Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Научное обоснование способов повышения надежности вентиляционных сетей подземных рудников

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Научное обоснование способов повышения надежности вентиляционных сетей подземных рудников"

На правах рукописи

Гришин Евгений Леонидович

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПОДЗЕМНЫХ

РУДНИКОВ

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

теплофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С-

Пермь-2013

5 ДЕК 2013

005542241

Работа выполнена в отделе аэрологии и теплофизики Федерального государственного бюджетного учреждения науки (ФГБУН) Горный институт Уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН)

Научный руководитель: Левнп Лев Юрьевич

доктор технических наук,

заместитель директора по научной работе ГИ

УрО РАН (г. Пермь)

Официальные оппопеиты: Качурип Николай Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геотехнологии и строительства подземных сооружений ФГБОУ ВПО «ТулГУ» (г. Тула)

Романова Елена Константиновна

кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН (г. Якутск)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный горный университет (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ГИ УрО РАН по адресу г. Пермь, ул. Сибирская 78-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГИ УрО РАН.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а. Телефон/факс: +7 (342) 216-75-02 E-mail: bba@mi-perm.ru

Ученый секретарь диссертационного //О

совета, к.г.-м.н„ доцент /Л^ . R.A. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время ведение горных работ на многих шахтах и рудниках характеризуется увеличением глубины отработки, протяженностью сети горных выработок, наличием отработанных пространств. Наличие наклонных горных выработок и значительные перепады высотных отметок отрицательно сказываются на надежности функционирования систем вентиляции рудников в связи с образованием в них тепловых депрессий. Расходы воздуха, подаваемого в шахты и рудники, составляют десятки тысяч кубометров в минуту, что при наличии отработанных пространств, значительной протяженности сети выработок и изменении термодинамических параметров воздуха обуславливает низкую эффективность управления вентиляцией.

Исследованиями термодинамических параметров рудничного воздуха и влияния данных параметров на распределение воздуха в сети горных выработок зашшались Щербань А.Н., Кремнев А.О., Воропаев А.Ф., Шувалов Ю.В., Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г. и другие. Среди зарубежных исследователей, занимающихся дайной проблематикой, известны работы авторов M.J. McPherson, Р. Mousset-Jones, H.L. Hartman. Ограниченные возможности вычислительной техники привело к разработке упрощенных способов расчета величины тепловой депрессии в одиночных выработках или для шахты в целом, без учета влияния данных факторов на воздухораспределение в сети. H.H. Мохиревым поставлена и решена задача расчета надежности воздухораспределения, основанная на оценке отклонения расходов воздуха в сети с учетом аэродинамических и геометрических особенностей горных выработок, но данная методика никак не учитывает термодинамические параметры рудничного воздуха.

При проектировании вентиляции и расчетах количества воздуха, требуемого для проветривания рудников в соответствии с требованиями безопасности, оценка величины влияния изменения термодинамических параметров воздуха на функционирование системы вентиляции не производится. Для повышения эффективности работы систем вентиляции, особенно в аварийных режимах, требуется оценка надежности по термодинамическому фактору с целью своевременной разработки мероприятий повышающих надежность управления воздухораспределением.

Связь работы с крупными научными программами п темами

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН, проводившихся в период с 2008 по 2012 гг., по темам «Проблемы энергосбережения при нормализации состава и

теплофизичеосих параметров атмосферы подземных пространств» (№ ГОс. регистрации 01.200.106715) и «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ООО «Институт Гипроникель», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», ЗАО «ВКК».

В 2010 г. Исследования по теме работы были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований: проект № 10-08-96055 «Разработка математических методов моделирования нестационарных

теплогазодинамических процессов, протекающих в рудничных вентиляционных сетях под действием тепловых депрессий».

Целью паботы является разработка способов повышения надежности функционирования систем вентиляции рудников в штатных и аварийных режимах проветривания.

Основная идея работы заключается в использовании критерия надежности вентиляционных сетей по теплофизическому фактору для разработки способов повышения эффективности функционирования систем проветривания рудников.

Основные задачи работы:

1. Провести исследование факторов, влияющих на устойчивость воздухораспределения в вентиляционных сетях, и разработать способ оценки вентиляционных сетей по степени сложности управления воздухораспределением;

2. Разработать критерий надежности функционирования вентиляционных сетей в условиях изменяющихся термодинамических параметров рудничного воздуха;

3. Исследовать источники тепловыделения в вентиляционных сетях и определить функцию плотности тепловыделения для применяемых типов источников теплоты в различных режимах проветривания;

4. Обосновать методику сетевого расчета динамики изменения теплофизических параметров воздуха, позволяющий производить расчеты надежности вентиляционных сетей сложной топологии;

5. Разработать способы повышения надежности функционирования вентиляционных сетей.

