Моделирование в ANSYS CFD процесса проветривания карьеров

С.С. Кобылкин¹, А.С. Кобылкин², Сис Муе¹, Альфа Мамаду Барри^3
1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
² Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация
³ Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы, г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2024 стр.102-106

Резюме: Безопасность и эффективность ведения открытых горных работ зависят от принятых проектных решений, в том числе по проветриванию. Расчёт вентиляции карьеров должен быть произведен либо по общепринятым методикам, о которых кратко рассказывается в данной статье, либо с применением специальных программ. Наиболее просто и быстро относительно традиционного графического способа расчёты по проветриванию можно сделать в программном комплексе Ansys CFD. На основании проведенной серии численных экспериментов и их верификации в данной работе предложены рекомендации по построению трехмерной модели и по параметрам сетки для моделирования проветривания карьеров. Также даны рекомендации по выбору начальных и граничных условий. В качестве верификации полученных результатов предлагается использовать три базовых подхода. Первый подход заключается в проверке неизменяемости границ прямого и обратного воздушного потока при изменении скорости ветра. Второй подход базируется на наличии в результатах моделирования локальных зон рециркуляции на отдельных уступах подветренного борта. И третий подход реализуется при выполнении контрольного расчёта скорости движения воздуха в произвольной точке в карьере. Проектирование вентиляции карьера является необходимым условием для оценки уровня опасности ведения горных работ. Выполняя расчёты по проветриванию на стадии выбора технологических решений, можно выбрать оптимальные параметры системы разработки.

Ключевые слова: безопасность горных работ, карьер, проветривание, моделирование локальных зон рециркуляции, Ansys CFD

Для цитирования: Кобылкин С.С., Кобылкин А.С., Сис Муе, Альфа Мамаду Барри. Моделирование в ANSYS CFD процесса проветривания карьеров. Горная промышленность. 2024;(4):102–106. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-102-106

Информация о статье

Поступила в редакцию: 04.06.2024

Поступила после рецензирования: 04.07.2024

Принята к публикации: 11.07.2024

Информация об авторах

Кобылкин Сергей Сергеевич – доктор технических наук, профессор, кафедра безопасности и экологии горного производства, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-2626-208X; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Кобылкин Александр Сергеевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-1512-890X

Cис Муе – кандидат технических наук, докторант кафедры безопасности и экологии горного производства, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0009-7838-7149

Барри Альфа Мамаду – аспирант кафедры недропользования и нефтегазового дела Инженерной академии, Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы, г. Москва, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0003-2260-1421

Введение

Проветривание – базовое мероприятие по обеспечению промышленной безопасности при ведении горных работ. Несмотря на открытый способ добычи полезных ископаемых расчёты по величине выбросов вредных веществ, по количеству необходимого чистого воздуха для разбавления и выноса газов с пылью, а также поступающего за счет ветра количества воздуха, необходимы. В настоящее время расчеты по вентиляции на карьерах встречаются редко. Обусловлено это не отсутствием методик, а только предположением, что обеспечить проветривание карьера (в тех же объемах по количеству воздуха, как при естественной вентиляции) техническими решениями невозможно. Однако элементарный расчёт позволяет оценить степень влияния вентиляции карьера на выбранную систему вскрытия и разработки. При ответственном планировании возможно существенно сократить простои на достижение ПДК по газам и пыли, а также повысить безопасность. Встречаются научные работы [1–3], в которых вопросы проветривания рассматриваются для частных случаев, или работы, посвященные разработке новых технологических решений по проветриванию [4–6]. В ФНиП указывается только необходимость соблюдения требований по непревышению допустимых концентраций газов и пыли. Требования к наличию элементарного расчёта естественного проветривания в документе нет. Хотя, для того чтобы провести расчеты по вентиляции карьера, необходимо иметь минимальное количество информации: параметры климата (направление и скорость ветров, а также температуру) и план горных работ. Также стоит отметить, что расчёт проветривания необходим при выборе тактики ведения аварийно-спасательных работ в случае пожара [7].

