Фильтрационно-диффузионные процессы в горных выработках и тепломассоперенос при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт

Агеев, Илья Игоревич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Фильтрационно-диффузионные процессы в горных выработках и тепломассоперенос при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Фильтрационно-диффузионные процессы в горных выработках и тепломассоперенос при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт"

¿05531464

На правах рукопі

АГЕЕВ Илья Игоревич

ФИЛЬТРАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ ВОЗДУХОПОДГОТОВКЕ В НАДШАХТНЫХ ЗДАНИЯХ У ГЛЕКИС Л ОТО О Б ИЛ ЬIIЫХ ШАХТ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени - кандидата технических наук

Тула 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор КАЧУРИН Николай Михайлович.

Официальные оппоненты:

КОРШУНОВ Геннадий Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Безопасность производств», ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург,

ЛИСКОВА Мария Юрьевна, кандидат технических наук, ассистент кафедры «Электрификация и автоматизация горных предприятий», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Ведущая организация: ОАО «ТулНИГП», г. Тула.

Защита диссертации состоится «28» мая 2013 г. в .14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6-й уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан ие » _ 2013 г.

Ученый секретарь / ^

диссертационного совета \ С^^/у Александр Евгеньевич Пушкарев

^ Р

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Статистические данные аварийности в угольной промышленности России и стран ближнего зарубежья наглядно показывают, что около девяноста процентов всех видов аварий происходят в горных выработках. Анализ данных по интенсивности загазйрования горных выработок углекислотообильных шахт свидетельствует о высоком уровне газовой опасности. Это не соответствует перспективным планам развития угольной отрасли в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. Например, Подмосковный бассейн всегда занимал особое место в угольной промышленности России в связи с географическим расположением его в центре Европейской части. Разведанные балансовые запасы бурого угля бассейна составляют 3,4 млрд тонн, основная часть которых сосредоточена в Тульской области - 1,4 млрд тонн. При этом, несмотря на снижение числа угледобывающих предприятий, нарушение газового состава рудничной атмосферы всегда являлось основной причиной несчастных случаев со смертельным исходом.

Однако действующие нормативные документы по проектированию вентиляции угольных шахт не учитывают специфику фильтрационно-диффузионного переноса при экстренных газовыделениях, что не позволяет определить оптимальные значения расхода воздуха для различных горных выработок при изменении атмосферного давления. Следовательно, дальнейшее исследование процессов газообмена рудничной атмосферы и поверхности обнажения угольного пласта и горных пород при изменении атмосферного давления является актуальной научно-технической задачей.

Возрастающая стоимость топлива и энергии требует эффективной экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов в стране. Основными факторами, влияющими на решение проблемы и активизацию энергосбережения, являются увеличивающиеся суммарные и удельные затраты на добычу и транспорт топлива, поэтому необходимо рационально использовать энергоресурсы на всех стадиях энергетического цикла от разработки недр до конечного потребления. Экономия топлива обычно в 2,5-3 раза дешевле, чем эквивалентный прирост его добычи и транспортировка потребителям. В России общий коэффициент полезного использования потенциальной энергии добытого топлива для получения конечной энергии составляет 43 % и ее использование 57 %, а при производстве электроэнергии

— 38 %. Это значительно ниже мирового уровня. Поэтому исследование фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках и тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт является весьма актуальным.

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.)» (per. 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 фильтраци-онно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, выработанных пространствах и горных выработках, а также тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт для прогноза газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в тепле, что обеспечит повышение уровня безопасности подземных горных работ и эффективности системы энергосбережения на поверхностном комплексе углекислотообильных шахт в целом.

