книги / Методы математического моделирования рудничных аэрологических процессов и их численная реализация в аналитическом комплексе Аэросеть
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
МЕТОДЫМАТЕМАТИЧЕСКОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ РУДНИЧНЫХАЭРОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ ИИХЧИСЛЕННАЯРЕАЛИЗАЦИЯВАНАЛИТИЧЕСКОМ
КОМПЛЕКСЕ«АЭРОСЕТЬ»
Монография
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2021
Авторы: Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин, А.В. Шалимов, А.В. Зайцев, М.А. Сёмин
УДК 622.41/.46:519.87-047.58 М545
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией геотехнологических процессов и рудничной газодинамики С.С. Андрейко (Пермский федеральный исследовательский центр УрО РАН);
д-р техн. наук, профессор кафедры «Безопасность и экология горного производства» С.С. Кобылкин (Горный институт Национального исследовательского технологического университета “МИСиС”)
М545 Методы математического моделирования рудничных аэрологических процессов и их численная реализация в аналитическом комплексе «Аэросеть» : монография / Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин, А.В. Шалимов, А.В. Зайцев, М.А. Сёмин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2021. – 375 с. ISBN 978-5-398-02595-8
В монографии изложены основные направления развития методов математического моделирования рудничных аэрологических процессов. Рассмотрены наиболее значимые вопросы рудничной аэрологии и теплофизики, связанные с энерго- и ресурсосберегающим проветриванием, нормализацией микроклиматических условий, недопущением аварийных ситуаций и разработкой мероприятий по ликвидации аварий в случае их возникновения. Представлены возможности многофакторного численного прогнозирования протекания аэрологических процессов в специализированном аналитическом комплексе «АэроСеть», объединившем разработанные модели в единую вычислительную среду. Книга предназначена для сотрудников производственных предприятий, научно-исследователь- ских и проектных институтов горного профиля, а также для студентов, обучающихся по горным специальностям.
|
УДК 622.41/.46:519.87-047.58 |
ISBN 978-5-398-02595-8 |
© ПНИПУ, 2021 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.............................................. |
7 |
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. |
8 |
ГЛАВА 1. РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ |
|
ВОЗДУХА В СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК..................................................... |
10 |
1.1. Метод последовательных приближений............................................... |
10 |
1.2. Метод контурных расходов..................................................................... |
11 |
1.3. Метод узловых давлений......................................................................... |
12 |
1.4. Метод глобального градиента................................................................. |
14 |
1.5. Сравнительный анализ сходимости и областей применимости |
|
методов на вентиляционных сетях различной сложности......................... |
15 |
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ |
|
И ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОВЕТРИВАНИЕ РУДНИКОВ........... |
20 |
2.1. Потери депрессии на сопряжениях горных выработок....................... |
20 |
2.1.1. Корректировка расчетных формул алгоритма метода |
|
контурных расходов, определяющих его сходимость......................... |
23 |
2.1.2.ВерификациямоделивпрограммномкомплексеSolidWorks..... |
24 |
2.1.3. Анализ влияния сопротивлений сопряжений выработок |
|
на проветривание разных рудников....................................................... |
25 |
2.2. Влияние естественной тяги и тепловых депрессий |
|
на воздухораспределение................................................................................ |
28 |
2.2.1. Распределение плотности воздуха по глубине |
|
рудничных стволов................................................................................ |
30 |
2.2.2. Представление тепловых депрессий в виде совокупности |
|
рассредоточенных по длине выработок источников тяги................... |
35 |
2.3. Моделирование работы эжектирующих источников тяги.................. |
41 |
2.3.1. Анализ существующих методов расчета эффективности |
|
работы эжекторных установок в рудничных |
|
вентиляционных сетях............................................................................. |
42 |
2.3.2. Особенности моделирования процесса эжектирования |
|
воздуха на базе законов сохранения энергии |
|
и количества движения..................................................................... |
47 |
2.3.3. Влияние проницаемости перемычки камеры смешения |
|
на эффективность работы эжекторной установки................................ |
53 |
2.3.4. Эжектирование воздуха горячим паром...................................... |
58 |
3
2.4. Рециркуляционное проветривание с использованием |
|
эжекторных установок.................................................................................... |
61 |
2.4.1. Рециркуляционное проветривание при наличии |
|
рассредоточенных утечек воздуха.......................................................... |
65 |
2.4.2. Проветривание выработок большого сечения с помощью |
|
вентиляторных установок, работающих без перемычки..................... |
74 |
2.4.3. Прогнозирование условий возникновения |
|
недопустимой рециркуляции.................................................................. |
83 |
2.5. Проветривание тупиковых выработок................................................... |
85 |
2.5.1. Использование кинетической энергии |
|
вентиляционных струй............................................................................. |
85 |
2.5.2. Адвективное движение воздуха по выработке........................... |
91 |
2.5.3. Проветривание тупиковой выработки с использованием |
|
части исходящей струи............................................................................ |
95 |
ГЛАВА 3. ОБРАТНЫЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ................................. |
98 |
3.1. Обработка результатов воздушно-депрессионных съемок................. |
99 |
3.1.1. Алгоритм выбора данных воздушно-депрессионных |
|
съемок, определяющих существование и единственность |
|
решения обратной задачи воздухораспределения................................ |
99 |
3.1.2. Алгоритм распределения расходов по выработкам |
|
в условиях дефицита данных................................................................ |
106 |
3.2. Задачи оптимизации энергопотребления |
|
и управления вентиляцией.................................................................... |
108 |
3.2.1. Алгоритм оптимизации проветривания средствами |
|
отрицательного регулирования............................................................. |
109 |
3.2.2. Минимизация энергопотребления главной |
|
вентиляционной установкой................................................................. |
115 |
3.2.3. Проектирование систем автоматического управления |
|
проветриванием в реальном времени................................................... |
118 |
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОГО |
|
ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ............................................................................ |
124 |
4.1. Решение уравнений движения воздуха методом характеристик |
|
в приближении гидравлического удара...................................................... |
124 |
4.2. Моделирование инерционности воздушных потоков |
|
в квазистационарном приближении............................................................ |
133 |
4.3. Учет сжимаемости воздуха в выработанных |
|
пространствах рудника..................................................................... |
138 |
ГЛАВА 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ |
|
ПО ВЫРАБОТКАМ РУДНИЧНОЙ СЕТИ........................................................ |
146 |
5.1. Численное моделирование процессов переноса газовых |
|
примесей и пыли на основе модели идеального вытеснения.................. |
146 |
4
5.2. Динамика газовой обстановки в руднике при использовании |
|
рециркуляционных источников тяги .......................................................... |
150 |
5.3. Перенос и осаждение пыли в горных выработках............................. |
156 |
5.3.1. Процессы пылеподавления в транспортных выработках........ |
157 |
5.3.2. Обеспыливание вентиляционного воздуха увлажнением....... |
161 |
ГЛАВА 6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ.................................................. |
165 |
6.1. Задача теплообмена рудничного воздуха с породным |
|
массивом в сопряженной постановке.......................................................... |
166 |
6.1.1. Получение аналитического решения задачи |
|
теплообмена на основе преобразований Лапласа............................... |
171 |
6.1.2. Приближение малых времен теплообмена................................ |
178 |
6.2. Моделирование изменений температуры рудничного воздуха |
|
с помощью коэффициента нестационарного теплообмена...................... |
192 |
6.3. Устойчивость проветривания горных выработок |
|
по тепловому фактору................................................................................ |
195 |
6.3.1. Устойчивость проветривания рудников естественной |
|
тягой после аварийного отключения источника тяги........................ |
195 |
6.3.2. Опрокидывание воздушных потоков под действием |
|
пожарных депрессий.............................................................................. |
204 |
6.3.3. Расслоение конвективных потоков по сечению |
|
горных выработок................................................................................... |
206 |
6.3.4. Численное моделирование конвективного движения |
|
воздуха в стволах.................................................................................... |
211 |
ГЛАВА 7. ИСПАРЕНИЕ, КОНДЕНСАЦИЯ И ПЕРЕНОС ВЛАГИ |
|
ПО ГОРНЫМ ВЫРАБОТКАМ............................................................................ |
214 |
7.1. Влияние процессов испарения и конденсации влаги |
|
на тепловой режим глубоких рудников...................................................... |
214 |
7.2. Миграция конденсационных рассолов в выработках |
|
калийных рудников....................................................................................... |
221 |
7.3. Моделирование тепло- и влагообменных процессов |
|
в системах кондиционирования рудничного воздуха............................... |
229 |
ГЛАВА 8. АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «АЭРОСЕТЬ» И ЕГО |
|
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РУДНИЧНЫХ |
|
АЭРОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ................... |
244 |
8.1. Обзор функциональных возможностей программы.......................... |
244 |
8.2. Модуль «Вентиляция» для проведения расчетов |
|
стационарного воздухораспределения, обработки результатов |
|
воздушно-депрессионных съемок и оптимизации затрат энергии |
|
на проветривание........................................................................................... |
250 |
5
8.2.1. Аэродинамические сопротивления участков |
|
вентиляционной сети.............................................................................. |
251 |
8.2.2. Типы, напоры и места размещения источников тяги.............. |
259 |
8.2.3. Исходные данные и режимы расчета стационарного |
|
воздухораспределения............................................................................ |
268 |
8.2.3.1. Местные сопротивления ................................................ |
271 |
8.2.3.2. Естественная тяга............................................................ |
273 |
8.2.4. Отображение расчетных результатов........................................ |
275 |
8.2.5. Измерение расстояний на схеме сети рудника......................... |
278 |
8.2.6. Определение рециркуляционных потоков................................ |
279 |
8.2.7. Режимы работы вентиляционных установок............................ |
281 |
8.2.8. Мониторинг скоростей движения воздушных потоков.......... |
284 |
8.2.9. Расчет количества воздуха на участках |
|
и определение утечек ............................................................................. |
286 |
8.2.10. Проверка устойчивости вентиляции........................................ |
293 |
8.2.11. Вычисление затрат на проветривание...................................... |
294 |
8.2.12. Оптимизация и управление проветриванием ......................... |
296 |
8.2.13. Обработка данных воздушно-депрессионных съемок.......... |
300 |
8.3.Модуль«Теплофизика»для моделированияпроцессов |
|
переносатепла,влагиигазовввоздухеипородноммассивеирасчета |
|
нестационарноговоздухораспределенияподдействиемпеременнных |
|
тепловыхдепрессийидругихисточниковтяги............................................. |
315 |
8.3.1. Нестационарный теплообмен с породным массивом |
|
в одномерной постановке...................................................................... |
315 |
8.3.2. Моделирование тепловых процессов в сетевой постановке... |
326 |
8.3.3. Параметры атмосферного воздуха............................................. |
337 |
8.3.4. Источники выделения тепла, влаги и газа на схеме................. |
339 |
8.3.5. Источники тяги переменного напора......................................... |
346 |
8.3.6. Выбор модели теплообмена........................................................ |
347 |
8.3.6.1. Упрощенный способ моделирования |
|
теплообмена на основе использования коэффициента |
|
теплоотдачи................................................................................... |
348 |
8.3.6.2. Модель нестационарного теплообмена с учетом |
|
распространения тепла в породном массиве............................ |
349 |
8.3.7. Источники выделения влаги....................................................... |
353 |
8.3.8. Расчет теплофизической модели................................................ |
357 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................... |
360 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... |
364 |
6
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АВД – автоматическая вентиляционная дверь АК – акционерная компания
БКПРУ – Березниковское калийное производственное рудоуправление
ВДС – воздушно-депрессионная съемка ВМП – вентилятор местного проветривания ГВУ – главная вентиляционная установка ГМК – горно-металлургическая компания ЕПБ – единые правила безопасности ЗФ – заполярный филиал
ЗУАП – забойная установка активного проветривания КПД – коэффициент полезного действия МГГ – метод глобального градиента МКР – метод контурных расходов ММД – метод межузловых депрессий
МПП – метод последовательных приближений НПО – научно-производственное объединение ОАО – открытое акционерное общество ПАО – публичное акционерное общество
ПВВУ – передвижная вспомогательная вентиляционная установка
ПДК – предельно допустимая концентрация ПЛА – план ликвидации аварий РУ – рудоуправление
САУП – система автоматического управления проветриванием ЭВМ – электронно-вычислительная машина
7
ВВЕДЕНИЕ
Состояние рудничной атмосферы определяется пятью основными контролируемыми параметрами воздуха – расходом, температурой, влажностью, загазованностью и запыленностью. Параметры эти зависят от множества факторов, имеют разные величины в разных точках вентиляционной сети и меняются со временем. Каждая из этих характеристик воздуха определяет комфортные условия ведения горных работ и имеет предельно допустимые значения, выход за пределы которых означает возникновение аварийных ситуаций, угрожающих безопасности людей и сохранности оборудования. Современные рудники представляют собой сложные динамические системы, изменения в которых происходят как под действием естественных факторов, так и в результате техногенного воздействия. К естественным факторам относятся температура и влажность атмосферного воздуха, от которых зависит его плотность и, соответственно, величина естественной тяги. Искусственные изменения – это результат деятельности человека: разработка новых горизонтов, добавление новых рабочих участков, выработок, вентиляционных сбоек, перемычек, источников тяги и т.д. Все это оказывает влияние на движение, чистоту и термодинамические характеристики воздуха в отдельных выработках и в руднике в целом. Изменения эти должны быть предсказуемы во избежание возникновения аварийных ситуаций, а прогнозирование систем подобной сложности возможно лишь на основе комплексного математического моделирования.
Очевидно, что каждая из перечисленных характеристик воздуха зависит не только от процессов, протекающих непосредственно в воздухе, но и от процессов, происходящих в породном массиве и шахтном оборудовании, с которыми контактирует воздушный поток. Воздух приводится в движение вентиляторами различного типа, обменивается теплом с породным массивом, взаимодействие с которым приводит также к изменению влагосодержания (испарение – конденсация) и загазованно-
8
сти (выделение газа и сорбция), нагревается калориферными и охлаждается холодильными установками, нагревается и насыщается пылью в рабочих зонах от работающих комбайнов. Поэтому система «рудничный воздух – породный массив – шахтное оборудование» является взаимосвязанной, и точное выделение из нее подсистемы, имеющей отношение непосредственно к воздуху, невозможно. Соответственно, при моделировании такой системы используется широкий спектр физико-математических моделей, увязываемых между собой в единой программной среде с целью получения максимально полной и точной картины исследуемого процесса.
9
ГЛАВА 1. РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ВОЗДУХА В СЕТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Схема вентиляционной сети рудника задается ориентированным графом, аэродинамическими сопротивлениями всех ветвей и напорами всех источников тяги. Математическая постановка задачи расчета воздухораспределения в сети заключается в составлении уравнений 1-го и 2-го законов сетей. Если сеть состоит из n ветвей и v узлов, то первый закон сетей записывается в виде v–1 уравнений в узлах:
0 ( Q(js) ), |
(1.1) |
j |
|
где s – номер узла (от 1 до v–1), j – номера выработок, инцидентных узлу с номером s, Q(js) – расходы воздуха. Поскольку
общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных n, то оставшееся число уравнений m = n – (v–1). Это уравнения, отражающие второй закон сетей:
( (ji) ) ( R(ji) )Q(ji) |
|
Q(ji) |
|
, |
(1.2) |
|
|
|
|||||
j |
j |
|
|
|
|
|
где i – номер (от 1 до m) уравнения (независимого контура), j – номера выработок, содержащихся в контуре с номером i, (ji) – на-
пор источника тяги в выработке с номером j контура с номером i.
1.1. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ
Система уравнений (1.1)–(1.2) является нелинейной, и для ее решения, вообще говоря, могут быть использованы стандартные математические методы решения нелинейных уравнений, например метод Ньютона. Однако, как показывает практика решения вентиляционных задач, метод сходится только при достаточно «удачном» выборе начального приближения, подбор которого для систем большой размерности является весьма дли-
10