gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2023-08-147gscience-694Research ArticleSAFETY IN MINING AND PROCESSING INDUSTRY AND ENVIRONMENTAL PROTECTIONТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМ КОМПЛЕКСЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫExperimental study on forced ventilation in dead-end mine working with various setbacks of the ventilation pipeline from the working faceЭкспериментальные исследования проветривания тупиковой выработки нагнетательным способом при различном отставании вентиляционного трубопровода от груди забояhttps://orcid.org/0000-0002-6456-5487КаменскихА. А.KamenskikhA. A.

Каменских Антон Алексеевич – кандидат технических наук, научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики.

Пермь

Anton A. Kamenskikh – Cand. Sci. (Eng.), Researcher at the Department of Aerology and Thermophysics, Chief Researcher of the Department of Aerology and Thermophysics, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.

Perm

timir2418@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9599-7581ФайнбургГ. З.FaynburgG. Z.

Файнбург Григорий Захарович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела аэрологии и теплофизики.

Пермь

Scopus ID 57217891724

Grigoriy Z. Faynburg – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Chief Researcher of the Department of Aerology and Thermophysics, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.

Perm

Scopus ID 57217891724

faynburg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5200-7931СеминМ. А.SeminM. A.

Семин Михаил Александрович – доктор технических наук, ученый секретарь.

Пермь

Scopus ID 56462570900; ResearcherID S-8980-2016

Mikhail A. Semin – Dr. Sci. (Eng.), Scientific Secretary, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.

Perm

Scopus ID 56462570900; ResearcherID S-8980-2016

seminma@inbox.ruhttps://orcid.org/0009-0001-2514-6204ТацийА. В.TatsiyA. V.

Таций Алексей Вадимович – инженер.

Пермь

Aleksey V. Tatsiy – Engineer, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.

Perm

alexeytaciy@gmail.comГорный институт УрО РАНРоссияMining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202404042024914152Copyright © Kamenskikh A.A., Faynburg G.Z., Semin M.A., Tatsiy A.V., 20242024Каменских А.А., Файнбург Г.З., Семин М.А., Таций А.В.Kamenskikh A.A., Faynburg G.Z., Semin M.A., Tatsiy A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/694

The study of airflow patterns at the ends of dead-end mine workings is crucial for optimizing underground mining ventilation systems. Understanding these patterns forms the basis for designing and implementing effective ventilation strategies.

Previous studies have shed light on the behavior of the main vortex and the formation of stagnant zones in such environments, but these insights remain fragmented and call for a more systematic exploration to integrate them into a comprehensive theory.

This paper presents the results of a thorough field investigation into the forced ventilation behavior in a dead-end mine working with a significant cross-sectional area (29.2 m2). We evaluated the impact of varying the setback distance of the ventilation duct’s end from the working face at intervals of 10, 15, 17, 19, and 21 m. The experimental design included precise measurements of turbulent airflow velocities at 25 carefully chosen points (in a 5x5 grid) for each setback distance, covering the area from the working face to beyond the end of the ventilation duct. This included additional measurements taken 1 meter and 10 meters past the termination of the ventilation duct, moving towards the entrance of the working area.

The fieldwork was carried out in a typical dead-end stope at the Kupol gold-silver mine in the Chukotka Autonomous District, created by drilling and blasting.

The volume of fresh air delivered to the working was maintained at a consistent rate of 17.4 m3/s across all scenarios, aligning with the mine’s standard air flow rate derived from the ventilation requirement for exhaust gases emitted by internal combustion engines of Load-Haul-Dump (LHD) machinery. With the duct’s terminal cross-sectional area at 0.8 m², this resulted in an inflow velocity averaging 21.75 m/s.

Additionally, we included insights from three-dimensional numerical simulations performed in ANSYS Fluent, focusing on steady-state air movement and developed turbulence within the dead-end space. A comparative review of both empirical and modeled data shows that the ventilation jet, for all tested setback distances up to 21 m, successfully delivered air to the working face, where it then dispersed and initiated reverse flow patterns.

These experiments led to the formulation of a linear relationship between the maximum relative velocity (compared to the initial jet velocity) at a distance of 1 m from the working face and a key geometric factor of the ventilation setup. This factor is the ratio of the duct’s setback distance to a characteristic dimension of the cross-sectional area, calculated as the square root of the cross-sectional area.

Исследование структуры вентиляционных потоков в призабойной части тупиковой выработки является важным элементом при целенаправленном управлении ее проветриванием и обеспечении безопасности ведения подземных горных работ. Ранее проведенные исследования показывают, что, несмотря на общее понимание протекающих в тупиковой выработке процессов возникновения основного вихря и застойных зон, полученные результаты носят фрагментарный характер и без дополнительных исследований практически не поддаются единому концептуальному обобщению.