Идея работы заключается в том, что прогнозная оценка газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в тепле, которая обеспечивает повышение уровня безопасности подземных работ и эффективности системы энергосбережения, должна основываться на адекватных математических моделях теории тепломассопереноса и теории случайных функций, адаптированных информационно и технически к фильтрационно-диффузионным и теп-лообменным процессам на различных технологических участках углекислотообильных шахт.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

газовая ситуация в любой точке вентиляционной сети углекислоте-. обильной шахты является следствием нестационарного газообмена между источниками газовыделений и вентиляционным потоком и зависит от соотношения параметров филырационно-диффузионного переноса газов в массиве и в шахтном воздухе, а также от внешних воздействий, обусловленных метеорологическими факторами;

динамика потерь тепла через наружные ограждения удовлетворительно описывается решением одномерного уравнения теплопроводности Фурье для граничных условий первого рода при кусочно-линейной аппроксимации временного тренда случайной функции температуры наружного воздуха;

изменение атмосферного давления и температуры наружного воздуха, являющееся движущей силой процессов фильтрации и тепломассопереноса, - стохастический процесс, который можно условно считать эргодическим, стационарным, и имеющим периодическую компоненту и достаточно продолжительную связь между лагами.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

получены аналитические закономерности газовыделений из выработанного пространства, отличающиеся тем, что динамика газовыделений описывается с учетом стохастических закономерностей локального изменения метеорологических факторов;

предложены математические модели для прогноза динамики газовой среды выработанных пространств, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе совместного решения уравнений фильтрации и конвективно-диффузионного переноса;

доказана возможность моделирования локального изменения давления на контуре стока как случайного стационарного процесса, что повышает достоверность решения задач прогноза газовыделения;

установлено, что в горных выработках временной ряд динамики концентрации углекислого газа идет в противофазе с временными рядами концентрации кислорода и ходом статического давления;

получены аналитические закономерности для процесса тепломассопереноса в надшахтных зданиях, отличающиеся тем, что динамика температуры в наружных ограждениях и величина потерь тепла описываются с учетом закономерностей изменения метеорологических факторов.

опасности по газовому фактору. Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза газовыделения на очистных участках в угольных шахтах существенно облегчают решение задач газовой динамики. Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза теплопо-терь в надшахтных зданиях существенно облегчают решение задач мониторинга расхода тепла.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

корректной постановкой задач исследований и квалифицированным применением классических методов математической физики, математической статистики и теории вероятностей и современных достижений вычислительной техники;

удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонения не превышают 20 %) и большим объемом вычислительных экспериментов;

значительным объемом базы данных по шахтным наблюдениям, а также по результатам анализа метеорологических параметров (обобщены данные непрерывных наблюдений за 41 месяц);

положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения задач прогноза газовыделений из выработанных пространств на шахтах Восточного Донбасса и в период работы шахт Подмосковного бассейна.

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке газовых ситуаций на углекислотообильных шахтах. Закономерности динамики газовых выделений и рекомендации по повышению эффективности энергосбережения на шахтах использованы в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР. Теоретические положения и практические рекомендации прогноза газовыделений из выработанных пространств в периоды снижения атмосферного давления, изложенные в работе, используются в учебных курсах «Аэрология горных предприятий», «Аэрология шахт» и «Безопасность жизнедеятельности» для студентов ТулГУ и в Научно-учебном центре рационального природопользования при освоении минерально-сырьевых ресурсов.

дарственного университета (г. Тула, 2000 - 2011 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2000 - 2011 гг.); Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 — 2011 гг.); Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2010 г.), Международной конференции «Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-м международном симпозиуме «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 152 страницах машинописного текста, содержит 38 иллюстраций, 9 таблиц, список литературы из 116 наименований.

Автор выражает благодарность доктору техн. наук, профессору Э.М. Соколову за методическую помощь и организационную поддержку при проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема прогноза динамики фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках и тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт не теряет своей актуальности на протяжении всего периода существования подземной разработки угольных месторождений. Комплексное изучение этой проблемы получило, по инициативе академика A.A. Скочинско-го, широкое развитие. Исследования, начатые A.A. Скочинским, В.Б. Комаровым, H.H. Черницыным, А.И. Ксенофонтовой, В.Н. Ворониным, продолжены в отраслевых исследовательских организациях -ИГД им. A.A. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ИПКОН РАН; в ведущих школах системы высшего горного образования страны - Московском государственном горном университете, Санкт-Петербургском

горном институте, Тульском государственном университете. Фундаментальные положения теории движения газов в породоугольном массиве и горных выработках сформулированы в трудах А.Т. Айруни, JI.H. Быкова, Ю.Б. Васючкова, Н.М. Качурина, Ф.С. Клебанова, В.А. Колмакова, А.Е. Краснопггейна, P.M. Кричевского, C.B. Кузнецова, Г.Д. Лидина, А.Э. Петросяна, JI.A. Пучкова, А.Д. Рубана, И.В. Сергеева, Э.М.Соколова, М.Б. Суллы, Б .Г. Тарасова, К.З. Ушакова, С.А. Ярунина и др.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач исследований.

