числа аварий, приведших к человеческим жертвам. Ежегодное число взрывов в стране превышает уровень европейских стран с сопоставимым объемом добычи угля.
Приведенные данные свидетельствуют о нерешенности многих вопросов борьбы с газом, к числу которых относятся вопросы устойчивости проветривания и управления газовыделением. Акіуальность этих вопросов еще больше возрастаег при разработке угольных пластов на глубоких горизонтах, поскольку с ростом глубины увеличивается мсталоносностъ пластов угля, іазообильносіь шахт и учаежов. Само природное давление метана достиіасг на глубинах 600-8Ш м уже 4-8 МПа, а на глубинах свыше 1000 м 12-15 МПа При этом средняя глубина шахт превысила 450 м, а па ряде шахт I Воркуты составляет 800-1000 м и более. К тому же особо следует отмеппъ потенциальные возможности роста глубины разработки угольных
месторождений в Кузбассе И необходимость решения ОСТрОЙ проблемы обеспечения подземной безопасности.
Природная метаноносность угля - кроме опасности ухудшения безопасности труда и повышения себестоимости добычи — является препятствием для использования высокопроизводительной проходческой техники и механизированных добычных комплексов (при метаноносности более 5-7 м3/т эта техника неэффективна). К примеру, технические возможности средств очистной выемки угля на пологих пластах в 3-4 раза превышают допустимую нагрузку на лаву по газовому фактору. В Кузбассе отдельные очистные участки ежесуточно уже добывают на шахте им. Кирова — 10000 т/сут, шахте "Распадская" - 24000 т/сут, в то время как дебет выделяющегося метана в угольных шахтах очень велик: от 480 тыс. м3/сут в Печорбассе и до 140 тыс. м3/сут в Кузбассе. При этом необходимо отметить, что концепция развития угольной отрасли неразрывно связана с увеличением нагрузок на подземные очистные забои и проектированием выемочных участков мощностью не менее 2-3 млн. т угля в год.
Поэтому при отработке выемочных полей со сложным газовым балансом, включающим выделение метана из разрабатываемой) пласта, подрабатываемых и надрабагываемых угольных пластов и газоносных пород, невозможно обеспечить высокопроизводительную работу выемочных машин без комплексного применения эффективных способов управления мекшовыделеиисм на выемочных участках средствами вентиляции и дегазации источников газовыделения. Тогда как снижение содержания метана на 1% позволяет увеличить в 2-3 раза скорость проходки и в 2 раза повысить производительность добычи угля.
Низкая эффективность предварительной дегазации на современных
высокопроизводительных угольных шахтах не позволяет ликвидировать опасность
местных скоплений метала на сопряжении лавы с вентиляционной выработкой. Из-за
ряда катастрофических взрывов пылеметановоздушной смеси (шахта им. Шевякова,
Кузбасс, 1992 г.; «Барснцбург», о. Шпицберген, 1996 г.; «Центральная», Печорский
бассейн, 1998 г.) при традиционной концепции совместного применения вентиляции и
5
дегазации подрабатываемого газоиасыщеиного углепородного массива предпочтительнее внедрять следующую схему: при разработке высокогазопосных пологих и наклонных пластов, в том числе и опасных по самовозгоранию угля, использовать изолированный о твод метана из выработанного пространства по неподдерживаемыми газо дренажным выработкам и трубопроводам за пределы выемочных участков с помощью газ о отсасывающих установок. Подобная комбинированная схема из-за наличия поверхностных газоотсасываюших установок, отводящих метано воздушную смесь непосредственно в атмосферу, предполагает наличие существенных вертикальных градиентов скорости и сугубо трехмерную газодинамическую картину течения, модель которой и представлена в данной работе.
