ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 658.382.3:622.276
© М.Ю. Лискова, И.С. Наумов, 2013
Проблема управления и моделирования чрезвычайных ситуаций на нефтяных шахтах
М.Ю. Лискова, к.т.н., И.С. Наумов
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Адреса для связи: mary.18.02@mail.ru, igor14-88@list.ru
Ключевые слова: вентиляционная сеть, главная вентиляторная установка, выработанные пространства, аварийная вентиляция шахт (рудников), выработка.
The problem of management and simulation of emergency situation in oil mines
M.Yu. Liskova, I.S. Naumov
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm)
E-mail: mary.18.02@mail.ru, igor14-88@list.ru
Key words: the ventilation network, the main fan installation worked out of space, emergency ventilation of mines (mines), the development.
Emergency regimes are mainly related to the spread of fire or other gases by oil mines, threatening the health of employees. Determination of pathways of gases must, because this is why the decision to change the mode (reverse, normal or zero), ventilation, contributing to the evacuation of people from emergency areas.
Самый большой опыт шахтной разработки нефтяных месторождений накоплен на Ярегском месторождении в Республике Коми, где с 1939 г. ведется промышленная разработка залежей (в конце 80-х годов -единственная промышленная нефтяная шахта в мире). Условия работы в горном производстве (шахтах) являются специфическими. Существует множество неблагоприятных факторов, в частности:
- обрушение пород кровли и передней части забоя, а также пучение пород почвы под действием силы тяжести;
- газовыделение;
- обводненность;
- недостаток освещенности;
- стесненность рабочего пространства, что затрудняет движение горнорабочих, увеличивает вероятность опасного соприкосновения с работающим оборудованием;
- наличие большого числа машин и механизмов, имеющих открытые движущиеся части (режущая цепь и погрузчик комбайна, секции механизированной крепи, тяговые цепи, скребки конвейеров и др.), соприкосновение человека с которыми может привести к травмам;
- шум, запыленность и др.
Влияние этих факторов возрастает при тепловом воздействии на пласты в нефтяных шахтах. Применение паротеп-лового воздействия приводит к интенсивному выделению легких компонентов нефтяных газов и увеличивает температуру воздуха в шахтах [1], что повышает вероятность возникновения пожаров. Аварийные ситуации, связанные с пожарами в нефтяных шахтах, являются наиболее тяжелыми и опасными с точки зрения эвакуации горнорабочих и ликвидации последствий аварии, так как сопровождаются
гибелью не только рабочих, но и горноспасателей, участвующих в ликвидации аварий. Поэтому проблемой создания системы надежных и безопасных путей эвакуации рабочих занимаются ученые в России и за рубежом. Работы основываются на создании моделей развития аварии в первые, наиболее интенсивные периоды процесса эвакуации, и последующие моменты времени. Данные модели должны прогнозировать распространение пожарных газов в выработках нефтяных шахт при возможных очагах возгорания, чтобы определить надежные и безопасные, свободные от газов, пути выхода рабочих с аварийных участков.
Разработан аппарат математического моделирования аварийных ситуаций, связанных с возникновением пожара в шахте. Основой методики создания модели является метод расчета графов, представляющих собой расчетную модель вентиляционной системы шахты. Такая модель позволяет определить расход воздуха во всех ветвях (выработках) вентиляционной сети при воздействии на нее естественных и искусственных источников тяги (естественной тяги, вентиляторов, работающих через перемычку или на вентиляционный трубопровод, эжекторов) или регуляторов (регулирующих перемычек или стабилизаторов).
В настоящее время на каждую аварийную ситуацию в шахте составляются планы ликвидации аварий (ПЛА). При разработке мероприятий по ликвидации последствий аварии и эвакуации горнорабочих с аварийных участков, которые закладываются в ПЛА, исходят из того, что режим вентиляции шахты изменяется мгновенно с момента изменения режима работы главной вентиляционной установки (ГВУ). Этот процесс замедляют имеющиеся выработанные пространства, что затрудняет создание условий безопасной
эвакуации рабочих с аварийных участков. В этих случаях эвакуация может оказаться невозможной.
Результаты шахтных наблюдений, лабораторных экспериментов и математического моделирования свидетельствуют о том, что связь между газовыделением и формирующимся полем концентраций выделяющихся газов проявляется в виде взаимного влияния таких явлений, разделенных в пространстве и времени. Особенности прогноза газовых ситуаций на очистных участках заключаются в том, что это, по существу, фрагменты общей вентиляционной сети с распределенными источниками выделения газовых примесей и поглощения кислорода, в связи с чем моделирование средней в сечении выработки концентрации сводится к решению задачи сетевой газодинамики. Очевидно, что очистной участок можно рассматривать как вентиляционную сеть, имеющую N ветвей и М узлов. Процессы переноса в каждой ветви можно считать происходящими за счет одномерной конвективной диффузии, тогда нестационарное поле концентраций в ветвях будет описываться следующим уравнением:
SCX SCX Гт (t) dt г dl
(1)
где к е N; ^ ] е М; ^ ] - смежные узлы, соединяющиеся ветвью к; Ск - концентрация газовой примеси в ветви к; /глк - интенсивность поступления газовой примеси в ветвь к; ик, - соответственно скорость воздуха и объем выработки в ветви к; t - время. Газодинамическую сеть можно представить в виде матрицы
Г1 ^ jl 1Г1 —Г1 -4п1 C1- C1+
Г2 h j2 1Г2 —Г2 1гп2 C2- C2+
Bkn =
Г i
1Г1 U.n ha Cn- Cn-
(2)
где 1к - абсолютная газостабильность.
Матрица (2) полностью характеризует газодинамическое состояние сети горных выработок очистного участка в любой момент времени. В начальный момент времени она описывает топологию рассматриваемой сети, ветвям которой соответствуют параметры 1к, Sк, ик - площадь поперечного сечения выработки в свету) и коды, характеризующие источники газовыделений /ш. Предпоследний столбец матрицы Вкп заполняется численными значениями концентраций во внешних граничных узлах. Для ветвей, не имеющих внешних узлов, элементы столбца принимаются равными нулю. Последний столбец состоит из нулей. Следовательно, чтобы спрогнозировать газовую ситуацию на очистном участке в любой момент времени необходимо заполнить матрицы В7п, В8п и £9п для данного момента времени. Для расчета элементов столбцов Е1п, В8п и Е9п можно использовать разработанный комплекс программных средств, представляющий собой результаты вычислений в виде матрицы (2).
Газовые ситуации на очистных и подготовительных участках моделируют с помощью уравнения конвективно-
турбулентной диффузии газовой примеси в воздухе. При этом рассматривают однородную и изотропную турбулентность, пренебрегая двумя размерами горных выработок и учитывая только их длину. Если принять во внимание конвективный и турбулентный диффузионные потоки, то математическая модель газовой ситуации в подготовительной выработке при постоянном атмосферном давлении будет иметь следующий вид:
dC dC nd2 C - + —ср— = D-
dt
д x
dx2
C+
Wn
(3)
где t - текущее время процесса релаксации давления; иср -средняя скорость движения воздуха по подготовительной выработке; x - координата; С = с - сн - концентрация газовой примеси; с - объемная концентрация рассматриваемой газовой примеси в воздухе выработки; сн - объемная концентрация газовой примеси на свежей струе, поступающей в подготовительную выработку; D - коэффициент диффузии; Ьпв - проектная длина подготовительной выработки; /пв, - соответственно абсолютная газообильность и объем подготовительной выработки.
Объемная концентрация газовой примеси с в уравнении (3) задается в долях единицы, сн = const. Начальные и граничные условия для протяженной подготовительной выработки можно записать следующим образом: C(x, 0)=C(0, t)=0;
lim C(x,t) . Решение этой краевой задачи получено в виде
C( Х,t) = О"'
+0,5exp
u
t
L
1- exp
/ exP
u
-Л- t L
| пв / \
u
cP
L
(4)
exp (- K-Jb )erfc|-^=^Vbx
ь exp (Ку[ь) erfc I ~K=+-Jbt
K
2Vt
K_
2Л
где K--
b = -
VD' 4 D Ln
d t,
-; t = t/tr - безразмерное время
процесса; tr - период релаксации, численно равный времени, в течение которого давление воздуха в шахтной вентиляционной сети уменьшается в е раз.
Результаты вычислительных экспериментов по динамике полей концентраций примесей на очистном и подготовительном участках представлены на рис. 1 и 2. Анализ результатов расчетов показывает, что поля концентраций газовых примесей в воздухе очистных и подготовительных участков стремятся к некоторому стационарному состоянию. Кроме того, динамический расчет количества воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков, целесообразно осуществлять, используя решения уравнений (1) и (3), для условия дC/дt — 0. Анализ полученных стационарных кривых показывает, что они близки к линейным функциям, что при необходимости позволяет использовать начальные слагаемые при раз-
+
о
+
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
04'2013 73
Рис. 1. Зависимость концентрации С от параметра К:
C = C(X,t+ expI-tI -1; b=0,625; иср/^п.в=0,5/1000; 1, 2, 3, 4, 5 - t равно соответственно 10, 30, 60, 120 и 360 мин
Рис. 2. Зависимость концентрации С1 от времени t при t < х/(и):
C1=C(x, t)Qoу/Iп в; 1, 2, 3, 4, 5 - (и)/2^оу составляет соответственно 1,5/1000, 1,5/1500, 1,5/2000, 1,5/2500, '1,5/3000
ложении экспонент в базовых формулах в бесконечные ряды. Второй не менее важный вывод, качественно подтверждающий адекватность разработанных моделей, -возрастание концентрации по направлению движения струи воздуха.
В целом моделирование аварийной ситуации в шахте показало, что выработанные пространства в течение длительного времени могут играть роль источников тяги и в аварийной ситуации (например, при пожаре) стать причиной заполнения газами многих выработок большой длины. Из результатов расчетов, подтверждаемых практик
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.