1. Проанализировать и обобщить технологические условия, влияющие на газообмен между поверхностью обнажения угольного пласта, выработанными пространствами и рудничным воздухом на добычных и подготовительных участках для различных технологических условий.

2. Уточнить математическую модель процесса фильтрационного переноса и динамики газовыделений через поверхность обнажения угольного массива и выработанных пространств в периоды снижения атмосферного давления.

3. Уточнить математическую модель процесса конвективно-турбулентной диффузии газов в углекислотообильных шахтах и разработать математическую модель разбавления и переноса газовых примесей в вентиляционном потоке горных выработок очистных и подготовительных участков.

4. Обосновать и адаптировать математическую модель исследования случайной функции, описывающей динамику температуры наружного воздуха в холодный период года, позволяющей выделить тренд временного ряда измерений температуры и реализовать метод кусочно-линейной аппроксимации периодического тренда.

5. Разработать математическую модель прогноза теплопотерь через наружные ограждения надшахтных зданий, учитывающую фактор времени и отражающую влияние временного тренда измерений температуры наружного воздуха.

6. Провести вычислительные эксперименты и усовершенствовать методику анализа фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках в периоды снижения атмосферного давления путем расчета среднеинтегральных значений концентрации газовых компонент, определяющих газовую среду выработанных пространств, и тепло-

массопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях угле-кислотообильных шахт. Оценить адекватность усовершенствованной методики.

Экспериментальные наблюдения показали, что фильтрационные характеристики выработанных пространств шахт Подмосковного бассейна практически не отличаются от свойств массива ненарушенной структуры, а газовыделение и поглощение кислорода при стабильном атмосферном давлении происходят в незначительных количествах. Снижение атмосферного давления влечет за собой перепад давлений — разряжения в выработках и повышения выработанных пространствах, что является побудителем к выходу С02 и разбавлению 02-

Линеаризация уравнений фильтрационного переноса газа позволяет получить аналитические решения широкого класса прикладных задач. В связи с этим возникает необходимость экспериментальной проверки соответствия модели, реальному физическому процессу.

Использовался алгоритм для численного решения первой краевой задачи, описываемой следующим дифференциальным уравнением: 5Р/аг = 5/ЭХ(РаР/5Х), гдеР = р/р0; т = (knр0tXmfiL2)"1; X = x/L; Рс(т) = pc(t)/p0; L - характерный пространственный масштаб процесса. Начальные и граничные условия имели следующий вид: Р(Х, 0) = 1, Р(0, т) - Рс (х), Р(1, т) = 1.

Для численного решения данной краевой задачи использовался метод сеток. Рассматриваемое дифференциальное уравнение и краевые условия можно аппроксимировать разностной системой уравнений: (Ру -Р,,н)Ах-' = [aj+1J(Pi+u -Ри)ДХ"1 ~a¡ j(P¡j-Р^)АХ-] АХ~\

P0.j = G,^), P.0 = U0(X,), где a¡ j = 0,5(PU -PWJ); i = 1,2,...,ÑX;

j = l,2,...,ÑT. Численная реализация этой системы уравнений осуществлялась при помощи итерационного процесса следующего вида: AP?+1At~' = (а^цАРДцАХ-1 - а^^Р^АХ^АХ"1. Значения Р,"1 определялись на каждом слое по формулам правой прогонки. Интегрирование велось до выполнения условия: — P¡j| < Б, |P¡j|.

Установлено, что при математическом описании газовыделения из угольного пласта можно пренебречь кинетикой десорбции, так как этот процесс при уменьшении давления свободного газа протекает чрезвычайно быстро, а удовлетворительная сходимость приближенно-

го решения (погрешность не более 15 %) имеет место при выполнении условия т < 0,1 для начальных давлений газа от 1 до 5 МПа.