Методы исследования предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования влияния тепловых депрессий на воздухораспределение в вентиляционных сетях рудников, математическое моделирование термодинамических процессов в рудничной атмосфере, анализ результатов численных экспериментов.

Основные научпые положения, выносимые на защиту:

1. Критерий надежности функционирования вентиляционных сетей, учитывающий изменение термодинамических параметров рудничного воздуха в результате взаимодействия с источником тепловыделения, и определяющий степень сложности управления воздухораспределением в вентиляционной сети.

2. Методика расчета надежности вентиляционных сетей, базирующаяся на использовании тепловых эквивалентов и функций плотности тепловыделения штатных и аварийных источников теплоты.

3. Способы повышения надежности вентиляционных сетей, заключающиеся в выборе режимов работы главной вентиляторной установки и управлении воздухораспределением в зависимости от степени влияния тепловых депрессий, и обеспечивающие устойчивое движение воздуха в горных выработках.

Научная новизна:

1. Определена зависимость расходов воздуха в вентиляционных сетях при изменении его термодинамических параметров от топологических и аэродинамических характеристик вентиляционной сети, позволяющая производить оценку степени сложности управления воздухораспределением.

2. Построена математическая модель горения на основе известных параметров горючих материалов для расчета тепловой мощности аварийных источников тепловыделения.

3. Предложена классификация источников тепловыделения в вентиляционных сетях рудников по виду функции плотности тепловыделения для численного моделирования штатных и аварийных режимов проветривания.

4. Разработана методика расчета тепловых эквивалентов участков вентиляционных сетей на основе проектных или экспериментальных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается соответствием полученных результатов фундаментальным физическим законам термодинамики и данным других авторов, сопоставимостью результатов аналитических и численных решений, экспериментальными исследованиями в натурных условиях.

Практическое значение п реализация результатов работы Полученные в диссертационной работе результаты позволяют повысить надежность функционирования систем вентиляции рудников с учетом изменения термодинамических параметров рудничного воздуха, разрабатывать

мероприятия по спасению людей в рамках разработки планов ликвидации аварий.

Основные результаты работы использованы при разработке рекомендаций по управлению воздухораспределением в калийных рудниках, при разработке рекомендаций по определению аварийных вентиляционных режимов.

Результаты работы использованы при разработке следующей нормативной документации:

1. Технологический регламент по организации проветривания рудников ОАО «Уралкалий»;

2. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания рудников Старобинского месторождения;

3. Методика организации проветривания и расчета количества воздуха, необходимого для проветривания рудника Талицкого ГОКа ЗАО «ВКК». На основании полученных результатов исследований усовершенствован

программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», модуль «Электронный план ликвидации аварий». Разработан модуль «Электронный расчет количества воздуха и вентиляционный журнал». Указанные программные продукты централизовано развернуты на предприятиях ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» для использования специалистами предприятий.

Результаты работы вошли в рабочую программу дисциплины «Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело» кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых ФГБУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет". Апробация работы

Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2007-2013 гг.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2007-2008, 2010-2011 гг.), на XIX Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 2009 г.), на всероссийской научной конференции «Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых» (Пермь, 2007 г.), на Всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2009, 2011-2012 гг.) на технических советах в ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», НШУ «Яреганефть». Личный вклад автора

При непосредственном участии автора проведена постановка задачи, разработка математических моделей, экспериментальные исследования в

6

шахтных условиях, анализ и обработка полученных данных, теоретические исследования и создание программных продуктов, выполнение расчетов и проведение численных экспериментов, разработка научных решений и их практическая реализация, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 19 работ, в том числе 9 - в изданиях из списка ВАК, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 20 таблиц. Список использованных источников состоит из 138 наименований, в том числе 13 зарубежных.

I научное положение:

Критерий надежности функционирования вентиляционных сетей, учитывающий изменение термодинамических параметров рудничного воздуха в результате взаимодействия с источником тепловыделения, и определяющий степень сложности управления воздухораспределением в вентиляционной сети.

Для вентиляционных сетей сложность управления воздухораспределишем зависит от аэродинамических и топологических параметров вентиляционных сетей. Также на сложность управления воздухораспределением влияет изменение термодинамических параметров воздуха.

В результате воздействия источников тепловыделения на отдельных участках вентиляционной сети происходит изменение термодинамических параметров воздуха, выражающееся в изменении расходов воздуха. Расчет надежности воздухораспределения заключается в определении величин изменения расходов воздуха на участках действия тепловых депрессий. При решении данной задачи получен критерий надежности для участка действия тепловой депрессии, определяющийся выражением:

где Ищу - депрессия участка, создаваемая главной вентиляторной установкой (ПЗУ) (Па); О - расход воздуха на участке действия тепловой депрессии (м3/с); Гф. -температура воздуха до взаимодействия с источником

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1),

выделения теплоты (К); - мощности источника теплоты (Вт); № - перепад высотных отметок участка тепловой депрессии (м); р - плотность воздуха до взаимодействия с источником тепловыделения (кг/м3); д - ускорение свободного падения (м/с2); с -теплоемкость воздуха (Дж/(кг К)), С -коэффициент, выражающий отношение величины тепловой депрессии на рассматриваемом участке к тепловой депрессии в контуре.