В условиях современных высокопроизводительных угольных шахт с высокими скоростями продвигания очистного забоя и больших размерах выработанного пространства выяснилась недостаточная изученность аэродинамических процессов при нарушении режима работы вентиляции: внезапных выбросах метана, реверса вентиляторов, остановке вентиляторов. Используемые инженерно-технические подходы не в состоянии описать динамику происходящих явлений, а в нормативно-методических документах отсутствуют критерии и показатели, регламентирующие порядок определения эффективности работы газодреиажных сетей. Это создаёт дополнительную трудность организации аэрологической безопасности в аварийных ситуациях, возникающих на таких выемочных участках. Поэтому необходимо знать и уметь прогнозировать газодинамическую картину силами численного моделирования. К тому же размеры выемочных полей на современных шахтах с длиной по лаве в несколько сотен метров и протяженностью свыше нескольких километров предъявляют серьезные требования к мощности вычислительной техники, и становится необходимым задействование существующих параллельных технологий и соответствующего современного оборудования.
6
1.2 Обзор работ по теме
Проблемы современной рудничной аэрологии, теоретические положения которой сформулированы академиком A.A. Скочииским [1] в своей докторской диссертации «Рудничный воздух и основной закон движения его по выработкам», в общем комплексе горных наук занимают одно из ведущих мест. Это обусловлено, в частности, углублением горных работ, ухудшением тепловых, газовых и пылевых условий, увеличением вероятности газодинамических проявлений и т.н.
В настоящее время свыше 85% угля добывается на опасных по газу шахтах. Ряд шахт характеризуется неблагоприятными тепловыми условиями. Непрерывно увеличивается количество пыльных и весьма пыльных пластов, интенсивная выемка которых приводит к росту пылсобразования и пылеотложения в горных выработках, вследствие чего возрастает опасность не только заболеваний шахтеров пневмокониозами и пылевыми бронхитами, но и взрывов пылеметановоздушной среды.
Вентиляция является базой, на которой формируется применение способов нормализации шахтной атмосферы по риску взрыва газа и пыли, а также но гигиеническим параметрам условий труда в подземных выработках. В настоящее время доля вентиляции в удалении газа из шахт составляет около 90%, а на шахтах, применяющих дегазацию, - 76%. Остальная часть метана удаляется различными способами дегазации. Из анализа установлено, что треть шахт отрасли не обеспечена достаточным по газовому фактору количеством подаваемого свежего воздуха. Такое положение наблюдается на шахтах с абсолютным газовыделением уже более 20 м3/мин (при максимальной газ о обильности отдельных шахт до 200 м3/мин). Вентиляционная недостаточность является одной из главных причин высокой взрывоопасности угольных шахт.
7
Вопрос расчета вентиляционных сетей находится под постоянным вниманием исследователей [2-7]. Изыскания рациональных методов расчета вентиляционных сетей в особенности усилилось в рамках решения проблемы автоматизации управления проветриванием шахт.
Общей особенностью разрабатываемых и разработанных методов расчета является то, что решение вентиляционных задач в значительной степени были перенесены в более абстрактные области, чем это соответствовало практическим потребностям. Исследователи стремились решать задачи с наименьшей трудоемкостью, эффективными математическими методами, но вопрос о том, в какой степени соответствует принятое описание аэродинамических законов предлагаемым методам решения задач, как правило, не рассматривается, так как предполагалось, что закономерности, описывающие процессы движения воздуха в элементах вентиляционной сети, не являются объектом исследования в рамках рассматриваемых задач. Между тем, очевидно, что как бы ни были совершенны методы расчета распределения воздуха в вентиляционных сетях, конечная цель расчета не может быть достигнута, если исходные данные и расчегные зависимости в отдельных ее элементах носят сугубо приближенный характер.
В настоящее время с достаточной степенью точности описывается закон сопротивления при движении воздуха по горным выработкам, характеристики вентиляторов, с несколько меньшей - естественная тяга воздуха. Движение воздуха в выработанных пространствах описывается методами, которые не могут обеспечить удовлетворительную точность расчетов. Поэтому во всех случаях, когда выработанные пространства играют заметную роль в распределении воздуха и формировании таких параметров как депрессия, вентиляционные расчеты проводятся с большими погрешностями. Вследствие указанных недостатков ошибки в расчетах количества воздуха, подаваемого в забой, достигают 80%, в расчетах количества воздуха, подаваемого на участок -60%, в шахту - 20%. Ошибки в расчетах депрессии выемочных участков
составляют около 40%. Как видно, основные ошибки допускаются в расчетах вен гиляциоиных параметров очистного забоя и выемочных участков, т.е. наиболее важных местах потребления воздуха.