В несорбирующих породах наблюдается удовлетворительная сходимость приближенных решений - уравнение фильтрации достигается при т= 0,1...0,5 (погрешность не более 10 %), что для метаноносных пород проницаемостью 10"17м2 при пористости 10 % и давлении газа 5 МПа соответствует критическому времени не менее 250 сут, а для выработанных пространств в шахтах Подмосковного бассейна, где в среднем проницаемость на 5 порядков выше, а давление близко к 0,1 МПа, граница применимости линеаризованного уравнения составляет около 5...30 ч.

Большое количество шахт восточного района Донбасса, а также все без исключения шахты Подмосковного бассейна отрабатывали угольные пласты, содержащие углекислый газ, образовавшийся при низкотемпературном окислении угля. Удельная поверхность краевой части угольных пластов Подмосковного бассейна от 40,6 до 114,6 м2 /кг и в среднем составляет 63,1 м2/кг. Этого вполне достаточно, чтобы обоснованно принять аналитическое выражение, описывающее интенсивность поглощения кислорода в следующем виде: 1коо =св(ВкК0)0'5,

Бк - коэффициент кнудсеновской диффузии кислорода в угле; св -концентрация кислорода в рудничном воздухе; К0 - константа скорости окисления.

В связи с незначительным избыточным давлением газовой смеси в выработанных пространствах, газообильность очистных и подготовительных участков зависит от колебаний статического давления воздуха в горных выработках. Математическое описание процесса формирования нестационарного поля давления для газовой смеси в зоне обрушения имеет вид

Р2(х>*) = Роег^

0,5х

+ 0,5х \ ф(г)

г чч1;

0,25х

ск, (1)

где ср(0 - функция, однозначно задаваемая законом изменения статического давления в горных выработках.

Дебит углекислого газа из выработанного пространства определяется в соответствии с законом Дарси по формуле:

т^ф(0 ¿а-о

где свп- концентрация углекислого газа в газовой смеси выработанного пространства; h0, L - высота и длина поверхности контакта выработанного пространства с вентиляционной струей.

Математическая модель динамики концентрации кислорода в атмосфере подготовительной выработки в период экстренных газовыделений учитывает, что диффузионный поток кислорода в угольном пласте определяется по закону Фика и для одномерного процесса разбавления кислорода «мертвым» воздухом с учетом конвективно-турбулентной диффузии можно записать, что на исходящей струе концентрация кислорода будет изменяться по следующему закону:

c(Ln, ,t) = сн jexp(-krt) - jexp[-kr(t - т)] • G(Ln„,T)dxj + 0,5c0G(Ln„t) +

+a|i - exp(-krt)]-|с(Ь„,т)с!т+|exp[-kr (t - x)]-G(Lnil, x)dx|, (3) где

G(x,t) = |exp(-xD^-5)erfc

0,25DTco2+ß + Kn)t

-exp(xD;°-5)x

2757

хег&[о,5х(ОтО"*5 + 7(0,250тсо2+р + Кп)1]}; кг = (<3 + 1ср)£Г' + Кп;

Л = (<3с0 + 1срс,)О"'[(0 + 1ср)£Г' + Кп]-1; Ьи - протяженность подготовительной выработки; сн, с0 - начальная концентрация кислорода и концентрация кислорода в свежей струе воздуха соответственно; — среднее количество воздуха; Эт — коэффициент турбулентной диффузии кислорода в вентиляционной струе.

Тогда условие аэрогазодинамической безопасности по фактору обескислороживания воздуха имеет следующий вид: с(Ьш,1)<0,2. Анализ закономерности (3) показал, что, в конечном счете, устанавливается некое стационарное распределение концентрации кислорода. Поэтому пренебрегая турбулентной диффузией, целесообразно использовать следующее уравнение: 0.„ с!с

S-t|(x)dx

= -(ß + K„)

с — -

(4)

Р+Кп,

где С2ЗП - количество воздуха, подаваемое в подготовительный забой; Э - площадь поперечного сечения подготовительной выработки; Г|(х) -коэффициент доставки воздуха.

Решением уравнения (4) с учетом того, что с(Ьп.в.) = ПДК, получено алгебраическое уравнение для расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительной выработки в периоды экстренных газовыделений:

Рз.п.Ср+Ц

) +1 + К5 ь

«•З.П. п п.в. п

Сп--

СЬ.п.С0+1С1

() + 1 + К!ЗпвЬ

^•З.П. Л П.В. П.8

хехр

(Р + Кп)8„-,,

^З.П.