Величина критерия надежности связана с величиной изменения расхода воздуха следующей зависимостью:

1/1 = 2Г~

где Кт - изменение расхода воздуха в долях от начального.

На основании зависимости (1) производится оценка топологических и аэродинамических параметров вентиляционных сетей и определяется величина сложности управления воздухорапределением. Она заключается в определении значения параметра ^ при различных В работе произведена оценка

сложности управления воздухораспределением для проектируемых участков калийных и полиметаллических рудников, а также - для нефтяных шахт. Результаты расчетов надежности воздухораспределения, позволяющие определить степень сложности управления воздухораспределением на основании аэродинамических и топологических параметров вентиляционных сетей данных шахт и рудников, представлены на рисунке 1.

нгву/дг

УУ, МВт

Изменение расхода 210% 30-50%! 1 ~ Калийный 1—"—1 Нефтяная ' ■■ ' рудник 1—-—' шахта Полиметаллический

воздуха 10-30% г 50% рудник

Рисунок 1. Оценка сложности управления воздухораспределением в вентиляционных сетях шахт и рудников при влиянии тепловых депрессий в штатных (слева) и аварийных (справа) режимах проветривания.

Расчеты производились для штатных и аварийных режимов проветривания, соответственно изменялся диапазон мощности источников тепловыделения. В аварийном режиме проветривания удовлетворительной надежностью воздухораспределения характеризуются рудники с показателем

пгву ^ « «

вычисленным для главных выраооток, и лежащим выше кривои в правой

части рисунка, при котором обеспечивается изменение расхода воздуха не более 40% от начального. В штатных режимах проветривания сложность управления воздухораспределением определяется величиной изменения расходов воздуха.

Разработанный критерий надежности функционирования вентиляционных сетей позволяет производить оценку степени сложности управления воздухораспределением в рудничных вентиляционных сетях при наличии источников тепловых депрессии в зависимости от их аэродинамических и топологических параметров. На основании данных о степени сложности управления воздухораспределением производится расчет параметров мероприятий, повышающих надежность вентиляционной сети.

II научное положение;

Методика расчета падежпости вентиляционных сетей, базирующаяся на использовании тепловых эквивалентов и функции плотности тепловыделения штатных и аварийных источников теплоты.

Для расчета параметров мероприятий по повышению надежности вентиляционных сетей разработаны математические модели источников тепловыделения.

Моделирование аварийных источников тепловыделения производится с использованием двумерной модели гореш!я на основе пожарных свойств материалов. Численные значения входящих в модель величин определяются в соответствии с типом горючего материала на основании данных, представленных в справочниках по пожарному делу.

В общем случае в шахтных условиях реализуется два механизма горения: 1. Горение в условиях избытка кислорода описывается следующей зависимостью:

где за время / с начала возгорания образуется некоторый сгоревший объём вещества V, Г}/ - линейная скорость распространения пламени по поверхности, Ус - скорость сгорания материала, Б - ширина горящего объекта (м), А -толщина горящего объекта (м).

Для поддержания процесса горения поступление кислорода в выработку

должно быть не меньше, чем его поглощение, т.е. где £>- объем

Л

подаваемого воздуха (м3/с), ц - кислородный индекс (КИ), </> — - поглощение

с

(3),

л

кислорода участком горения в единицу времени (м3/с), <р - объёмное поглощение кислорода при горении (м3/м3).

2. Горение в условиях дефицита кислорода. В момент времени т<к/У(

с

dV

поглощение кислорода сравнивается с его поступлением t]Q = ср— и

dt ,=г'

процесс горения переходит в стационарный режим:

dV _ \i V1VcDt, при t<r [VjVçDt, при t>r

Линейная скорость распространения пламени по поверхности с момента г

начнет уменьшаться обратно пропорционально времени V., = . Выход на

<pVcDt

пО

стационарный режим F, произойдет в момент t'-h/ Vr.

<pDh

Выделение теплоты в единицу времени будет равно ./ — (Дж/с), где J -

dt

объёмная теплота сгорания (Дж/м3).

Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать мощность тепловыделения аварийных источников.

Обобщение моделей тепловыделения производится в соответствии с разработанной классификацией источников тепловыделения по виду функции плотаости тепловыделения. Классификация представлена на рисунке 2.