В абсолютном большинстве случаев выработанные пространства представляют собой ветви вентиляционной сети, параллельные горным выработкам, по которым движется основной поток воздуха. Поэтому, задача расчета таких сетей обычно рассматривается, в первую очередь, применительно к параллельному соединению, в котором одна часть ветвей представляет выработанное пространство, а другая часть - горные выработки [8]. При этом сопротивление выработанного пространства можно считать однородным, следовательно, и расчет относительно прост, и изотропным только в особых случаях, хотя в практике и встречается довольно часто. Примерами таких однородных пористых сред в горных условиях являются, в частности, выработанные пространства при разрабо тке мощных угольных пластов крутого падения щи товой системой в пределах одного горизонта, где осуществляется систематическое перемещение кусковой среды [9]. Однако, для пластов пологого падения подобные допущения неприемлемы.
В этом случае важное значение приобретает знание величин аэродинамических сопротивлений, влияющих на интенсивность движения и характер распределения воздуха в выработанных пространствах. Однако ранее существовавшие методы определения аэродинамических сопротивлений являются весьма неточными, вследствие чего различие между расчетными и реальными расходами воздуха в выработанных пространствах настолько существенны, что такие расчеты теряют практический смысл. Именно поэтому в действующем «Руководстве ...» [10] утечки воздуха через выработанное пространство не рассчитываются, а принимаются по опытным данным. Распространенным необоснованным допущением являлось предположение о линейном законе фильтрации воздуха, хотя оно и позволило получить определенные сведения. Применение линейного закона сопротивления
значительно упрощало решение многих вопросов, но одновременно ограничивало возможность их использования в практике вентиляции, так как реальное положение оказывалось всегда далеким от расчетного. Данные по результатам работы [11] служат падежным экспериментальным обоснованием целесообразности применения двучленного закона сопротивления при описании движения воздуха в обрушенных породах. При этом различают два подхода к расчету параметров аэродинамики (расчет утечек) выработанного пространства: дифференциальный и интегральный.
Сущность дифференциальных методов расчета заключается в следующем: выработанное пространство разбивается на конечное число участков по направлению движения фильтрационного потока, для каждого участка рассчитываются сопротивления, с учетом сопротивлений окружающих выработок определяют утечки для каждого последующего участка (таков, например, метод последовательных приближений, предложенный А.Ф. Милетичем [12]). Метод Милетича базируется на ламинарном режиме фильтрации воздуха через выработанное пространство. При турбулентном режиме использовать метод несколько сложнее, так как появляются нелинейные члены в решаемом уравнении. При промежуточном режиме фильтрации, который является наиболее характерным для выработанных пространств угольных шахт, решения отсутствуют.
Интегральные методики расчета утечек принципиально отличаются от дифференциальных. Распределенные утечки заменяются сосредоточенным фиктивным потоком, в вентиляционную сеть этот поток вводится в виде ветви, через которую проходит весь поток утечек. Расчет сводится к расчету распределения воздуха между фиктивной ветвыо и окружающими выработанное пространство горными выработками (методы Ф.С. Клебанова [13] и К.З. Ушакова [ 141). Эти методы более экономичны в вычислительном плане по сравнению с дифференциальными и поэтому более широко
10
используются для оперативного расчета утечек, как при проектировании, так и при управлении вентиляцией шахт.
Ушаков К.З. предложил также 1рафоаналитический метод построения сетки движения воздуха в выработанном пространстве. Этот метод позволяет количественно определить распределение воздуха при заданном давлении на его контуре и сопротивлении без предварительных производственных и лабораторных исследований.
И тот и другой методы обладают определёнными преимуществами и недостатками. В дифференциальном методе часто затруднительно описание линий тока (длины пути фильтрации) для схем с одно- и двухсторонним примыканием выработанного пространства. Причем сделать это нужно до расчет и, следовательно, результат фактически определяется тем, как инженер представил и отобразил схему движения воздушного потока.