=пдк.

(5)

Вычислительные эксперименты с использованием уравнения (5) показали, что в период экстренных газовыделений потребное количество воздуха для условий Подмосковного бассейна составляет 230...420 м3/мин.

Математическая модель динамики концентрации кислорода в атмосфере очистного участка получена в результате решения уравнения конвективной диффузии и имеет следующий вид:

с(х,1) = (с,, - А)ехр[-(Р + К„М + ^с0 (сн — А)ехр

Р+к„

-(Р + Кп)[1--

хехр -

-X .

(6)

Зависимость (6) показывает, что среднее распределение концентрации кислорода по ходу движения воздуха стремится к некому стационарному продольному профилю концентрации. Если учесть, что на исходящей концентрация кислорода должна быть не менее ПДК, то можно определить количество воздуха, необходимое для проветривания очистного забоя в период экстренных газовыделений по кислородному фактору С^ из решения следующего уравнения:

(£с0 + 1с,

(р + кп)8

сп--

(£с0+1с,

хехр

Рк

(£+1 + Кп5(1а.п+1от) = ПДК.

(7)

Вычислительные эксперименты показывают, что дополнительное количество воздуха составляет 45.. .87 % от расчетной величины.

Математическое моделирование процессов тепломассопереноса в надшахтных зданиях при воздухоподготовке с использованием уравнения теплопроводности и граничных условий первого рода позволи-

ло получить следующее распределение температуры в наружном ограждении в холодный период года:

0,5лТ(Х,Бо) = Т,^(Х,Ро) + (Т, -ВДСХ.РоНСЦ -Т2ШХ)~

-С1(Х,Ро)]-^-{РО£,(Х) + ^-[£5(Х)-Г6(Х,РО)]} , (8)

где X = х5-1; Бо = - критерий Фурье; б - толщина наружного

ограждения; а — температуропроводность;

(X, Ро) = ]Г п-1 (1 - (-1)" ) ехр(-я2п2Ро)8іп(ппХ) ;

П=1

ґ2(Х,Ро) = І)" ехр(-я2п2Ро)8іп(таіХ) ; ґ3(Х) = 0,5тс(1-Х) ;

п=1

ґ4(Х,Ро)=^п-18іп(тгпХ)ехр(-я2п2Ро) ; ґ5(Х) = ^п"38іп(7тХ) ;

п=1 п=1

ґб(Х,Ро) = ^п'38іп(таіХ)ехр(-7і2п2Ро) .

Ч(-) [Т> -Т2 -а82а-2(Ро-0Д67 )] | , (9)

П=1

Поток тепла , уходящего из помещения через ограждение,

можно определить, используя закон Фурье. Получена приближенная зависимость для расчета потерь тепла через наружное ограждение: 2Х\ 5

где - теплопроводность материала наружного ограждения.

Результаты вычислительного эксперимента представлены на рисунке. Анализ результатов вычислительного эксперимента свидетельствует о том, что математическая модель (8) - (9) адекватно описывает потери тепла через наружные ограждения помещений надшахтных зданий в холодный период. Таким образом, формально балансовое соотношение количеств тепла можно записать в следующем виде:

"ж.мРССІТ =

и ш

Ечім-Цчц-)

А, (Ю)

.ы ¡=1

где р, с - плотность и удельная теплоемкость воздуха в помещении;

Чк-) ~ теплопоступления и теплопотери от ¡-х источников соответственно; п - количество источников теплопоступлений; ш - количество источников теплопотерь.

Уравнение (10) описывает динамику средней температуры внутреннего воздуха в помещении. Уравнение было проинтегрировано для

начального условия, при котором Т(0) = Т0= const. Решение уравнения (10) имеет вид

a fa m 1 f pt )

T(t)=rtrT°Jex№J' (11)

где a = qcB0 +КТЮ1(Ь1Т, -ЬгафТв -L^J + XT^S"1;

ß = + KLB; Ьипф - расход инфильтрационного воздуха в объем-

ных единицах; Ln - расход приточного воздуха в объемных единицах; Т„ - температура приточного воздуха.