по мощности по изменчивости по характеру

тепловыделения по размеру во времени теплообмена

Рисунок 2. Классификация источников выделения теплоты по виду функции

плотности тепловыделения

Полученные функции плотности тепловыделения позволяют производить моделирование источников выделения теплоты при численных расчетах надежности вентиляционных сетей. Для расчетов используется модуль теплогазодинамического расчета программно-вычислительного комплекса (ПВК) "АэроСеть". Моделирование источников тепловыделения в модуле

Теплофизическое подобие заключается в определении площади теплообмена воздуха и породного массива, для чего необходимо вычислить произведение периметра Р (м) на длину участка-эквивалента:

где Т0 и Ть. - температуры воздуха в начале и в конце заменяемого участка вентиляционной сети (К); Т„. - температура массива горных пород (К); р -плотность (кг/м3), с -теплоемкость (Дж/(кг К)), О - расход (м3/с) воздуха, а -коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2-К)). Переменные, входящие в правую часть выражения (6), могут быть непосредственно определены в ходе натурных замеров, либо заданы при проектировании.

Способ расчета надежности с использованием тепловых эквивалентов в совокупности с алгоритмом моделирования источников выделения теплоты позволяют производить расчеты параметров способов повышения надежности вентиляционных сетей.

Шнаучное положение: Способы повышения надежности вентиляционных сетей, заключающиеся в выборе режимов работы главной вентиляторной установки и управлении воздухораспределением в зависимости от степени влияния тепловых депрессий, и обеспечивающие устойчивое движение воздуха в горных выработках.

Разработка способов проведена на основании данных о степени сложности управления воздухораспределением в вентиляционной сети, полученных при помощи выражений (1) и (2). Рассмотрены следующие способы повышения надежности:

- использование коэффициента неравномерности по руднику;

- использование коэффициентов запаса по термодинамическому фактору для участков вентиляционной сети;

- применение средств автоматического управления проветриванием.

В вентиляционной сети определяются потребители, в которых в результате воздействия источников выделения теплоты происходит изменение расхода

(6),

(САУП).

распределяется на участки с неустойчивым движением воздуха и увеличивает депрессию данных участков, создаваемую за счет работы ГВУ. Схема работы САУП по повышению надежности вентиляционных сетей представлена на рисунке 5.

Алгоритм управления проветриваннем

Рециркуляционные системы Система автоматического управления ГВУ Средства отрицательного регулирования

""'Ф-На Увеличение депрессии ГВУ ^

Создание резерва производительности ГВУ Перераспределение депрессии ГВУ на требуемые участки

Рисунок 5. Увеличение надежности вентиляционной сети при использовании САУП Эффективность данного способа повышения надежности управления воздухораспределением оценена при численном моделировании работы действующей системы САУП рудника 3 РУ ОАО «Беларуськалий».

При моделировании рассчитана величина увеличения депрессии на участке вентиляционной сети при использовании САУП, которая напрямую определяет надежность вентиляционной сети. Результаты моделирования представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты моделирования работы САУП для участков вентиляционной сети рудника 3 РУ ОАО «Беларуськалий»__

Депрессия участка Депрессия участка Отно-

Участок вентиляционной сети без применения с применением шение

САУП, Па САУП, Па депрессий

Северное крыло гор. -420 м 306 685 2,2

Южное крыло гор. -420 VI 481 701 1,5

Восточное направление гор. -420 м 475 1943 4,1

Северное крыло гор. -620 м 350 544 1,5

Южное крыло гор. -620 м 353 1154 3,3

Восточное направление гор. -620 м 350 954 2,7

В случае, когда изменение воздухораспределения для участков вентиляционной сети превышает 50% от начальных расходов воздуха необходимо одновременное использование САУП с разработкой коэффициентов запаса для участков вентиляционной сети и расчет коэффициента неравномерности по руднику.

На основании проведенных исследований работы САУП для калийных рудников произведено дифференцирование коэффициентов неравномерности

воздухораспределения к1ЩЪ в зависимости от типа применяемой САУП, значения которых представлены в таблице 4.

Таблица 4. Коэффициенты неравномерности воздухораспределения для калийных рудников при работе САУП.___

Тин САУП ^нер

Отсутствии средств автоматического регулирования распределением воздуха и производительностью ГВУ 1,25

Автоматического регулирование производительности ГВУ 1,2

Автоматического регулирования распределения воздуха в руднике и производительности ГВУ 1,1

Коэффициент неравномерности, равный 1,2, принят для систем автоматического управления производительностью ГВУ, когда непосредственно в руднике не имеется средств САУП. Данный коэффициент используется с учетом возможности корректировки производительности ГВУ при изменении суточных и сезонных термодинамических параметров подаваемого в шахту воздуха.

На основании анализа эффективности разработанные способы дифференцированы для вентиляционных сетей с различной степенью сложности управления воздухораспределением в соответствии с таблицей 5.

Таблица 5. Способы повышения надежности вентиляционных сетей, дифференцированные по степенн сложности управления воздухораспределением_

Способы повышения надежности Изменение расхода воздуха

< 10 % 10-30 % 30-50 % >50 %

Использование коэффициента неравномерности по руднику + +

Использование коэффициентов запаса по термодинамическому фактору для участков вентиляционной сети + +

Применение средств автоматического управления проветриванием. (САУП) + + + +

Применение САУП является универсальным методом увеличения надежности, однако требует высоких капитальных вложений.

Разработанные способы повышения надежности вентиляционной сети являются эффективными в штатных и аварийных режимах проветривания рудников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение актуальной задачи разработки научно-обоснованных способов повышения надежности вентиляционных сетей рудников в штатных и аварийных режимах проветривания, что имеет существенное значение для повышения безопасности ведения горных работ.

Основные научные результаты:

1. Проведены исследования влияния аэродинамических свойств потоков рудничного воздуха и топологических параметров участков вентиляционных сетей, в которых расположены источники выделения теплоты на изменение воздухораспределения в рабочих зонах калийных рудников, полиметаллических рудников и нефтяных шахт.

2. Разработана математическая модель изменения расходов воздуха на участках действия тепловой депрессии с учетом аэродинамических и топологических особенностей участков вентиляционных сетей, а также -параметров источника тепловыделения.

3. На основании модели расчета изменения расходов воздуха разработан критерий надежности вентиляционных сетей по теплофизическому фактору, позволяющий производить оценку степени сложности управления воздухораспределением в рудничных вентиляционных сетях.

4. Разработана модель горения на основании пожарных свойств твердых горючих материалов, учитывающая изменение содержания кислорода в горных выработках и конечный объем горючего материала, и позволяющая рассчитывать параметры тепловыделения в условиях рудничного пожара.

5. Разработана классификация известных источников выделения теплоты в рудничных вентиляционных сетях по виду функции плотности тепловыделения, включающая тепловыделение в условиях рудничных пожаров, и позволяющая моделировать рассматриваемые источники в процессе численных расчетов надежности вентиляционных сетей.

6. Получены зависимости и разработан алгоритм расчета тепловых эквивалентов участков эксплуатируемых вентиляционных сетей, позволяющий производить численное моделирование и расчет влияния источников тепловыделения на воздухораспределение в рудниках.

7. Разработаны способы повышения надежности вентиляционных сетей по теплофизическому фактору с учетом топологических и аэродинамических особенностей участков формирования тепловых депрессий на основе численного моделирования теплового режима на тепловых моделях рудников с использованием тепловых эквивалентов.

8. Рассчитаны параметры способов повышения надежности для условий нефтешахты НШ-1 НШУ «Яреганефть» ООО «Лукойл-Коми», рудников БКПРУ-2 и БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий», рудника 3 РУ ОАО «Беларуськалий», полиметаллического рудника «Скалистый» рудоуправления «Комсомольское» ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» с учетом проектируемых к отработке горных участков.

Левин, Е.Л. Гришин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -МГГУ, 2013, №12. - С. 174-178.

б) патенты

10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «План ликвидации аварий». Роспатент, № 2011616768 / Гришин Е.Л., Казаков Б.П., Кашников A.B., Киряков A.C., Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Шалимов A.B.

в) публикации в других изданиях

11. Гришин Е.Л. Расчет аварийных вентиляционных режимов в рудниках при подземных пожарах / Е.Л. Гришин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2008 г. - Пермь, 2009. - С. 210-212.

12. Гришин Е.Л. Устойчивость аварийного вентиляционного режима в подземных рудниках при пожарах / Е.Л. Гришин, A.B. Шалимов // Материалы XIX Международной научной школы Им. Академика С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках». - Симферополь, 2009. - С. 325-327.

13. Красноштейн А.Е. Разработка математической модели теплофизических процессов сопряженного тепломассообмена между рудничным воздухом и горным массивом для вентиляционных сетей сложной топологии / А.Е. Красноштейн , Б.П. Казаков, A.B. Шалимов, Е.Л. Гришин // Региональный конкурс РФФИ-Урал. « Результаты научных исследований полученных за 2007-2009 гг.». Сборник статей РФФИ. - Пермь-Екатеринбург, 2010. - С. 171-173.

14. Гришин Е.Л. Влияние тепловых источников на надежность воздухораспределения по выработкам рудников / Е.Л. Гришин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2009 г. - Пермь, 2010. - С. 191193.

15. Казаков Б.П. Моделирование нестационарных процессов движения воздуха и переноса тепла и примесей по выработкам рудничных вентиляционных сетей в программном комплексе «АэроСеть» / Б.П. Казаков, A.B. Шалимов, Е.Л. Гришин // Известия ТулГУ. - Тула, 2010, №2. - С. 64-68.

16. Гришин Е.Л. Расчет тепловых депрессий в условиях сложных вентиляционных сетей методом замены участков сети эквивалентами / Е.Л. Гришин // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн.

научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2010 г. -Пермь,2011.-С. 221-223.

17. Зайцев A.B. Структурно-классификационный анализ аэрологических методов расчета для условий различных рудников Z A.B. Зайцев, Е.Л. Гришин II Научные исследования и инновации. - Пермь, 2011, том 5, №2. -С. 133-135.

18. Гришин Е.Л. Классификация тепловых источников по степени влияния на надежность воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях Z Е.Л. Гришин, A.B. Зайцев ZZ Научные исследования и инновации. - Пермь, 2011,том 5,№2.-С. 156-158.

19. Гришин Е.Л. Исследование устойчивости вентиляционных потоков в выработках рудников для оценки надежности вентиляционных сетей Z Е.Л. Гришин И Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2011 г.Пермь, 2012.-С. 261-263.

20. Гришин Е.Л. Исследование эффективности проветривания рудника Гайского горно-обогатительного комбината с использованием существующих схем проветривания, вентиляционных установок Z Е.Л. Гришин, Л.Л. Новоселицкая II Вестник ПНИПУ. Геология, нефтегазовое и горное дело. - Пермь, 2012. - С. 105-108.

Сдано в печать 25 ноября 2013 г. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз.

Отпечатано сектором НТИ ГИУрОРАН 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гришин, Евгений Леонидович, Пермь

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПОДЗЕМНЫХ

РУДНИКОВ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Гришин Евгений Леонидович

Научный руководитель: доктор технических наук Левин Лев Юрьевич

Пермь 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................12

1.1. Расчет устойчивости вентиляционных потоков....................................12

1.2. Источники тепловыделения в штатных режимах проветривания.......18

1.3. Аварийные источники тепловыделения - процесс горения.................22

1.4. Процесс теплообмена рудничного воздуха с массивом пород. Сетевая задача теплораспределения..............................................................................25

1.5. Цели и задачи исследования....................................................................35

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ НАДЕЖНОСТИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПО СТЕПЕНИ СЛОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ............................................37

2.1. Разработка критерия надежности систем вентиляции по

теплофизическому фактору..............................................................................37

2.2. Исследование надежности воздухораспределения в вентиляционных сетях при наличии источников тепловыделения...........................................44

2.2.1. Исследование геометрических параметров топологии вентиляционных сетей с действующими источниками тепловыделения.......49

2.2.2. Исследование аэродинамических параметров участков вентиляционных сетей с действующими источниками тепловыделения.......53

2.3. Классификация вентиляционных сетей по степени сложности управления воздухораспределением...............................................................57

2.4. Выводы по главе.......................................................................................61

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЯХ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО ВИДА ФУНКЦИИ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ...........................................63

3.1. Исследование техногенных источников тепловыделения....................64

3.2. Исследование источников тепловыделения в условиях рудничных аварий.................................................................................................................71

3.3. Определение функции плотности тепловыделения..............................80

3.4. Выводы по главе.......................................................................................83

4. РАЗРАБОТКА СЕТЕВОГО МЕТОДА РАЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ...........................................................................85

4.1. Разработка метода тепловых эквивалентов............................................85

4.2. Расчет параметров тепловых эквивалентов...........................................91

4.3. Разработка сетевого способа расчета надежности в рамках теплогазодинамического расчета в ПВК «АэроСеть»..................................93

4.4. Расчет надежности вентиляционной сети с использованием сетевого метода.................................................................................................................97

4.5. Выводы по главе.....................................................................................102

5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ.........................................................................104

5.1. Способ расчета коэффициентов запаса воздуха по

термодинамическому фактору для участков вентиляционных сетей.......104

5.2. Учет теплофизических факторов при проектировании вентиляционных сетей....................................................................................107

5.3. Применение средств автоматического управления проветриванием шахт и рудников и расчет коэффициентов неравномерности....................109

5.4. Расчет и использование коэффициента неравномерности по руднику.............................................................................................................111

5.5. Выводы по главе.....................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................117

Список литературы.............................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время ведение горных работ на многих шахтах и рудниках характеризуется увеличением глубины отработки, протяженностью сети горных выработок, наличием отработанных пространств. В зависимости от условий залегания полезного ископаемого и выбранных систем разработки, вскрытия и подготовки запасов в шахтах присутствует то или иное количество наклонных выработок. Наличие наклонных горных выработок и значительные перепады высотных отметок отрицательно сказываются на надежности функционирования систем вентиляции рудников в связи с образованием в них тепловых депрессий. Расходы воздуха, подаваемого в шахты и рудники, составляют десятки тысяч кубометров в минуту, что при наличии отработанных пространств, значительной протяженности сети выработок и изменении теплофизических параметров воздуха обуславливает низкую эффективность управления вентиляцией.

Увеличение производственных мощностей в значительной степени увеличивает степень механизации горных работ. Электрические машины и механизмы, которые зачастую сконцентрированы в определенных местах сети горных выработок, представляют собой источники тепловыделений различной интенсивности.

В шахтах и рудниках присутствуют аварийные источники тепловыделения. Ленточные конвейера, электрооборудование, крепи и полезное ископаемое представляют опасность с точки зрения возможности их возгорания, при котором интенсивность выделения теплоты увеличивается на несколько порядков. Для ликвидации пожаров требуется управляемый вентиляционный режим, который обеспечивается высокой надежностью функционирования вентиляционной сети. Устойчивость вентиляционных потоков также необходима для обеспечения безопасного вывода людей с аварийных участков.

В настоящее время расчет устойчивости аварийной вентиляции является обязательным мероприятием при разработке планов ликвидации аварий для угольных месторождений, разрабатываемых подземным способом [39]. Каждый из применяемых в ПЛА режимов проветривания должен быть предварительно обсчитан, в том числе на устойчивость, с использованием ЭВМ и проверен в ходе реверсирования [72].

Таким образом, для создания безопасных условий отработки полезных ископаемых возникает необходимость оценки надежности вентиляционных сетей. В рудничной вентиляции понятием надежность функционирования вентиляционных сетей или надежность воздухораспределения оценивается степень отклонения реального распределения воздуха от требуемого, необходимого по нормам безопасности, или же в случае одной горной выработки - соответствие реального расхода воздуха и направления его движения необходимому, в зависимости от функционального назначения той или иной горной выработки.

В отделе аэрологии и теплофизики ГИ УрО РАН разработан и программно реализован расчет устойчивости воздухораспределения в вентиляционной сети, позволяющий судить о надежности ее функционирования. За основу алгоритма взят предложенный H.H. Мохиревым [75] метод расчета отклонения реальных расходов воздуха в вентиляционной сети от предусмотренных проектом. Причиной подобных отклонений служат неточности в геометрии шахтной вентиляционной сети, которая неизменно возникает при переходе от проектных решений к действительной вентиляционной сети и вызывает отклонения аэродинамических сопротивлений реальных горных выработок относительно проектируемых. Данный расчет востребован в процессе прохождения проектами отработки запасов государственной экспертизы промышленной безопасности. Однако данный расчет устойчивости оценивает исключительно аэродинамические свойства горных выработок. Устойчивость же воздушных потоков с учетом современных условий ведения горных работ

определяется тепло физическими параметрами шахтного воздуха, что особенно сильно сказывается на проветривании негоризонтальных выработок, в которых происходит возникновение тепловых депрессий [2,85]. Для некоторых шахт и рудников влияние тепловых депрессий на воздухораспределение даже в неаварийном режиме вентиляции настолько велико, что является одной из причин образования так называемых трудно проветриваемых зон [1,73,74].

Если тепловая депрессия превышает депрессию, создаваемую вентилятором в данной выработке, может произойти изменение направления вентиляционной струи не только в наклонной, но и в примыкающих к ней выработках [89].

При проектировании вентиляции и расчетах количества воздуха требуемого для проветривания шахт и рудников в соответствии с требованиями безопасности оценка величины влияния изменения термодинамических параметров воздуха на функционирование системы вентиляции не производится. Единственный механизм, имеющийся в настоящее время для учета влияния тепловых депрессий на воздухораспределение - это так называемый коэффициент запаса воздуха, учитывающий неравномерность его воздухораспределения в вентиляционной сети. Однако, данный коэффициент не отражает физической сути тепловых депрессий, и к тому же - используется не на всех шахтах и рудниках.

Таким образом, для повышения эффективности работы систем вентиляции, особенно в аварийных режимах, требуется оценка их надежности по термодинамическому фактору с целью своевременной разработки мероприятий, повышающих надежность управления воз духораспределением.

Связь работы с крупными научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ГИ УрО РАН, проводившихся в период с 2008 по 2012 гг., по темам «Проблемы энергосбережения при нормализации состава и

теплофизических параметров атмосферы подземных пространств» (№ гос. регистрации 01.200.106715) и «Моделирование и управление параметрами аэротермодинамических процессов при освоении месторождений минерального сырья» (№ гос. регистрации 01.201.350099), а также с тематикой хоздоговорных работ с ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ООО «Институт Гипроникель», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель», ЗАО «ВКК».

В 2010 г. Исследования по теме работы были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований: проект № 10-08-96055 «Разработка математических методов моделирования нестационарных

теплогазодинамических процессов, протекающих в рудничных вентиляционных сетях под действием тепловых депрессий».