Рис. 1 План ведения горных работ (а), роза ветров (б) и секущие прямые I-I, II-II

Fig. 1 Mining plan (а), wind rose (б) and secant lines I-I, II-II

Для примера простоты расчетов, а также для демонстрации современных решений по проветриванию был выбран карьер «Северная гряда», расположенный в районе Чуйской долины (рис. 1). Расчеты включают в себя определение схемы проветривания карьера (как правило, графическим способом), а также поиск зон с прямым и обратным течением воздушных потоков (рис. 3, а). Далее выполняются элементарные расчёты поступающего в карьер воздуха за счёт действия ветра. Основные параметры в расчетных формулах находятся из графических построений (см. рис. 1 и 3, а). Так, при прямоточной схеме проветривания для рассматриваемого примера в карьер поступает воздух в количестве Q = 0,124 ∙ xср ∙vв ∙ L = 1093 м3/с (расчёт выполнен по методике [8]), где xср – среднее значение абсцисс границы x для ряда характерных профилей карьера, совпадающих с направлением ветра, м; vв – средняя скорость ветра, м/с; L – длина карьера в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м. На плане горных работ выделены контрольные точки «Точка 1» и «Точка 2». В дальнейшей работе в них будет проводиться сравнение показателей направления и скорости движения воздуха при расчетах, выполненных графическим путем, и при расчетах с применением компьютерного моделирования.

Проведенный расчёт необходимого количества воздуха и поступающего за счёт естественного проветривания показал, что вентиляция справляется с разбавлением всех вредных примесей до ПДК по всем загрязняющим веществам, за исключением пыли.

Наличие только плана ведения горных работ и открытых данных из интернета по метеоусловиям позволяет в незначительные сроки сделать расчёт проветривания карьера. Использование программных средств, например [6; 9; 10], позволяет ускорить этот процесс. Еще одно средство проектирования вентиляции базируется на применении программного комплекса Ansys CFD (или его отечественного аналога FlowVision). Однако для его применения необходимо учитывать некоторые особенности, которые рассмотрены далее.

Результаты

Моделирование

По плану горных работ в модуле Design Modeling подготавливается трехмерная модель карьера (рис. 2, а) в масштабе 1:1. Трехмерная модель построена с областью атмосферы над карьером. При этом высота этой области определялась как семь глубин карьера, т.е. Hатмосфера = 7 ∙ Нкарьер. Выполнение этого условия позволяет получить распределения воздушных потоков в соответствии с общепринятыми данными [8; 11; 12], без недостоверного искривления воздушного потока [2; 3]. Для корректного задания граничных условий по действию ветра после проведенной серии численных экспериментов было определено оптимальное решение выбора формы атмосферы над карьером в виде параллелепипеда. Он должен быть сориентирован таким образом, чтобы одна из его сторон была перпендикулярна направлению преобладающего ветра. По данной стороне задается условие равномерного движения воздуха со скоростью vв.

Рис. 2 Вид трехмерной модели карьера (а) и расчетной сетки (б)

Fig. 2 View of the three-dimensional open pit model (а) and the computational grid (б)

Третьим важным моментом является построение расчётной сетки. Она должна быть сгущена у самой поверхности карьера с учетом скорости воздушного потока, задаваемого как начальное условие. Далее необходимо при генерации расчётной сетки поставить условие равномерного увеличения длины ребер Growth Rate не менее 1,1. Для данной модели количество элементов (тетраэдров) составило более 10 млн с минимальным размером ребра по поверхности карьера 0,5 м (рис. 2, б).

В результате проведенных расчетов были получены сведения по аэродинамическим процессам проветривания в карьере «Северная Гряда». Результаты моделирования позволяют определить зоны рециркуляции сразу по всему карьеру.

При моделировании наиболее сложной работой является построение трехмерной модели карьера. В будущем этот этап работы будет выполняться с помощью трехмерного сканирования, которое набирает большую популярность на горных предприятиях, что заметно упростит построение трехмерной модели карьера.

Верификация

Верификация проводилась путем визуального и численного сравнения результатов моделирования с традиционным методом, основанным на графическом способе (см. рис. 3, а). Профили с векторами скорости движения воздуха (см. рис. 3, б), полученные в результате моделирования, наглядно показывают локальные рециркуляционные зоны, которые также были определены графическим путем. Проведенное моделирование позволяет выявить зоны рециркуляции сразу по всему карьеру, что более наглядно и просто, чем при графическом способе (рис. 4).