Результаты вычислительного эксперимента, полученные с использованием формулы (11). Динамика изменения средней температуры воздуха показывает, что lim T(t) = Т„ = aß"1. Условие = Твн обес-

t-MO

печивает поддержание нормативной температуры, поэтому тепловая производительность системы водяного отопления помещений надшахтных зданий будет рассчитываться по следующей формуле: 1С > К

Я сво =|ß——(L.T, -L^T. -LnTn). (12)

Формула (12) учитьшает все составляющие теплового и воздушного балансов помещения, а также расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха. Тепловая производительность, рассчитанная по формуле (12), будет представлять собой оптимальную величину, так как при этом учитываются все ограничения, накладываемые действующими нормативами. Основные научные и практические результаты исследований, направленные на обеспечение безопасных условий развития добычи угля с учетом фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках и тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт, рекомендованы к использованию на шахтах Восточного Донбасса и для восстанавливаемых шахт Подмосковного бассейна. Теоретические результаты и технические решения использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований уточнены закономерности фильтрационно-диффу-зионного переноса газов в угольных пластах, выработанных простран-

ствах и горных выработках, а также тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт для прогноза газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в тепле, что обеспечит повышение уровня безопасности подземных горных работ и эффективности системы энергосбережения на поверхностном комплексе углекислотообильных шахт в целом.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Усовершенствованы методические положения оценки интенсивности фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках и тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт.

2. Установлено, что газовая ситуация в любой точке вентиляционной сети углекислотообильной шахты является следствием нестационарного газообмена между источниками газовыделений и вентиляционным потоком и зависит от соотношения параметров фильтрацион-но-диффузионного переноса газов в массиве и в шахтном воздухе, а также от внешних воздействий, обусловленных метеорологическими факторами.

3. Получены аналитические закономерности газовыделений из выработанного пространства, отличающиеся тем, что динамика газовыделений описывается с учетом стохастических закономерностей локального изменения метеорологических факторов.

4. Предложены математические модели для прогноза динамики газовой среды выработанных пространств, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе совместного решения уравнений фильтрации и конвективно-диффузионного переноса.

5. Доказана возможность моделирования локального изменения давления на контуре стока как случайного стационарного процесса, что повышает достоверность решения задач прогноза газовыделения. Установлено, что в горных выработках временной ряд динамики концентрации углекислого газа идет в противофазе с временными рядами концентрации кислорода и ходом статического давления.

6. Обосновано, что динамика потерь тепла через наружные ограждения удовлетворительно описывается решением одномерного уравнения теплопроводности Фурье для граничных условий первого

рода при кусочно-линейной аппроксимации временного тренда случайной функции температуры наружного воздуха.

Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Моделирование энергоэкологических процессов/Н.М. Качурин [и др.]// ИзвТулГУ. Сер. Экономические и социально-экологические проблемы природопользования. Вып. 1. 2000. С. 79-85.

2. Опыт комплексного решения проблем энергосбережения и обеспечение экологической безопасности в строительстве/ Н.М. Качурин [и др.] // ИзвТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 6. 2003. С. 223-228.

3. Понятие «система» при оценке эффективности деятельности организаций строительного профиля / Н.М. Качурин [и др.]// ИзвТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 6. 2003. С. 146-153.

4. Стась Г.В., Агеев И.И., Дёмина О.В. Алгоритмы и комплекс программных средств для прогноза газообмена в атмосфере шахт Подмосковного угольного бассейна // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 53 - 56.

5. Качурин Н.М., Агеев И.И., Бухтияров А.А. Прогноз газовыделений и газовых ситуаций при интенсивной добыче угля подземным способом. / Изв. ТулГУ. Естественные науки.// Вып. 5. 2009. С.12 — 16.

6. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Агеев И.И. Методические аспекты прогноза выделений углекислого газа в угольных шахтах // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 14 - 20.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 22.04.2013 Формат бумаги 60x84 Vie- Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,9 Уч. изд. л. 0,8 Тираж 150 экз. Заказ 018 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Агеев, Илья Игоревич, Тула

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяедение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201357751

АГЕЕВ Илья Игоревич

ФИЛЬТРАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ ВОЗДУХОПОДГОТОВКЕ В НАДШАХТНЫХ ЗДАНИЯХ УГЛЕКИСЛОТООБИЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д-р техн. наук, профессор Николай Михайлович Качурин

