Численное моделирование процессов выноса вредных примесей рудничной атмосферы при проветривании тупиковых выработок различными способами

Аннотация. Представлены результаты численного моделирования аэрогазодинамических процессов при различных способах проветривания тупиковых забоев, с учетом представления многофазности и многокомпонентности аэродинамической среды.
Ключевые слова: способы проветривания тупиковых забоев, турбулентная диффузия, численное моделирование.

Проветривание тупиковых забоев заключается в подаче в забой свежего воздуха по выработке на расстояние в несколько десятков, а иногда и сотен метров, причем одна и та же выработка служит и для подачи, и для отвода воздуха. Свежий воздух должен обеспечивать удаление вредных и опасных примесей из призабойного пространства и из внутреннего объема выработки в целом. В противном случае возможно образование очагов скопления вредных и горючих газов [1].

Качественно аэрогазодинамические процессы при проветривании тупиковых выработок можно представить следующим образом. Основой вклад в процесс выноса вредных компонентов рудничной атмосферы из тупикового забоя играет турбулентная диффузия, создающая интенсивное перемешивание по всей поверхности соприкосновения свободной воздушной струи с окружающим ее загазированным воздухом. Отдельные вихревые объемы воздуха свободной турбулентной струи при своем поперечном перемещении выносятся за пределы струи, смешиваются с массами окружающего воздуха и, увлекая их за собой, частично затормаживаются. При этом свежая струя воздуха непрерывно размывается, а вокруг нее образуется постепенно растущая оболочка из медленно движущейся смеси завихренных воздушных потоков. Поскольку из забоя удаляется только такой объём воздуха, который равен объёму поступающего воздуха, то газы из забоя выносятся только ядром постоянной массы. Чем больше турбулентность свободных воздушных струй, т.е. чем активнее происходит процесс образования вихревых масс, тем быстрее ядро постоянной массы загазируется и тем интенсивнее осуществляется процесс проветривания [2,3].

На сегодняшний день количественный анализ аэрогазодинамических и диффузионных процессов, сопровождающихся выносом вредных компонентов рудничной атмосферы из забоя, проводился и проводится либо аналитическим, либо эмпирическим путем. К недостаткам первого можно отнести сложность анализа и введение существенных ограничений, сужающих область применения его результатов. Недостатками эмпирического анализа являются трудоемкость и сложность проведения, невозможность охватить явление в целом – исследовать картину зависимости полученных результатов от того или иного параметра задачи.

С учетом современных достижений вычислительной математики и техники широкое распространение получает анализ физических процессов при помощи численного моделирования. В частности, в области рудничной аэрогазодинамики все большее распространение получают так называемые СЕО‐методы.

Численное решение задачи было выполнено методом конечных объёмов в программном комплексе вычислительной гидродинамики ANSYS CFX. В расчете применена тетраэдральная сетка с призматическим слоем, построенная с помощью СFX‐Меsh. Также использованы: модель несжимаемого воздуха, модель идеального газа СН4, модель турбулентности SST (Shear Stress Transport), а также модель переноса лагранжевых частиц.

В результате моделирования (рисунок) было выявлено следующее:
⁃ во всех случаях в тупиковой части выработки образуются различные по величине устойчивые завихренные зоны, в которых происходит энергичный газообмен, и зона отдельных частых вихрей. Длина зоны устойчивых вихрей достигает от 2b до 5b, где b ширина тупиковой выработки;

⁃ при применении нагнетательного способа в призабойной части практически не образуются застойные зоны, если конец трубопровода находится у одной из стенок выработки на расстоянии от забоя около 10м. В тупиковой части наблюдаются более высокие скорости движения воздуха и, следовательно, более эффективный вынос газов и пыли, которая не успевает оседать. Газ движется равномерно по всему сечению до выработки, проветриваемой за счет общешахтной депрессии;
⁃ эффективность проветривания горной выработки всасывающим способом зависит от места расположения конца трубопровода: чем меньше расстояние между ним и забоем, тем быстрее проветривается выработка. По мере увеличения этого расстояния в призабойном пространстве образуется застойная зона, при этом время проветривания выработки резко возрастает;
⁃ при комбинированном способе скорости движения воздуха наблюдаются меньше, так как факел действия всасывающего трубопровода относительно небольшой. В месте пересечения двух трубопроводов, нагнетательного и всасывающего, образуется зона застоя с минимальными скоростями движения воздуха. Загрязненный воздух движется по всасывающему трубопроводу, далее свободной струей до сквозной выработки, где разбавляется свежей струей.

Численное моделирование процессов выноса вредных примесей рудничной атмосферы при проветривании тупиковых выработок значительно расширяет возможности изучения аэрогазодинамических процессов при проветривании тупиковых забоев, что позволяет эффективнее подбирать схемы и способы проветривания с учетом геометрических и горно‐геологических условий.

Список литературы

1. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. — 2‐е изд. — Л.‐М.:Углетехиздат, 1951. — 564с.

2. Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. — М.: Недра, 1970. — 206с.

3. Ушаков К.З. Газовая динамика шахт. — 2‐е изд., перераб. и доп. — М.: Изд‐во МГГУ, 2004. — 481с.