Рис. 3 Схема проветривания карьера по секущей прямой II-II (а) и график ветров скорости движения воздуха по подветренному борту карьера (б)

Fig. 3 A schematic diagram of open pit ventilation along secant line II-II (а) and a graph of wind velocity along the leeward wall of the open pit (б)

Рис. 4 Изоповерхность с нулевой скоростью движения воздуха при различной скорости ветра

Fig. 4 Isosurface with zero air velocity at different wind speeds

Проведенный численный эксперимент с увеличением скорости ветра также позволил верифицировать способ проведения расчётов, основанный на трехмерном моделировании в ПО Ansys CFD. Известно [8; 11; 12], что скорость ветра не влияет на схему проветривания карьера, а границы обратных течений воздушных потоков не изменяются.

Для проверки были проведены расчёты с разной скоростью движения ветра (0,1, 1, 2 и 3 м/с). Далее для каждого случая была построена изоповерхность с нулевой скоростью (выделено на рис. 4 голубым цветом). Как видно (см. рис. 4), во всех случаях расположение изоповерхности совпадает.

На третьем этапе верификации проводилось сравнение расчётных значений скорости воздушного потока в контрольных точках 1 и 2 с модельными значениями. Точки были выбраны для наглядности в двух зонах: на наветренном борту карьера (точка 1) и в зоне рециркуляции (точка 2). С учетом параметрического моделирования были получены графики зависимости скорости воздуха в контрольной точке от скорости ветра (рис. 5). Как видно, они имеют линейную зависимость и полностью совпадают с расчётами по формулам из общепринятых методик [8; 11; 12].

Рис. 5 График зависимости скорости воздуха в точке в карьере при различной скорости ветра на поверхности

Fig. 5 A line plot of air velocity dependence at a point in the open pit at different wind speeds on the ground surface

Все три этапа верификации позволили подтвердить корректность результатов моделирования в ПО Ansys CFD. Данный подход по проверке моделирования в дальнейшем может быть использован как контрольный способ оценки правильности проведенных расчётов.

Трёхмерное моделирование имеет дальнейшее широкое применение в части контроля распределения вредных веществ (пыли и газа). Сегодня такие задачи решаются при обосновании локальных технических решений как в России [1; 4], так и за рубежом [13–15]. При разработке методик применения данных программ для проектирования вентиляции (с четкими требованиями к модели, расчётной сетке, начальным и граничным условиям) существенно повысится безопасность и эффективность открытых горных работ.

Заключение

Проектирование вентиляции карьеров на все этапы существования должно быть обязательным условием при разработке проектной документации. Все контролирующие организации (такие, как Ростехнадзор, ВГСЧ и др.) должны проверять наличие и полноту проведенных расчётов по проветриванию карьеров. Как показано в данной статье, расчет проветривания не является сложным и трудозатратным. При этом возможно использовать специальное программное обеспечение (например, Ansys CFD или FlowVision), которое существенно может упростить процесс проектирования.

Трехмерное моделирование может быть использовано при расчёте параметров проветривания карьеров как один из способов проектирования вентиляции карьеров. Современные технологии по 3D сканированию карьеров позволяют упростить процесс моделирования – создание трехмерной модели. Данная часть занимает больше всего времени (до 90%). Остальные этапы применения Ansys CFD позволяют сделать большую часть операций автоматически.

В качестве рекомендаций предлагается выбирать высоту над поверхностью карьера равной не менее чем семи глубинам карьера. Расчётная сетка должна быть сгущена у поверхности карьера и далее ее рост должен быть плавным (коэффициент Growth Rate не менее 1,1).

Моделирование позволяет упростить определение зон рециркуляции по всему карьеру. Это достигается путем выполнения только одного расчета сразу для всего пространства карьера. То есть не требуется использовать графический способ для определения зон с прямым и обратным течением воздушных потоков.

Изменяя скорость и направление воздушного потока, можно определить наиболее неблагоприятные условия ведения горных работ. Отталкиваясь от полученных сведений, можно изменить параметры технологии для повышения аэрологической безопасности.

Список литературы

1. Гендлер С.Г., Борисовский И.А. Оценка влияния температурных условий на естественную вентиляцию глубоких карьеров арктической зоны. Устойчивое развитие горных территорий. 2022;14(2):218–227. Gendler S.G.1, Borisovskiy I.A. Estimated impact of temperature conditions on deep pits natural ventilation in the Arctic. Sustainable Development of Mountain Territories. 2022;14(2):218–227. (In Russ.)

2. Гендлер С.Г., Борисовский И.А. Оценка особенностей формирования температурных инверсий при открытой добыче полезных ископаемых в условиях Арктики. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021;(4):59–75. Gendler S.G., Borisovsky I.A. Estimation of peculiarities of temperature inversion formation in open mining in the Arctic conditions. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2021;(4):59–75. (In Russ.)

3. Гендлер С.Г., Борисовский И.А. Оценка эффективности естественного проветривания карьеров при отработке золоторудных месторождений на основе математического моделирования аэродинамических процессов. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020;(4):441–452. Gendler S.G., Borisovsky I.A. Estimation of the efficiency of natural ventilation of pits during mining the gold deposit based on mathematical modeling of aerodynamic processes. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Nauki o Zemle. 2020;(4):441–452. (In Russ.)

4. Амосов П.В., Бакланов А.А. Численное моделирование процессов естественного проветривания карьера при вариации его глубины в условиях инверсионного состояния атмосферы. Горная промышленность. 2023;(5S):65–71. https:// doi.org/10.30686/1609-9192-2023-5S-65-71 Amosov P.V., Baklanov A.A. Numerical modeling of natural ventilation processes in an open pit mine at its various depths in inversion atmospheric conditions. Russian Mining Industry. 2023;(5S):65–71. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-5S-65-71

5. Amosov P.V. Numerical modeling of open pit ventilation when varying the location of the dust and gas cloud. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2021;(7):5–15. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2021-7-5-15

6. Андреев А.А., Маслобоев А.В. Программный модуль расчета времени естественного проветривания карьера (на примере рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК»). В кн.: Труды международного симпозиума «Надежность и качество», г. Пенза, 24 по 31 мая 2021 г. Пенза; 2021. Т. 1. С. 273–276.

7. Кобылкин С.С., Кобылкин А.С., Баловцев С.В., Харисов А.Р. Научно-обоснованные решения по разработке инструкции по составлению плана ликвидации аварий для угольных разрезов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(6-1):84–98. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-61-0-84-98 Kobylkin S.S., Kobylkin A.S., Balovtsev S.V., Kharisov A.R. Science-based solutions on the development of instructions for an emergency response plan for open-pit mines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2020;(6-1):84–98. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-61-0-84-98

8. Воронина Л.Д., Багриновский А.Д., Никитин В.С. Расчёт рудничной вентиляции. М.: Госгортехиздат; 1962. 487 с.

9. Wang Y., Du C., Xu H. Key factor analysis and model establishment of blasting dust diffusion in a deep, sunken open-pit mine. ACS Omega. 2021;6(1):448–455. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04881

10. Huang Z., Ge S., Jing D., Yang L. Numerical simulation of blasting dust pollution in open-pit mines. Applied Ecology and Environmental Research. 2021;17(5):10313–10333. https://doi.org/10.15666/aeer/1705_1031310333

11. Никитин В.С., Битколов Н.З. Проектирование вентиляции в карьерах. М.: Недра; 1980. 171 с.

12. Ушаков К.З., Михайлов В.А. Аэрология карьеров. М.: Недра; 1975. 248 с.

13. Flores F., Garreaud R., Munoz R.C. OpenFOAM applied to the CFD simulation of turbulent buoyant atmospheric flows and pollutant dispersion inside large open pit mines under intense insolation. Computers & Fluids. 2014;90:72–87. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.11.012

14. Chen X.-H. On surface mining process dust pollution and measures. Building Technology Dev. 2016;43:158–159.

15. Vaibhav R. Three dimensional computational fluid dynamics models of pollutant transport in a deep open pit mine under Arctic air inversion and mitigation measures. Thesis. Fairbanks, Alaska; 2015. 324 p. Available at: https://www.academia.edu/112151269/ (accessed: 01.06.2024).