Тула-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 4

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................. 10

1.1. Фильтрационно-диффузионные процессы в углекислотообильных шахтах и моделирование газовыделения в горных выработках................. 10

1.2. Конвективно-турбулентная диффузия газов моделирование газовых ситуаций в горных выработках.......................................................... 22

1.3. Статические и динамические методы прогнозирования потерь тепла в помещениях в холодный период года.................................................. 27

1.4. Обоснование выбора шахт Тульской области в качестве объекта

исследований............................................................................... 38

ВЫВОДЫ.................................................................................... 42

2. ГЛАВА 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ АМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ..................... 47

2.1. Структура и содержание базы данных областного комитета Госкомгидромета РФ........................................................................................... 47

2.2. Анализ динамических рядов относительной влажности воздуха............ 48

2.3. Прогнозная модель динамики температуры атмосферного воздуха

и относительной влажности воздуха................................................................. 53

2.4. Статистические характеристики процесса изменения атмосферного давления................................................................................................................ 62

2.5. Анализ и обобщение результатов шахтных наблюдений газовыделений

при снижении статического давления воздуха................................................ 67

ВЫВОДЫ.............................................................................................................. 80

ГЛАВА 3. ФИЛЬТРАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ И ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ...... 82

3.1. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов.......................................................................................................................... 82

3.2. Поглощение кислорода и выделение углекислого газа поверхностью обнажения угольного пласта............................................................................... 88

3.3. Газовыделение из выработанных пространств в периоды падения статического давления воздуха в шахте............................................................. 92

3.4. Разбавление кислорода «мертвым» воздухом выработанных пространств при экстренных газовыделениях....................................................................................................95

3.5. Математическая модель динамики концентрации кислорода в атмосфере подготовительной выработки в период экстренных газовыделений.......... 97

3.6. Математическая модель динамики концентрации кислорода в атмосфере очистного участка в период экстренных газовыделений...................... 103

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................................105

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССО-ПЕРЕНОСАПРИ ВОЗДУХОПОДГОТОВКЕ В НАДШАХТНЫХ ЗДАНИЯХ........................................................................................................................... 107

4.1. Физическая модель и математическое описание потерь тепла за счет теплопроводности....................................................................................................................................................................................107

4.2. Математические модели потерь тепла через наружные ограждения помещений............................................................................................................ 112

4.3. Усовершенствованная методика расчета потерь тепла через наружные ограждения помещений....................................................................................... 115

4.4. Физическая модель и математическое описание тепломассообмена

помещениях в холодный период года................................................................ 119

ВЫВОДЫ.................................................................................... 125

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ БАЗЫ ДАННЫХ ПО ДИНАМИКЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ПРОГНОЗА ПОТЕРЬ ТЕПЛА В УЧЕБНЫХ АУДИТОРИЯХ ТулГУ.................................................... 127

5.1. Организация региональной автоматизированной базы данных............ 127

5.2. Информационное обеспечение базы данных.................................... 130

5.3. Методические положения динамического прогноза газовыделений

на углекислотообильных шахтах................................................................................................................136

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Статистические данные аварийности в угольной промышленности России и стран ближнего зарубежья наглядно показывают, что около девяноста процентов всех видов аварий происходят в горных выработках. Анализ данных по интенсивности загазирования горных выработок углекислотообильных шахт свидетельствует о высоком уровне газовой опасности. Это не соответствует перспективным планам развития угольной отрасли в Донецком и Подмосковном угольных бассейнах. Например, Подмосковный бассейн всегда занимал особое место в угольной промышленности России в связи с географическим расположением его в центре Европейской части. Разведанные балансовые запасы бурого угля бассейна составляют 3,4 млрд тонн, основная часть которых сосредоточена в Тульской области - 1,4 млрд тонн. При этом, несмотря на снижение числа угледобывающих предприятий, нарушение газового состава рудничной атмосферы всегда являлось основной причиной несчастных случаев со смертельным исходом.