Целью работы является разработка способов повышения надежности функционирования систем вентиляции рудников в штатных и аварийных режимах проветривания.

Основная идея работы заключается в использовании критерия надежности вентиляционных сетей по тепло физическому фактору для разработки способов повышения эффективности функционирования систем проветривания рудников.

Основные задачи исследования:

- Провести исследование факторов, влияющих на устойчивость воздухораспределения в вентиляционных сетях, и разработать способ оценки вентиляционных сетей по степени сложности управления воздухораспределением;

- Разработать критерий надежности функционирования вентиляционных сетей в условиях изменяющихся термодинамических параметров рудничного воздуха;

- Исследовать источники тепловыделения в вентиляционных сетях и определить функцию плотности тепловыделения для применяемых типов источников теплоты в различных режимах проветривания;

- Обосновать методику сетевого расчета динамики изменения теплофизических параметров воздуха, позволяющую производить расчеты надежности вентиляционных сетей сложной топологии;

- Разработать способы повышения надежности функционирования вентиляционных сетей.

Методы исследования предусматривали комплексный подход к решению поставленных задач и включали анализ и обобщение научного и практического опыта, натурные исследования влияния тепловых депрессий на воздухораспределение в вентиляционных сетях рудников, математическое моделирование термодинамических процессов в рудничной атмосфере, анализ результатов численных экспериментов.

Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Критерий надежности функционирования вентиляционных сетей, учитывающий изменение термодинамических параметров рудничного воздуха в результате взаимодействия с источником тепловыделения, и определяющий степень сложности управления воздухораспределением в вентиляционной сети.

2. Методика расчета надежности вентиляционных сетей, базирующаяся на использовании тепловых эквивалентов и функций плотности тепловыделения штатных и аварийных источников теплоты.

3. Способы повышения надежности вентиляционных сетей, заключающиеся в выборе режимов работы главной вентиляторной установки и управлении воздухораспределением в зависимости от степени влияния тепловых депрессий, и обеспечивающие устойчивое движение воздуха в горных выработках.

Научная новизна:

1. Определена зависимость расходов воздуха в вентиляционных сетях при изменении его термодинамических параметров от топологических и аэродинамических характеристик вентиляционной сети, позволяющая

производить оценку степени сложности управления воздухораспределением.

2. Построена математическая модель горения на основе известных параметров горючих материалов для расчета тепловой мощности аварийных источников тепловыделения.

3. Предложена классификация источников тепловыделения в вентиляционных сетях рудников по виду функции плотности тепловыделения для численного моделирования штатных и аварийных режимов проветривания.

4. Разработана методика расчета тепловых эквивалентов участков вентиляционных сетей на основе проектных или экспериментальных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается соответствием полученных результатов фундаментальным физическим законам термодинамики и данным других авторов, сопоставимостью результатов аналитических и численных решений, экспериментальными исследованиями в натурных условиях.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют повысить надежность функционирования систем вентиляции рудников с учетом изменения термодинамических параметров рудничного воздуха, разрабатывать мероприятия по спасению людей в рамках разработки планов ликвидации аварий.

Основные результаты работы использованы при разработке рекомендаций по управлению воздухораспределением в калийных рудниках, при разработке рекомендаций по определению аварийных вентиляционных режимов.

Результаты работы использованы при разработке следующей нормативной документации:

1. Технологический регламент по организации проветривания рудников ОАО «Уралкалий»;

2. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания рудников Старобинского месторождения;

3. Методика организации проветривания и расчета количества воздуха, необходимого для проветривания рудника Талицкого ГОКа ЗАО «ВКК».

На основании полученных результатов исследований усовершенствован программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», модуль «Электронный план ликвидации аварий». Разработан модуль «Электронный расчет количества воздуха и вентиляционный журнал». Указанные программные продукты централизовано развернуты на предприятиях ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», ОАО «Лукойл-Коми», ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель» для использования специалистами предприятий.

Результаты работы вошли в рабочую программу дисциплины «Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело» кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых ФГБУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет".

Апробация работы.

Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 2007-2013 гг.), на международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2007-2008, 2010-2011 гг.), на XIX Международной научной школе им. академика С.А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках» (Симферополь, 2009 г.), на всероссийской научной конференции «Проблемы рудничной аэрологии и безопасной разработки месторождений полезных ископаемых» (Пермь, 2007 г.), на Всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело»

(Пермь, 2009, 2011-2012 гг.) на технических советах в ОАО «Уралкалий», ОАО «Беларуськалий», НШУ «Яреганефть».

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора проведена постановка задачи, разработка математических моделей, экспериментальные исследования в шахтных условиях, анализ и обработка полученных данн