Решение трехмерной задачи газовой динамики и переноса метана в угольной шахте с использованием параллельных вычислений

• Автор: Петушкеев, Борис Львович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 150 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Введение
1.1 Проблема. Ее важность для безопасностиработ в угольных шахтах
1.2 Обзор работ по теме
1.3 Обоснование необходимости решения задач в выработанном пространстве в трехмерной постановке. Оценки вычислительных затрат и обоснование необходимости применения параллельных вычислений и быстрых алгоритмов
1.4 Актуальность работы. Цель работы и задачи исследований. Научная новизна. Практическое значение. Достоверность научных результатов
2 Постановка задач подземной аэродинамики
2.1 Физическая постановказадачи в выработанном пространстве с учетом реальных параметров в выработанном пространстве, метановыделения и скорости продвижения очистного забоя
2.2 Математическая модель влияния скорости продвижения забоя на скорость метановыделения и способы определения закона метановыделения
2.3 Математическая постановказадачи о течении метановоздушной смеси в выработанном пространстве с учетом все факторов
2.4 Физическая и математическая постановки задачи расчета нестационарного течения в горных выработках
2.5 Выводы по главе
3 Алгоритмы расчета задач подземной аэродинамики с применением
параллельных вычислений
3.1 Алгоритм расчета трехмерных течений в выработанном пространстве, основанный на различении характерных времен задач газовой динамики и переноса
3.2 Реализация параллельного алгоритма расчета трехмерных течений в выработанном пространстве
3.3 Приближенный алгоритм расчета стационарных трехмерных течений в выработанном пространств

3.4 Алгоритмы расчетов нестационарных течений в сети горных выработок
3.5 Выводы по главе
4 Применение разработанных моделей и алгоритмов к исследованию аэродинамических течений подземной аэродинамики
4.1 Исследование течений в выработанном пространстве шахты «Котинская»
4.1.1 Модель выработанного пространства шахты «Котинская»
4.1.2 Нестационарное решение и особенности поля концентрации метана в изначальной конфигурации
4.1.3 Влияние скорости продвигания очистного забоя на эффективность дегазации
4.1.4 Влияние расположения и числа скважин
4.1.5 Влияние расположения и числа сбоек
4.2 Выводы по главе
5 Исследование течения метановоздушной смеси в системе «горные выработки - выработанное пространство»
5.1 Апробация подхода к решению задачи
5.2 Расчет влияния на аэродинамику выбросов метана
5.3 Расчетв нестационарной постановке влияния на аэродинамику реверса вентиляторов
5.4 Пример использования численной модели для расчета освобождения загазованной выработки от метана
5.5 Выводы по главе Заключение но работе Литература

1 Введение
1.1 Проблема. Ее важность для безопасности работ в угольных шахтах
С необходимостью вентиляции подземных выработок люди столкнулись уже давно, еще до н.э. во времена римлян в Испании (Рио-Тинто) длинные штольни снабжались воздухом из вентиляционных шурфов. Но до изобретения механического вентилятора в 1832 г. шахты проветривались лишь за счет естественной тяги, т.е. за счет разности отметок вентиляционных шурфов, колодцев. В настоящее время Правилами безопасности запрещена вентиляция шахт только за счет естественной тяги — из-за неустойчивого количества и направления движения воздуха и рассматривается как негативный фактор.
Основными источниками движения в шахте, используемыми для вентиляции, являются силы, появляющиеся при работе вентиляторов и эжекторов, а также силы гравитации. Несмотря на принимаемые меры безопасности по обеспечению свежей струи воздуха угольные шахты, к сожалению, остаются предприятиями с высокой степенью опасности труда. Нарушения пылегазового режима с возникновением взрывоопасных (пыле-) метановоздушных смесей обусловило 96% общего числа аварий, приведших к человеческим жертвам. Ежегодное число взрывов в стране превышает уровень европейских стран с сопоставимым объемом добычи угля.
Приведенные данные свидетельствуют о нерешенности многих вопросов борьбы с газом, к числу которых относятся вопросы устойчивости проветривания и управления газовыделением. Актуальность этих вопросов еще больше возрастает при разработав угольных пластов на глубоких горизонтах, поскольку с ростом глубины увеличивается мегапоносность пластов угля, газообильностъ шахт и участков. Само природное давление метана достигает на глубинах 600-800 м уже 4-8 МПа, а на глубинах свыше 1000 м 12-15 МПа При этом средняя глубина шахт превысила 450 м, а на ряде шахт Воркуты составляет 800-1000 м и более. К тому же особо следует отметить потенциальные возможности роста глубины разработай угольных
свода в выработанное пространство, то отсюда следует, что интенсивность его поступления будет пропорционально скорости продвигания очистного забоя и3.
Рисунок 2.4 - Схема поступления метана из подработанных пород Примечание - 1 — сечение надпластка, 2 - кровля, 3 — выработанное пространство.
Однако знание только суммарной интенсивности поступления метана в выработанное пространство недостаточно для адекватных расчетов процесса вентиляции с учетом расположения газоотсасывающих скважин. Необходимы данные о распределении интенсивности по всей глубине пространства.
Для вывода необходимых зависимостей примем следующие предположения:
1. В силу малых градиентов концентрации в направлениях, параллельных плоскости надпластка, потоки метана в надпластке и кровле в этих направлениях отсутствуют. Основные потоки метана по трещинам в кровле направлены в выработанное пространство.
2. В процессе обрушения кровли количество указанных трещин и их ширина возрастают, стремясь к некоторому пределу, зависящему от характеристик кровли.
3. Расход метана через трещины пропорционален разности давлений метана в надпластке и в выработанном пространстве. При этом в силу