|
Analiza i symulacja przepływu ciepła w przodku ściany węglowej |
|
|
|
|
Analiza i symulacja przepływu ciepła w przodku ściany węglowej Autorzy: D., Ch. Panigrahi
Środowisko pracy na przodku ściany węglowej urabianej mechanicznie jest jednym z ważniejszych podsystemów warunkujących wydajność pracy, wielkość produkcji oraz bezpieczeństwo górników. Dlatego też dokładne przewidywanie warunków klimatycznych i odpowiednio zaprojektowany system wentylacyjny są tak ważne przy planowaniu i projektowaniu prac w wysokoproduktywnych ścianach. W tym celu niezbędny jest niezawodny model symulacyjny do wykorzystania przez projektantów i inżynierów w kopalni dla zaprojektowania wygodnego miejsca pracy w rejonie prac ścianowych i zapobiegania problemom, które mogą pojawić się w przyszłości. Główne zagadnienia związane z opracowaniem modelu symulacyjnego przedstawiono poniżej: przodek ściany ograniczony jest z trzech stron ( czoło, spąg, strop). W czwartej części są zroby, zawierające wydobyty materiał różnych kształtów i wymiarów; cześć powietrza wlotowego przedostaje się do zrobów i przechodzi z powrotem do przodka z różnych odległości oraz poprzez chodnik powrotny; w trakcie pracy wrębiarki cienka warstwa węgla odrywana jest od czoła ściany, świeżo oderwane warstwy stropu i spągu poddawane są działaniu powietrza wentylacyjnego i wskutek przesuwania się podpór, jedna warstwa oderwana ze stropu i jedna oderwana ze spągu w pobliżu krawędzi zrobu będzie do tych zrobów wpadać. Wiek poszczególnych warstw wystawionych na działanie powietrza wentylacyjnego w różnych etapach procesu będzie różny; w przodku ściany znajdują się także inne źródła ciepła i wilgoci: - wrębiarka, zarówno w czasie pracy jałowej, jak i w trakcie wcinania, - przenośnik pancerny AFC, zarówno pusty, jak i załadowany, - pokruszony węgiel transportowany przenośnikiem. W artykule zaprezentowano dwa modele symulacyjne do prognozowania warunków klimatycznych w przodku urabianym mechanicznie. Jeden z modeli opiera się na zasadzie liniowego przepływu ciepła. Zroby nie są traktowane jako warstwa ciągła dla emisji ciepła. Ciepło płynące od zrobów przenoszone jest przez powietrze wydostające się ze zrobów i łączy się z powietrzem na przodku w kilku dyskretnych punktach na długości przodka. W celu uwzględnienia czasu ekspozycji danej warstwy na przepływające ciepło oblicza się jej wiek poprzez wygenerowanie elementów prostokątnych (zgodnie z metodą elementów skończonych) w czele, spągu i stropie. Szerokość poszczególnych elementów równa jest głębokości wrębu ścianowego, a długość równa jest przyrostowi długości przyjętemu na potrzeby symulacji. Przepływ ciepła obliczany jest oddzielnie dla każdego z elementów, sumowany dla całego przyrostu i następnie numerycznie całkowany po długości całkowitej przodka. Drugi model symulacyjny wykorzystuje algorytm promieniowego, nieustalonego przepływu ciepła. Przodek traktowany jest jako cylindryczny tunel. Model został opracowany po zmodyfikowaniu algorytmu tak, by uwzględniał on drogi powietrza (McPherson 1986). Podstawowe równanie przewodnictwa ciepła przyjmie postać jak we wzorze (14). W modelu promieniowym strumień ciepła obliczany dla danego odcinka wymaga podania jednej liczby określającej wiek skały i nie obejmuje obliczania przepływu ciepła z odrywanych warstw. Dlatego też reprezentatywny wiek został obliczany na podstawie wieku wszystkich elementów w ramach przyrostu. Podobnie jak w poprzednim modelu, przepływ ciepła obliczany jest także dla przyrostu długości, a wynik jest numerycznie całkowany po całkowitej długości przodka. W obydwu modelach uwzględniono wpływ ciepła i wilgotności dostarczanych przez maszyny oraz inne źródła: wrębiarkę, przenośnik opancerzony, przenoszony węgiel, powietrze ulatniające się ze zrobów itp. W celu walidacji modeli przeprowadzono szerokie badania w terenie w pięciu polach ścianowych w pięciu kopalniach węgla, z uwzględnieniem następujących warunków pracy: wszystkie maszyny włączone i trwa wybieranie wrębiarką, wszystkie maszyny na przodku pracują bez obciążenia przez krótki czas, wszystkie maszyny na przodku pracują bez obciążenia przez dłuższy czas. Oprócz badań cieplno-higrometrycznych, wszystkie dane niezbędne do symulacji zostały zgromadzone w czasie badań w terenie. W obydwu modelach uzyskano zadowalający poziom korelacji, tak więc każdy z tych modeli może być wykorzystywany do prognozowania warunków klimatycznych w regionie przodka ścianowego.
|
2011