Для интегрального метода существенные трудности представляет нахождение местоположения фиктивного потока, зависящее от схемы проветривания и размеров выработанного пространства. Метод Клебанова для сплошной системы разработки ограничивает зоны утечек 300 м, что может рассматриваться как частный случай; конечное решение справедливо только для ламинарного режима фильтрации. Мегод Ушакова работает для столбовой системы отработки и основан на экспериментальном распределении утечек в выработанном пространстве на физической модели выемочного участка. Сопротивления в этом подходе рассчитываются также по линейному закону.
В целом же, описанные подходы позволяют решать практическую задачу распределения воздуха в системе «горные выработки — ‘выработанное пространство» с инженерных позиций. Как правило, методы применимы для одной схемы вентиляции и не распространяются на другие. Все методы базируются на одночленном законе сопротивления и учитывают лишь ламинарный режим фильтрации через выработанное пространство. Это,
11
конечно, вносит значительные погрешности в расчет и не отражаег сущность процесса движения воздуха через выработанные пространства. Т.е. рассмотренные методы не в состоянии учесть факторы горнотехнического характера и корректно отобразить физическую сущность процесса фильтрации через обрушенные породы.
В практике же применяемые в настоящее время схемы вентиляции характеризуются многочисленными комбинациями взаимного расположения выработок и выработанных пространств. Как следствие этого воздушные потоки в выработанных пространствах обладают очень сложной пространственной схемой движения. Поэтому в большинстве предпринятых до настоящего времени исследованиях при количественной оценке параметров потока наблюдалось стремление какими-либо путями избавиться от их пространственного харакгера и привести их к одномерным. Достаточно легко к одномерным потокам приводятся потоки в выработанных пространствах при сплошной системе разработки и в выработанных пространствах шахт и рудников с аэродинамической связью с поверхностью через зоны обрушения
[8]. Однако в большей части схем вентиляции пренебрежение трехмерным характером фильтрационных потоков при решении практических задач недопустимо.
В исследованиях аэродинамики выработанных пространств широкое распространение получил метод электрического моделирования [12, 15], основанный на аналогии, которая имеется в известных случаях между уравнениями, описывающими тот или иной физический процесс, и уравнениями, характеризующими распределение токов и напряжений в специальным образом составленной электрической цепи. Метод не нов - еще в 1918 г. Н.П. Павловский применил его для исследования вопросов фильтрации вод. Однако первое описание этого способа применительно к шахтным сетям было впервые опубликовано лишь в 1952 г. в немецком журнале «Глюкауф».
12
Этот метод достаточно прост, позволяет заменить сложные вентиляционные расчеты прямым измерением электрических величин (напряжений и силы тока) с последующим пересчетом их с помощью масштабов на аэродинамические величины (расходы и давления), также отличается возможностью учитывать изменение сопротивления вырабо танного пространства и перспективой глубокого анализа результатов. Заметим, что метод электрического моделирования применялся в основном с целью изучения качественной картины фильтрации, и, как правило, анализ результатов исследования ограничивался простым построением линий тока, причем изучалось, в абсолютном большинстве случаев, плоское течение. Методом электромоделирования исследовалась турбулентная фильтрация воздуха для П-образной схемы вентиляции на основе двучленного закона сопротивления [16]. Автор пытался решить методом электромодслирования в сущности диффузионную задачу распределения метана в выработанном пространстве. Серьезным недостатком большинства работ по электромоделированию движения воздуха в выработанных пространствах является ограничение исследований рамками потенциальных течений.
Физическое моделирование представляется наиболее адекватным
способом исследования сложных процессов аэродинамики выработанных
пространств в широких диапазонах изменения определяющих параметров.
Такой подход применялся многими исследователями [11, 17, 18]. В МГИ на
физической модели выработанного пространства проводились натурные
эксперименты с целью установить основные закономерности распределения
скоростей фильтрации для основных схем проветривания выемочных участков
[9]. В связи с этим предусматривалось широкое варьирование граничных
условий, а также изменение таких гор но-геологических условий, как угол
падения, длина лавы и т.д. В результате этих исследований получены
распределения скоростей фильтрации и числа Рейнольдса в объеме
выработанного пространсгва. Затем на основе оценки фильтрационных потоков
с помощью среднеинтегрального числа Рейнольдса предлагается ввести
13
- Київ+380960830922