Одна из глобальных проблем экономики - истощение природных ресурсов энергоносителей. Так, в России доля природного газа как топлива на теплоэлектростанциях будет снижаться вследствие падения добычи. Мировая электроэнергетика в среднем на 43 % основана на угле: в Европе - более 50 %, в США - на 56 %, в Китае - на 70 %. В России его доля на теплоэлектростанциях составляет 27 %, а с учетом атомных и гидростанций - 18 %. Разведанных запасов газа хватит

на 80 лет, а угля - на 300 лет. Традиционные месторождения иссякают, а для освоения новых месторождений требуются огромные затраты. Цена газа по некоторым прогнозным оценкам вырастет в 5-6 раз.

Поэтому исследование фильтрационно-диффузионных процессов в горных выработках и тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт является весьма актуальным.

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.)» (per. 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 фильтрационно-диффузионного переноса газов в угольных пластах, выработанных пространствах и горных выработках, а также тепломассопереноса при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт для прогноза газовых ситуаций в

периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в тепле, что обеспечит повышение уровня безопасности подземных горных работ и эффективности системы энергосбережения на поверхностном комплексе углекислото-обильных шахт в целом.

Идея работы заключается в том, что прогнозная оценка газовых ситуаций в периоды экстренных газовыделений и фактической потребности в тепле, которая обеспечивает повышение уровня безопасности подземных работ и эффективности системы энергосбережения, должна основываться на адекватных математических моделях теории тепломассопереноса и теории случайных функций, адаптированных информационно и технически к фильтрационно-диффузионным и теплооб-менным процессам на различных технологических участках углекислотообиль-ных шахт.

Основные научные положения, защищаемые автором, сформулированы следующим образом:

газовая ситуация в любой точке вентиляционной сети углекислотообильной шахты является следствием нестационарного газообмена между источниками газовыделений и вентиляционным потоком и зависит от соотношения параметров фильтрационно-диффузионного переноса газов в массиве и в шахтном воздухе, а также от внешних воздействий, обусловленных метеорологическими факторами;

изменение атмосферного давления и температуры наружного воздуха, являющееся движущей силой процессов фильтрации и тепломассопереноса, — стохастический процесс, который можно условно считать эргодическим, стационарным, и имеющим периодическую компоненту и достаточно продолжительную связь между лагами.

Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:

Практическая значимость работы заключается в том, что установленные закономерности газовыделений повышают достоверность прогноза газообильности выработок очистных участков углекислотообильных шахт и дают возможность предварительного анализа газовых ситуаций, которые могут возникать при различных технологических решениях и, таким образом, позволяют оценить уровень их безопасности по газовому фактору. Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза газовыделения на очистных участках в угольных шахтах существенно облегчают решение задач газовой динамики. Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза теплопотерь в надшахтных зданиях существенно облегчают решение задач мониторинга расхода тепла.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

положительными результатами промышленной апробации математического

обеспечения задач прогноза газовыделений из выработанных пространств на шах-

тах Восточного Донбасса и в период работы шахт Подмосковного бассейна.

Внедрение результатов исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, реализованные в виде комплекса программных средств, использованы при ретроспективной оценке газовых ситуаций на уг-лекислотообильных шахтах. Закономерности динамики газовых выделений и рекомендации по повышению эффективности энергосбережения на шахтах использованы в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР. Теоретические положения и практические рекомендации прогноза газовыделений из выработанных пространств в периоды снижения атмосферного давления, изложенные в работе, используются в учебных курсах «Аэрология горных предприятий», «Аэрология шахт» и «Безопасность жизнедеятельности» для студентов ТулГУ и в Научно-учебном центре рационального природопользования при освоении минерально-сырьевых ресурсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений Тульского государственного университета (г. Тула, 2000 - 2011 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2000 - 2011 гг.); Международных конференциях по проблемам горной про-

мышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 - 2011 гг.); Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2010 г.), Международной конференции «Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-м международном симпозиуме «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6 статей.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Фильтрационно-диффузионные процессы в углекислотообильных шахтах и моделирование газовыделения в горных выработках

Методы оценки интенсивности фильтрационно-диффузионных процессов в углекислотообильных шахтах для прогноза газовыделений и моделирование газовых ситуаций в горных выработках разрабатываются в течении шести десятилетий. Этой

Информация о работе

Агеев, Илья Игоревич
кандидата технических наук
Тула, 2013
ВАК 25.00.20

Диссертация

Фильтрационно-диффузионные процессы в горных выработках и тепломассоперенос при воздухоподготовке в надшахтных зданиях углекислотообильных шахт - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы