Прогноз аэрогазодинамических процессов, и совершенствование методики расчета количества воздуха для проветривания строящихся тоннелей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Апете Гоку Ландри

• Апете Гоку Ландри
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Апете Гоку Ландри

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Проветривание горных выработок больших размеров

1.2. Исследование аэрогазодинамических процессов в подземных горных выработках

1.3 Расчет необходимого количества воздуха и выбор вентилятора местного проветривания

1.4 Моделирование аэрогазодинамических процессов с использованием специализированных программных комплексов

Выводы

Цель и идея работы. Постановка задач исследований

ГЛАВА 2 ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ТОННЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В ЕВРОПЕ. ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА В ВЫРАБОТКАХ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА

2.1 Скоростная автомагистраль Semmermg

2.2 Проект «Винервальд» (Венский лес)

2.3 Технологические особенности строительства скоростной автомагистрали

2.4 Строительство железнодорожной линии с высокой

пропускной способностью

2.5 Геомеханическая характеристика условий строительства тоннелей

2.6 Исследования закономерностей движения воздуха в выработках

большого поперечного сечения

Выводы

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЙ В АТМОСФЕРУ ТОННЕЛЕЙ ИЗ ГОРНОГО МАССИВА 68 3.1 Динамика метанообильности тоннелей при проходке в метанонос-

ном горном массиве

3.2 Выделения радона в атмосферу тоннелей

3.3 Прогноз газообмена в атмосфере тоннеля при низкотемпературном окислении вещества горного массива

3.4 Динамика концентрации кислорода в атмосфере тоннелей, обусловленная поглощением кислорода

3.5 Газовыделение в тоннель с поверхности обнажения горного массива с учетом кинетики десорбции газа

3.6 Выделение в атмосферу тоннеля газов химических реакций, происходящих в веществе горного массива

Выводы

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АЭРОГАЗОДИНАМИКИ ТОННЕЛЕЙ БОЛЬШОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ

4.1 Математическое моделирование аэродинамических процессов в тоннелях

4.2 Прогноз газовой ситуации в тоннеле при проходке буровзрывным способом

4.3 Математическая модель газовых ситуаций для оценки газовой опасности при строительстве тоннеля

4.4 Теоретическое обоснование динамического метода расчета подачи вентилятора местного проветривания в тоннеле по фактору газовой опасности

4.5 Расчет воздухообмена в призабойном пространстве тоннеля по фактору выделения газообразных продуктов реакций в веществе горного массива

4.6 Моделирование режимов работы вентиляторов местного проветривания в системах вентиляции тоннелей

4.7 Пример расчета вентиляции тоннеля в период его строительства ... 138 Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогноз аэрогазодинамических процессов, и совершенствование методики расчета количества воздуха для проветривания строящихся тоннелей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время большинство развитых стран для решения проблем эффективности дорожной сети на земной поверхности и строительства новых транспортных связей прибегают к строительствам протяженных подземных тоннелей различного назначения, таких как метрополитены, транспортные тоннели, коллекторы и т.д. Также важно подчеркнуть, что обойтись без строительства капитальных горных выработок при подземной добыче полезных ископаемых является невозможно.

Проведение подземных горных выработок состоит из трех главных этапов, разделенных таким образом: во-первых - выемка, то есть отделение горных пород из массива различными способами (механическими, гидравлическими, буровзрывными и т.д), зависящими от горно-геологических условий; во-вторых - загрузка и транспортировка отбитых горных пород, и в-третьих - возведение крепи.

При проведении горных выработок, нарушается первоначальное состояние геомеханического равновесия горного массива. Это нарушение приводит к изменению геомеханического, гидрологического и газодинамического первоначального состояния в массиве. Особую важность, с точки зрения безопасности, представляют газодинамические процессы при строительстве тоннелей. Горнопроходческие работы характеризуются интенсификацией производственных процессов, сопровождающейся ростом газо- и пылевыделения.

Загрязнение атмосферы проводимых тоннелей пылю и вредными газами, концентрации которых превышают предельную допустимую концентрацию (ПДК), создает опасность для жизни и здоровья рабочих, и соответственно трудность для дальнейшего продолжения горнопроходческих работ.

Научное обоснование и уточнение закономерностей аэрогазодинамических процессов при строительстве тоннелей может уменьшить риск возникновения аварий, и позволит нам усовершенствовать методики расчета воздуха, которые в свою очередь снизят объем воздуха для проветривания выработок, что уменьшит эксплуатационные затраты на вентиляцию при сохранении высоких мер безопас-

ности при их проведения.

Следовательно, усовершенствование и развитие методики расчета количества воздуха на основе тщательного изучения аэрогазодинамических процессов строящихся тоннелей является чрезвычайно важным. Таким образом, исследование аэрогазодинамики протяженных тоннелейв период их строительства представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, в соответствии со стратегической программой Инжинирингового центра ТулГУ «Машины и оборудование для горнодобывающей отрасли», а также тематическими планами НИР Института горного дела и строительства ТулГУ.

Целью работы являлось уточнение закономерностей газообмена горного массива с атмосферой тоннелей и аэрогазодинамических процессов переноса газовых примесей атмосфере тоннелей большого поперечного сечения для совершенствования методики расчета количества воздуха и прогноза газовых ситуаций.

Идея работы заключается в том, что совершенствование методики расчета количества воздуха для тоннелей большого поперечного сечения в период их строительства основывается на математических моделях движения воздуха и моделировании аэрогазодинамических процессов, основанных на уравнениях фильтрации газов в пористой сорбирующей среде, диффузионного переноса газов и уравнениях движения О. Рейнольдса, описывающих газовыделение и перенос газов в трехмерном пространстве.

Основные научные положения сформулированы в следующем:

■ в зависимости от горно-геологических условий, процессы газовыделения и перенос газовых примесей воздушными потоками в строящихся тоннелях, удовлетворительно описываются решениями линеаризованных уравнений параболического типа с учетом динамики сорбции, радиоактивного распада и источника

генерации данного газа, а максимальное значение абсолютной газообильности зависит от времени проведения рассматриваемых тоннелей;

■ при горнопроходческих работах, в атмосфере тоннелей часто наблюдается уменьшение содержания кислорода, обусловленное его поглощением из воздушных потоков реагирующей поверхностью обнажения горного массива и разбавлением выделяющихся газов, содержащихся в горном массиве;

■ динамическая методика расчета количества воздуха строящихся тоннелей базируется на решении одномерного уравнения стационарной конвективно-турбулентной диффузии, с учетом утечек воздуха из воздуховодов, а аэродинамические условия следует моделировать на базе численных решений уравнений движения О. Рейнольдса;

■ при прогнозировании аэрогазодинамического состояния протяженных тоннелей в период их строительства необходимо использовать математические модели аэродинамических режимов работы ВМП с применением определённых аппроксимаций аэродинамических характеристик и потребляемой мощности от производительности вентиляторов.

Новизна разработанных научных положений заключается в следующем:

■ уточнены математические модели движения газовых примесей в строящихся протяженных выработках, отличающиеся тем, что расчет полей концентрации газов осуществляется на основе установленных закономерностей динамики газовыделений с учетом процессов сорбции и/или радиоактивного распада и источника данного газа, входящих в уравнение конвективно-турбулентной диффузии;

■ подтверждена адекватность разработанной математической модели миграции радона во вмещающих породах к строящимся горным выработкам, результаты вычислений которой совпадают с данными натурных наблюдений по другим газам;

■ усовершенствован метод расчета количества воздуха, необходимого для проветривания тоннеля, отличающийся том, что учитывается конвективная диф-

фузия газовых примесей и динамика газообмена горного массива с атмосферой тоннеля.

Обоснованность и достоверность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

■ корректной постановкой задач исследования, использованием классических методов математической физики, статистики и современных достижений вычислительной математики и средств вычисления;

■ удовлетворительной сходимостью результатов вычислений математической модели с фактическими данными при их сравнении;

■ обработкой большого количества экспериментальных данных по характеристикам современных вентиляторов местного проветривания, позволяющих составить методику замены графических характеристик вентиляторов математическими функциями;

■ достаточным количеством вычислительных экспериментов;

■ положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения задач прогноза газовыделений из выработанных пространств на углекислотообильных шахтах.

Практическая значимость работы заключается в уточнении закономерностей динамики диффузионного потока газовых примесей во вмещающих породах, моделировании аэродинамических обстоятельств в атмосфере строящихся протяженных тоннелей. Разработанные програмные средства для подбора вентилятора местного проветривания и мониторинга его режима работы повышают эффективность проектирования вентиляции протяженных тоннелей в период их строительства и гарантируют высокую степень аэрологической безопасности.

Практическая реализация выводов и рекомендаций. Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР в Тульском государственном университете. Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по аэрологии горных предприятий и охране труда.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2015-2020 гг.); на научных семинарах кафедры охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 2015-2020 гг.); ежегодных научно - практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2015-2020 гг.); 4-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2018 г.); Международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2015 - 2019 гг.); Международной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, 2016 - 2018 гг.); на научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» НИТУ МИСиС (г. Москва, 2016-2019 гг.).

Личный вклад заключается: выполнении аналитического обзора по теме диссертационной работы; проведении замеров скоростей воздуха в выработках большого поперечного сечения, в математической обработке результатов лабораторных исследований, натурных наблюдений и вычислительных экспериментов; в разработке математических моделей аэрогазодинамических процессов для различных горно-геологических условий; в разработке алгоритмов для инженерных расчетов и прогнозных оценок.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей, 4 из них в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, изложенных на 160 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 123 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Проветривание горных выработок больших размеров

Долголетний опыт разрушения горных пород и угля взрывным, механическими и другими способами при освоении подземного пространства и добыче полезных ископаемых, показывает что в период разрушения массива горных пород или угля, одновременно загрязняется рудничная атмосфера при интенсивным выделении большого количества мелкодисперсной пыли, метана а также токсичных газов взрывного разложения ВВ, которые состоят из окиси углерода, оксидов азота, сернистых соединений и др. Пылевое облако отбрасывается на значительное расстояние и вентиляционной струей транспортируется по длине данной горной выработки. После их разрушения в выработанном пространстве, наблюдают осаждение, и накопление пыли, в том числе концентрации выделенных газов выше предельной допустимой концентрации (ПДК). Это ситуация нарушает нормы безопасности жизни и деятельности человека внутри рудничной среды.

Б.П. Казаков, А.В. Шалимов и Л.Ю. Левин [1] рассмотрели проблему проветривания выработок большого сечения с помощью вентиляторов, работающих без перемычки. Они провели аналитическое и численное моделирование проветривания горных выработок большого сечения с помощью дополнительных источников тяги. На основании анализа результатов моделирования исследованы условия их эффективного использования. Рассчитаны возможные сценарии движения воздуха в закрытых и открытых одиночных выработках, а также в группах параллельных выработках, сбитых между собой. Определили необходимые для транспортировки воздуха расстояния между вентиляторными установками [2].

Авторы считают, что решение проблемы недостаточной подачи свежего воздуха на удалённые участки рудничных вентиляционных сетей является первостепенной задачей рудничной аэрологии. Для увеличения общего поступления воздуха в рудник наряду с использованием более мощных вентиляторов главного

проветривания и вспомогательных подземных вентиляционных установок широкое применение получили компактные маломощные вентиляторы местного проветривания (ВМП) [3]. Цель работы такого вентилятора - перераспределение расходов воздуха, т.е. отбор воздуха с того направления, где его достаточно, и подача его в том направлении, где его не хватает. В большинстве случаев ВМП устанавливается без перемычки, что увеличивает расход прокачиваемого вентилятором воздуха за счёт эжекционного эффекта, возникновение которого имеет место при соблюдении следующих двух условий:

1. Аэродинамическое сопротивление проветриваемого участка должно быть достаточно мало (менее 0,01 кмюрг);

2. Сечение выработки, в которой установлен ВМП, должно быть достаточно мало для обеспечения стеснённости струи вентилятора (порядка 10 кв.метров и менее).

Указанные условия свойственны более всего калийным рудникам, что и явилось причиной широкого использования в них ВМП в качестве эжектирую-щих установок для улучшения проветривания [4]. В угольных шахтах сопротивления выработок существенно больше (первое условие не выполняется), и потому ВМП без перемычки в них менее эффективны, чем с перемычкой, и используются значительно реже.

Второе условие не выполняется в гипсовых шахтах, где сечения выработок рабочей зоны достигают 100м2 и более, хотя сопротивления их, напротив, значительно меньше, чем в калийных рудниках. Несмотря на малую величину аэродинамического сопротивления гипсовых шахт, проблема недостаточного проветривания удалённых панелей здесь также как и в других рудниках, стоит достаточно остро. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что ВМП в данном случае не могут быть размещены в перемычке, а реализация эжекционного эффекта в выработках большого сечения оказывается под вопросом. Струя вентилятора, направленная вглубь такой выработки, не достигая стенок выработки и иссякнув, частично или полностью возвращается на всас вентилятора, создавая бесполезную циркуляцию воздуха вокруг источника тяги. Проблема эта получила своё реше-

ние в применении последовательной установки ВМП друг за другом, позволяющей уменьшить циркуляцию, снизить утечки воздуха через отработанное пространство и обеспечить подачу воздуха к местам ведения горных работ. На сегодняшний день этот вид совместного включения вентиляторных установок широко используется на шахте ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск».

При данной схеме проветривания горных выработок большого сечения (рисунок 1.1) необходимо провести оценочных расчётов эффективности подобного способа проветривания, возникает задача определения по известным дебитам qg

ВМП необходимого расстояния между вентиляторами I + ¡^ для обеспечения нужного расхода воздуха ^ < ^ по выработке [5].

Рис. 1.1. Схема проветривания выработки большого сечения с помощью ВМП

Нгуен Мин Фьен [6] рассмотрел анализ области применения схем проветривания газообильных протяженных тупиковых выработок для угольных шахт вьетнама. Выработками большой длины условно считаются выработки, которые могут проветриваться только с помощью нескольких вентиляторов, либо с помощью нескольких трубопроводов и вентиляционных сооружений. Сложности вентиляции тупиковых выработок большой длины обусловлены значительным аэродинамическим сопротивлением всей вентиляционных сетей и большими утечками воздуха из трубопроводов. Неправильный учет [7] отмеченных особенностей приводит к определению неверных расчетных режимов работы вентиляторов, при которых осуществление эффективного проветривания на основе обычных схем и средств оказывается нерациональным и невозможным.

Наиболее значение с точки зрения безопасности это проблема имеет при разработке газоносных угольных пластов. Здесь основные требования предъявляются к схемам проветривания тупиковых выработок [8]. Согласно требованиям ПБ применяется проветривание нагнетательным способом.

Схемы и способы вентиляции тупиковых выработок должны обеспечивать безопасность ведения горных работ путем поддержания в любой точке выработки предельно допустимых концентраций вредных и взрывоопасных газов.

Схемы проветривания тупиковых выработок классифицируются в зависимости от источника и способа проветривания, а также от числа и взаимного расположения выработок (воздуховодов), по которым подается свежий воздух и отводится загрязненный воздух. Основными показателями схем являются: источник и способ проветривания, количество воздуховодов, а также их конфигурации.

Анализ горнотехнических условий проветривания протяженных выработок показал [9], что для условий шахт во Вьетнаме могут применяться следующие схемы:

1. Проветривание одним вентилятором, работающим на один трубопровод большого диаметра (2,5 м) или на два параллельных трубопровода. Эти схемы используются при большой площади поперечного сечения выработки.

2. Проветривание каскадно несколькими вентиляторами, установленными последовательно в начале трубопровода у устья выработки. Схема в связи с отсутствием рециркуляции используется для проветривания выработок, проводимых по газоносным породам. Рекомендуется использовать не более трех вентиляторов с одинаковыми аэродинамическими характеристиками, в противном случае возникают трудности в управление работой вентиляторов. Во избежание потерь напора, вызванного закручиванием потоков в вентиляторах, между ними должен находиться участок длиной не менее 10 диаметров. Начальный участок трубопровода находится под давлением, равным сумме давлений всех вентиляторов, что при применении гибких трубопроводов требует их изготовления с большим сопротивлением на разрыв. Достоинством этой схемы считается безопасность, и удобство обслуживания всех вентиляторов на свежей струе.

3. Проветривание по продольно-поперечной схемы вентиляции, где свежий воздух подается по длине выработки по одному воздуховоду, где сделаны окна для раздачи воздуха. Их расположение может быть рассредоточенным по всей длине трубопровода или сосредоточенным в местах подачи необходимого количества воздуха (например, в местах потенциальных местных скоплений). Для решения этой задачи выбирается воздуховод со щелью переменной ширины или перфорацией, обеспечивающей равное нагнетание воздуха по заданной длине. Конец воздуховода при этом используется для подачи воздуха в забой.

4. Проветривание при проведении парных выработок, сбитых печами или просеками (штреками, бремсберги, уклоны большой протяженности). Печи, кроме последней, закрывают перемычками. В газовых шахтах, где необходима подача большого количества воздуха, проветривание протяженной части воздухопо-дающей выработки осуществляется за счет общешахтной депрессии, а в тупиковые забои от последней печи воздух подается ВМП.

Различают следующие основные схемы проветривания: сквозные, когда свежий воздух подается в тупиковую горную выработку и удаляется из нее за счет работы вентиляторов главного проветривания с помощью специальных средств и приспособлений (рисунок 1.2, а, б, а, г); принудительные, когда проветривание тупиковой выработки осуществляется с помощью специальных побудителей тяги (рисунок 1.2, д, е, ж).

Проветривание выработки может быть организовано путем сочетания сквозной и принудительной схем (комбинированные схемы) (рисунок 1.2, з, и, к, л).

На практике применяют нагнетательный, всасывающий и комбинированный способы проветривания.

Сквозное проветривание горных выработок. Продольные перегородки (см. рисунок 1.2, а) применяются тогда, когда к забою нужно подать большое количество воздуха. В этом случае выработка делится продольной перегородкой на две части, по одной воздух подается к забою, по другой — удаляется.

1

а

б

в

г

ж

еа I-

д

е

и

1г

а

ш: ш:

5="

Б=1

л

к

Рисунок 1.2 - Основные схемы проветривания тупиковых выработок

Проветривание тупиковых забоев жесткими вентиляционными трубами, пропущенными через перемычки (см. рисунок 1.2, б, в, г), применяется в тех случаях, когда длина тупиковой выработки невелика.

Вентиляция протяженных выработок с помощью вспомогательных параллельных выработок (см. рисунок 1.2, з) применяется тогда, когда в забои следует подавать большое количество воздуха.

Данный способ чаще всего применяют тогда, когда выработки проводят по полезному ископаемому или, когда сквозную и вспомогательную выработки предусмотрено впоследствии использовать для каких-либо эксплуатационных целей.

Основным достоинством перечисленных способов подачи воздуха в тупиковые забои за счет общешахтной депрессии является непрерывность действия вентиляции в течение суток и отсутствие в выработке механических побудителей тяги, что улучшает санитарно-гигиенические условия труда (отсутствие шума) и повышает надежность и безопасность работ.

Принудительное проветривание горных выработок. Наибольшее распространение в практике получило принудительное проветривание. Нагнетательный способ проветривания с механическим побудителем тяги (см. рисунок 1.2, д) заключается в том, что свежий воздух подается вентилятором из сквозной выработки в тупиковую выработку по вентиляционным трубам.

Всасывающий способ проветривания (см. рисунок 1.2, е) может применяться в тех случаях, когда выработку проводят по горному массиву, не содержащему горючих и ядовитых газов.

Комбинированный способ проветривания чаще всего применяется при скоростной проходке на негазовых шахтах и рудниках. Его преимущество заключается в том, что в нем сочетаются положительные стороны нагнетательного (активное перемешивание газов в призабойной зоне) и всасывающего (ограниченный объем проветривания) способов. Комбинированный способ проветривания осуществляется либо двумя вентиляторами (см. рисунок 1.2, ж), либо

одним. Подача нагнетательного вентилятора должна быть на 20...30 % меньше расхода воздуха, который поступает во всасывающий трубопровод.

1.2. Исследование аэрогазодинамических процессов в подземных

горных выработках

М.М. Попов, В.В. Смирняков, А.В. Лейсле [12] моделировали воздушных потоков в горных выработках с помощью программного комплекса «FlowVision». Для обеспечения безостановочной и безаварийной работы горного предприятия необходимо исключить возможность появления в выработках местных скоплений метана. Несвоевременное обнаружение таких скоплений может привести к крупной аварии, связанной с взрывом метановоздушных смесей. При штатных ситуациях обнаружение зон с повышенной концентрацией метана служит причиной остановки оборудования, что неизбежно отрицательно сказывается на темпах очистных работ.

Авторы считают, что большая часть таких скоплений обусловлена сочетанием наличия так называемых застойных зон с малыми скоростями движения воздуха, не только с достаточно интенсивным выделением метана в пределах этой зоны, но и с поступлением метана извне. Примерами таких зон являются различного рода ниши для размещения оборудования, заперемыченные сбойки, пространство под конвейером и т.п.

Проведение натурных аэродинамических исследований [13] для определения размеров этих зон и скоростей движения воздуха в них является зачастую трудновыполнимым процессом. Это связано с многими факторами, в частности с малыми размерами таких зон, их труднодоступности, динамики изменения их параметров в пространстве и времени. Поэтому авторами были исподьзованы современные средства моделирования движения потоков воздуха. Такими программными средствами явдяются ANSYS Fluent, ANSYS СFх и FlowVision. Анализируя возможность и удобство применения подобных программных средств в условиях производства, было принято решение остановиться на бесплатной озна-

комительной версии программы FlowVision, с приемлемыми ограничениями по точности решения.

Программа FlowVision для математического моделирования движения потока численно решает уравнение Навье-Стокса [14]. Для несжимаемой жидкости оно имеет следующую форму:

дУ 1

— = —(V -V) • V + уДУ - - УР + Г, (1.1)

дт р

где: V - оператор Гамильтона (V = д / дх + д / ду + д / дх);

Д=д2 / дх2 + д2 / ду2 + д2 / дх2 - оператор Лапласа; т - время;

V, р - кинематической вязкость и плотность воздуха соотвественной; Р - давление;

V - векторное поле скоростей; Г - векторное поле массовых сил.

Исследователи привели несколько примеров расчетов полей скоростей воздуха в выработке арочной формы с применением программы [15]. Первый вариант расчёта был сделан для десяти метрового участка выработки с находящимся в ней препятствием прямоугольной формы. На рисунке 1.3 показано поле скоростей в сечении на расстоянии 2 м после препятствия. Хорошо видна зона завихрений за препятствием. Хорошо видно турбулентное ядро, увеличение скорости потока между препятствием и стенкой.

Ещё одним вариантом был участок выработки с примыканием тупика арочной формы глубиной 4 м. Для визуализации обтекания воздуха авторами были выбраны несколько сечений поперёк основной выработки, захватывая тупик, а также несколько сечений поперёк тупика и соответственно вдоль основной выработки. На рисунке 1.4 хорошо видна основная струя воздуха, а также процесс рециркуляции воздуха в тупике.

Рисунок 1.3 - Поле скоростей в выработке арочной формы с прямоугольным

препятствием

Рисунок 1.4 - Поле скоростей в выработке арочной формы с примыканием

тупика арочной формы глубиной 4 м

Выводы сделаны авторами следующие [16]:

1. В целом результаты расчёта представленных моделей программой FlowVision соответствуют наблюдаемым на практике условиям.

2. Решения по представленной методике позволяют оценить аэродинамику потоков в труднодоступных местах, где проведение обычных замеров затруднительно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Апете Гоку Ландри, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Левин Л.Ю. Проветривание выработок большого сечения с помощью вентиляторных установок, работающих без перемычки // Известия ТулГУ. Науки о земле, 2010. -№.2. - С.89-97.

2. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. М.: Энергия, 1971. - С.

480.

3. Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. Л., 1978. - С.

240.

4. Казаков Б.П., Стукалов В.А., Шалимов А.В. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. 2009. -№12. - С. 56-58.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «АэроСеть», № 2006612154 (Роспатент).

6. Нгуен Мин Фьен. Анализ области применения схем проветривания газообильных протяженных тупиковых выработок для угольных шахт Вьетна-ма//ГИАБ, 2015. -№S7. - С. 110-116.

7. Абрамович.Г.Н. Турбулуетные свободные струи жидкости и газов. Гос-энергоатомиздат ,1948.

8. Кирин.Б.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений. -Липецк: Липецское издательство, 2000. 456 с.

9. Кирин.Б.Ф., Ушаков К.З. Рудничная и промышленная аэрология. Учебник для вузов. М.: - Недра, 1983. -256 с.

10. Колесниченко Е.А Колесниченко И.А Ткачук Р.В. Закономерности вентиляции призабойного пространства тупиковых выработок: новая концепция // Уголь. 2007. -№2. -С.16-19.

11. Рудничная вентиляция:/Справочник по ред. Ушаков К.З. - М.: Недра, ГИАБ,1988.

12. Попов М.М., Смирняков В.В., Лейсле А.В. Применение программного комплекса «Flowfision» для моделирования аэродинамических потоков в горных

выработках // ГИАБ, 2015. -№S7. - С. 117-124.

13. Аксенов А.А. Новый релиз программного комплекса вычислительной газодинамики. — САПР и графика, 2014. -№ 1. - С. 27-29.

14. Применение пакетов прикладных программ при изучении курсов механики жидкости и газа. Учебное пособие / Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Бе-резникова М.В. и др. — М.: МФТИ, 2005. — 104 с.

15. Росляков П.В., Ионкин И.Л., Новожилова Л.Л. Численное исследование аэродинамики закрученных потоков в трубах и газоходах. Прикладные исследования в механике. Труды V научной конференции «Инженерные системы - 2007». - М.: ЦИАМ, 2007. - С. 33-42.

16. Седов Л.И. Механика сплошной среды. — М.: Наука, 1970. — Т. 1. —

492 с.

17. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1987. — 421 с.

18. Качурин Н.М., Ковалев Р.А., Коновалов О.В., Качурин А.Н. Качурин Н.М., Ковалев Р.А., Коновалов О.В., Качурин А.Н. Математические модели аэрогазодинамики тоннелей при их строительстве. Изв.ТулГУ. Естественные науки, 2010. -№1. - С. 246-258.

19. Ушаков К.З., Бурлаков А.С., Медведев И.И. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1978. - 478 с.

20. Ушаков К.3. О диффузии динамически активных газов в шахтных вентиляционных потоках // Изв. вузов. Горный журнал. 1968. №6. С.72-78.

21. Ушаков К.З. Аэромеханика вентиляционных потоков в горных выработках. М.: Недра, 1975. - 153 с.

22. Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. М.: Недра, 1970.

211 с.

23. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Кузнецов А.А. Газовыделение в тупиковые выработки шахт Подмосковного бассейна // Вентиляция шахт и рудников: сб.ст./ ЛГИ. Д., 1979. - С.72-77.

24. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Кузнецов А.А. Аэродинамические процессы и протяженных выработках углекислотообильных шахт // Изв. вузов. Горный журнал.1982. - №8. - С.52-56.

25. Лайгна К.И., Блюм М.Ф., Виирлайд А.Х. Турбулентная диффузия в стратифицированных потоках подземных выработок // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988. - №1. - С.96-98.

26. Лайгна К.Ю. Анализ и усовершенствование метода расчета массообме-на при конвективно- диффузионном переносе примесей в подземных горных выработках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1988. - №4. - С.110-113.

27. Лайгна К.Ю., Поттер Э.А. Турбулентное струйное течение воздуха в сквозных выработках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1989. - №3. - С.91-101.

28. Г. В. Дуганов, В. Ф, Дробница, И. П. Никитин и А. В. Дребница. Проветривание тупиковых выработок большой длины. Изд-во «Недра», 1968. -75 с.

29. Амурский В.С., Хан А.А. Бандажный способ соединения вентиляционных труб. «Безопасность труда в промышленности», 1962, - № 9.

30. Ассонов В. А. Взрывные работы. Углетехиздат, 1958.

31. Бакиров У.Х. Вентиляционные трубы из пластмассы. «Горный журнал», 1956, - № 3.

32. Бухман Я.3., Бакиров У.Х. Местное проветривание на металлических рудниках. Госгортехиздат, 1961.

33. Воронин В. Н. Основы рудничной аэрогазодинамики. Углетехиздат,

1955.

34. Воронина Л.Д. Расчет количества воздуха для проветривания очистных и глухих подготовительных выработок по пылевому фактору. Сб. статей ИГД АН СССР «Проблемы рудничной аэрологии». Госгортехиздат, 1959.

35. Временная инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания угольных шахт (утверждена Госкомитетом топливной промышленности 30/1Х 1965). Макеевка — Донбасс, 1965.

36. Временная инструкция по прогнозу метанообильности угольных шахт СССР (утверждена Госкомитетом топливной промышленности 12/XII, 1964). Москва, 1965.

37. Десятников Д.Т. и др. Снижение запыленности рудничной атмосферы. Госгортехиздат, 1962.

38. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом. Госгортехиздат, 1963.

39. Ильенок В.А. Проветривание подготовительных выработок большой длины. Госгортехиздат, 1962.

40. Кетиладзе К.Е. Адсорбция окислов азота рудничной пылью и метод их определения. «Горный журнал», 1958, - № 12.

41. Комаров В.Б., Борисов Д.Ф. Рудничная вентиляция ГОНТИ НКТП,

1938.

42. Крыловской Н.А., Топчиев А.В. Международная выставка горного оборудования. Париж, 1955. Углетехиздат, 1956.

43. Ксенофонтова А.И. Сборник задач по рудничной вентиляции. Углете-хиздат, 1954. 16. Луговский С. И., Белова Т. М. Эффективность вентиляционных установок нагнетательного и всасывающего действия. «Горный журнал», 1966, -№ 5.

44. Луговский С. И., Белова Т. М. Определение коэффициента доставки воздуха в вентиляционных установках нагнетательного и всасывающего действия. «Горный журнал», 1966, - № 8.

45. Луговский С.И., Дымчк Г.К., Дробот Б. Я., Аврамчук Р. Н. Вентиляция шахт и карьеров. Изд-во «Недра», 1964.

46. Максимчук А.А., Трегубов В.А. Комбинированная схема проветривания с групповым расположением вентиляторов. «Шахтное строительство», 1963, -№ 4.

47. Минасьян В.П. Гибкие трубы из пластиката для проветривания при проходке вертикальных шахтных стволов. Информационное сообщение, 55, ВНИИОМШС. Харьков, 1957.

48. Мустель П.И. Определение производительности вентилятора частичного проветривания. «Горный журнал», 1946.

49. Мустель П.И. Вентиляция шахт. Металлургиздат, 1957.

50. Никитин И.П. Использование эжекторов для уменьшения запыленности воздуха при проходке восстающих выработок. «Шахтное строительство», 1964, -№ 2.

51. Никитин И.П., Дробница В.Ф., Дребница А.В. Применение в горной промышленности вентиляционных труб из синтетических материалов. «Шахтное строительство», 1964, -№ 4.

52. Патрушев М. А. Потери воздуха в параллельных выработках. «Уголь Украины», 1957, -№ 8.

53. Печук И М. Типовые эжекторы сжатого воздуха. Госстройиздат, 1948.

54. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. Госгортехиздат,

1964.

55. Слюсаренко В. Г. Последовательная установка вентиляторов и трубопроводов типа М. Сб. научн. трудов КГРИ, вып. XII Госгортехиздат, 1962.

56. Слюсаренко В. Г. Устранить недостатки местного проветривания при проходке выработок на шахтах Кривбасса. «Безопасность труда в промышленности», 1963, -№ 2.

57. Сипятин В.А., Сачков А. Ф. Обеспыливание атмосферы рудников. Металлургиздат, 1958.

58. Торекий П. И. Борьба с рудничной пылью. Металлургиздат, 1951.

59. Фосс В. Основы технико-экономической оценки гибких вентиляционных труб из синтетических материалов. «Глюкауф», 1963, -№ 9.

60. Шепелев С. Ф. Интенсивность пылепоступления и расход воздуха для проветривания выработок при операциях с непрерывным пылеобразованием. Труды ИГД АН Каз. ССР. т. VI, 1960.

61. Якушин Н.П. Проветривание и борьба с газами при проходке стволов шахт. Госгортехиздат, 1962.

62. Якушин Н.П. Проветривание при проходке горных выработок большой длины. Углетехиздат, 1959.

63. Using plastics sheetings for preventing air leakage through mine stoppings. Mining Equipment, v. 12. No 4, April 1961.

64. https: //ru. wikipedia. org/wiki/Тоннель.

65. Казаков Б. П., Шалимов А. В., Левин Л. Ю. Проветривание выработок большого сечения с помощью вентиляторных установок, работающих без перемычки // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2010. №2. С.89-97.

66. Дейли Дж, Харлеман Д. Механика жидкости. М.: Энергия, 1971. С. 480.

67. Вентиляция и отопление цехов судостроительных заводов. Л., 1978. С.

240.

68. Казаков Б.П., Стукалов В.А., Шалимов А.В. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. №12. 2009. С. 56-58.

69. Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н. Тоннели и метрополитены // М., «Транспорт», 1975, - С. 28-29.

70. Храпов В.Г., Демешко Е.А., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н. Тоннели и метрополитены - М.: Транспорт, 1989. - 383 с.

71. Осипов В.О., Храпов В.Г., Бобриков Б.В. Мосты и тоннели на железных дорогах // М.: Транспорт, 1988. — 367 с.

72. Качурин Н.М. Травматизм и профессиональная заболеваемость при подземной добыче полезных ископаемых /Качурин Н.М., Ефимов В.И., Карначев И.П. и др. // Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 356 с.

73. Железная дорога «Koralm» - «http://ru.knowledgr.eom/11014118/»

74. Баренблатт Г.И. Об одном классе точных решений плоской одномерной задачи нестационарной фильтрации газа в пористой среде // Прикладная математика и механика. - 1953. - Т. XVI, № 6. - С. 739-742.

75. Баренблатт Г.И. О приближенном решении задач одномерной нестационарной фильтрации в пористой среда // Прикладная математика и механика. -1954. - Т. XVIII, № 3. -С. 351-370.

76. Патент 2463551 Российская Федерация МПК: G01B005/26 Способ определения площади поперечного сечения горной выработки большого объема / Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Качурин А.Н., Власов Д.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) - № 2011114417/28;

77. Земсков А.Н., Кондрашев П.И., Травникова Л.Г. Природные газы калийных месторождений и меры борьбы с ними. - Пермь. - ООО «Издательский дом «Типография......», 2008. - 414 с.

78. Скочинский А.А., Лидин Г.Д. К прогнозу метанообильности шахт Донбасса на глубоких горизонтах // Известия АН СССР. ОТН. - 1941. - № 1. - С. 7661.

79. Скочинскнй Л.А., Лидин Г.Д. К вопросу об управлении метановыделе-нием при разработке свит пластов каменного угля // Известия АН СССР, ОТН. -1945. - № 6. - С. 54-59.

80. Скочинский А.А. Некоторые проблемные вопросы в области газа, пыли и вентиляции шахт Донбасса // Уголь. - 1945. - № 6. - С. 5-8.

81. Скочинский А.А., Ходот В.В., Гмошинский В.Г. Метан в угольных пластах. - М.: Углетехиздат, 1958. - 256 с.

82. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Шилов Н.Г. Газовыделение из выработанных пространств при всасывающем способе проветривания // Известия вузов. Горный журнал. - 1977. - № 8. - С.49-54.

83. Клебанов Ф.С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях. - М.: Наука, 1974. - 136с.

84. Скочинский А.А., Лидин Г.Д., Гердов М.А. О явлениях быстрого кислородного обеднения в подземных выработках // Известия АН СССР. ОТН. -1943. -№11. - С. 251-273.

85. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. М.: МГГУ, 1993 - 267 с.

86. Разрушение горных пород шарошками и диспергирование примесей в жидкостях// Н.М. Качурин [и др.]/ Москва - Тула. Изд-во «Гриф и К0». 2003. 330 с.

87. Рудничная вентиляция. Справочник. Москва. Недра. 1988. С. 15 - 16.

88. Стукало В.А. Совершенствование оценки угольных шахт по опасности выделений метана, участию во взрывах угольной пыли и тепловым условиям // «Известие» Донецкого горного института №2 / Донецк, 1996, C. 15-17.

89. Колмаков В.А., Колмаков В.В., Мазикин В.П. О необходимости изменения существующей оценки газоопасности шахт. Уголь. 2000. №6. С. 57-58.

90. Милетич А.Ф. Утечки воздуха и их расчет при проветривании шахт. Недра, 1968 г. - 146 с.

91. Бодягин М.Н. Рудничная вентиляция. М.: Недра, 1967. -216 с.

92. Комаров В.Б., Борисов Д.Ф. Рудничная вентиляция. -Л.: ГОНТИ НКТП, 1938. -454 с.

93. Колмаков В. А. О расчете скорости движения текучих при переменных значениях давления, сопротивления среды и режима // Вопросы рудничной аэрологии: Сб.ст./КузПИ. - Кемерово, 1976. - С. 203-209.

94. C. Ozgen Karacan, Felicia A. Ruiz, Michael Cote, Sally Phipps Coal mine methane: A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction // International Journal of Coal Geology 86 (2011) p. 121-156.

95. Tim A. Moore. Coalbed methane: A review // International Journal of Coal Geology 101 (2012) p.36-81.

96. Javier Tora^, Susana Torno, Mario Menendez, Malcolm Gent, Judith Velas-co. Models of methane behaviour in auxiliary ventilation of underground coal mining // International Journal of Coal Geology 80 (2009) 35-43.

97. Fernando R. Mazarroin, Cesar Porras-Amores, Ignacio Canas-Guerrero. Annual evolution of the natural ventilation in an underground construction: Influence of the access tunnel and the ventilation chimney // Tunnelling and Underground Space Technology 49 (2015) p.188-198.

98. Wang Gang, Xie Jun, Xue Sheng, Wang Haiyang. Mining a coal seam below a heating goaf with a force auxiliary ventilation system at Longhua underground coal mine, China // International Journal of Mining Science and Technology 25 (2015) 67-72.

99. Yingchao Wang, Gang Luo, Fan Geng, Yabo Li, Yongliang Li. Numerical study on dust movement and dust distribution for hybrid ventilation system in a lane-way of coal mine // Journal of Loss Prevention in the Process Industries 36 (2015) 146157.

100. Li Man, Wang Xue-rong. Performance evaluation methods and instrumentation for mine ventilation fans // Mining Science and Technology 19 (2009) 0819-0823.

101. Xing Yunfeng, Li Chengwu, Huang Huang. Study on ventilators monitoring and early fault warning system in non-coal mines // Procedia Engineering 26 (2011) 2239 - 2245.

102. Theoretical substantiation and practical results of underground workings ventilation simulation / N.M. Kachurin, S.A. Vorobev, A.D. Levin, F.M. Botov // Eurasian mining 2 (2015).

103. Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метановыделе-ния с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки / Горный журнал. - 2014. - №4. - С. 70-73.

104. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н., Сарычева И. В. // Обогащение руд. - 2014. - №6. - С. 16-19.

105. Аппроксимация аэродинамических вентиляторов местного проветривания при многоцелевом моделировании их работы / Качурин Н. М., Воробьев С. А., Левин А.Д., Васильев П.В. // Горный журнал. 2015. №12. С. 76 - 79.

106. Расчет системы «вентилятор-трубопровод» для современных средств проветривания подготовительных выработок шахт / С.П.Казаков, Б.А. Гриценко, К.Х. Ли, В.Б. Попов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. №2. С. 68-72.

107. Алгоритм паспортизации аэродинамических сопротивлений вентиляционных трубопроводов / С.П. Казаков, Б.А. Гриценко, К.Х. Ли, А.М. Ермолаев // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2013. №1. С. 95-97.

108. Математические модели шахтных вентиляционных трубопроводов / С.П. Казаков, В.А. Федорин, В.В.Аксенов, Н.В. Трубицына // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2012. .№1. С. 98-103.

109. AutoCAD 2015 (Academic license) - «http://www.autodesk.com/ prod-ucts/autodesk-autocad/».

110. Eureqa Pro (Academic license) - «http://www.nutonian.com/ prod-ucts/eureqa/».

111. Каталог продукции Артемовского завода ОАО «Вентпром» - «http:// ventprom. com/products/item/vme/»

112. Оценка метановой опасности очистных и подготовительных участков метанообильных шахт // Н.М. Качурин [и др.] / Известия ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 2. Тула: ТулГУ, 2012. С. 80-93.

113. Ушаков В.К. Математическое моделирование надежности и эффективности шахтных вентиляционных систем. - М.: Изд-во МГГУ, 1999. - 181с.

114. Ушаков К.З. Аэродинамическое моделирование шахтных вентиляционных потоков/физическое моделирование тепловентиляционных лыжных процессов: Сб. ст./Апатиты, 1977. - С. 5-11.

115. Файнбург Г.З. Методы математического моделирования процессов тепломассопереноса в вентиляционных сетях шахт и рудников // Разработка соляных месторождений: сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во ППИ, 1992. - № 1. - С. 8086.

116. Пустовой В.П. Математическое моделирование изменения метано-опасности угольных пластов с увеличением глубины их залегания // Известия вузов. Геология и разведка. - I 77. - № 2. - С. 156-158.

117. Ушаков К.З. Динамический метод расчета вентиляции угольных шахт // Технология добычи угля подземным способом. Сб. ст./ЦНИИТЭИугля. М., 1967. №2. С. 37-43.

118. Ярунин С.А., Бухны Д.И. Расчет газодинамического состояния приза-бойной части угольного пласта // Вентиляция и газодинамические явления в шахтах: Сб.ст./Новосибирск, 1981. - С. 6-12.

119. Грязев М.В., Качурин Н.М., Стась Г.В. Аэрогазодинамические процессы и аэрологическая безопасность при подземной добыче полезных ископаемых: монография / Тула: Изд-во ТулГУ. 2018. 266 с.

120. Kachurin N.M., S.A. Vorobev, P.V. Vasilev. Methane emission from coal bed open surfaces into development workings and production faces by intensive gas-bearing coal extraction / Eurasian Mining. 2015. №2. P. 44-50.

121. Моделирование аэрогазодинамических процессов при проветривании выработок большого поперечного сечения / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, Ф.М. Ботов // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2015. №1 С.56-64.

122. Качурин Н.М., Левин А.Д., Ботов Ф.М. Аэрогазодинамические процессы при строительстве тоннелей большого поперечного сечения // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2015. Вып. 1. С. 46-55.

123. Аппроксимация аэродинамических характеристик местного проветривания при многоцелевом моделировании их работ / Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Горный журнал. 2015. №12. С. 76-79.