В статье приведены результаты детального натурного эксперимента по исследованию процессов нагнетательного проветривания тупиковой выработки большого сечения (29,2 м2) с пятью различными вариантами отставания конца нагнетательного вентиляционного трубопровода от груди забоя: 10, 15, 17, 19 и 21 м. Для каждого варианта в соответствии с разработанной методикой эксперимента производили замеры скорости турбулентного вихревого воздушного потока в 25 различных характерных точках (сетка 5х5) в каждом сечении тупиковой горной выработки, которые выбирали через каждый метр от груди забоя до конца вентиляционного става, а также дополнительно еще через 1 м и еще через 10 м от конца вентиляционного става к устью выработки.

Исследования проводили в стандартной тупиковой очистной выработке, проходимой буровзрывным способом, на золотосеребряном руднике «Купол», расположенном в Чукотском автономном округе. Расход подаваемого в выработку свежего воздуха во всех случаях сохраняли постоянным и равным типичному для рудника расходу 17,4 м3/с, определяемому расчетным значением по фактору проветривания выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания погрузочно-доставочных машин. При площади сечения конца трубопровода 0,8 м2 это дает среднюю скорость поступающей струи в 21,75 м/с. Данные натурного эксперимента дополняли результатами трехмерного численного моделирования в вычислительном пакете ANSYS Fluent. Исследовали стационарное движение воздуха в тупиковой выработке в режиме развитой турбулентности. Сравнительный анализ полученных результатов натурного и численного экспериментов убедительно показал, что во всех исследуемых случаях отставания (не более 21 м) вентиляционного трубопровода от груди забоя вентиляционная струя, выходящая из вентиляционного трубопровода, достигает груди забоя, а затем разворачивается вдоль него с различной интенсивностью и формирует обратное движение воздушного потока из тупика.

Полученные результаты позволили получить линейное уравнение связи между максимальной относительной (к начальной скорости струи) скоростью на расстоянии 1 м от груди забоя и основного геометрического фактора зоны проветривания – отношения длины отставания конца трубопровода к характерному поперечному размеру – корню квадратному из площади поперечного сечения.

рудничная вентиляциятупиковый забойнагнетательный способ проветриванияотставание вентиляционного трубопроводанатурный экспериментчисленный экспериментструктура воздушных потоковmine ventilationdead-end faceforced ventilationventilation pipeline setbackfield experimentnumerical experimentairflow structureИсследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (рег. номер НИОКТР 124020500030-7).The research received financial support from from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (reg. number NIOKTR 124020500030).ReferencesШвырков И.А. Проветривание глухих забоев после паления. Безопасность труда в горной промышленности. 1934;(5):5–12; 1934(6):4–15.Shvyrkov I.A. Ventilation of blind faces after burning. Occupational Safety in Industry. 1934;(5):5–12; 1934(6):4–15. (In Russ.)Ксенофонтова А.И., Воропаев А.Ф. Проветривание глухих выработок. М.: Углетехиздат; 1944. 112 с.Ksenofontova A.I., Voropaev A.F. Ventilation of blind workings. Moscow: Ugletekhizdat; 1944. 112 p. (In Russ.)Воронин В.Н. Основы рудничной аэро-газодинамики. М.-Л.: Углетехиздат; 1951. 492 с.Voronin V.N. Fundamentals of mine aero-gasdynamics. Moscow-Leningrad: Ugletekhizdat; 1951. 492 p. (In Russ.)Adjiski V., Mirakovski D., Despodov Z., Mijalkovski S. Determining optimal distance from outlet of auxiliary forcing ventilation system to development of heading in underground mines. Journal of Mining and Environment. 2019;10(4):821–832. https://doi.org/10.22044/jme.2019.8140.1683Adjiski V., Mirakovski D., Despodov Z., Mijalkovski S. Determining optimal distance from outlet of auxiliary forcing ventilation system to development of heading in underground mines. Journal of Mining and Environment. 2019;10(4):821–832. https://doi.org/10.22044/jme.2019.8140.1683Li Z., Li R., Xu Y., Xu Y. Study on the optimization and oxygen-enrichment effect of ventilation scheme in a blind heading of plateau mine. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022;19(14):8717. https://doi.org/10.3390/ijerph19148717Li Z., Li R., Xu Y., Xu Y. Study on the optimization and oxygen-enrichment effect of ventilation scheme in a blind heading of plateau mine. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022;19(14):8717. https://doi.org/10.3390/ijerph19148717Branny M., Jaszczur M., Wodziak W., Szmyd J. Experimental and numerical analysis of air flow in a dead-end channel. Journal of Physics: Conference Series. 2016;745:032045. https://doi.org/10.1088/1742-6596/745/3/032045Branny M., Jaszczur M., Wodziak W., Szmyd J. Experimental and numerical analysis of air flow in a dead-end channel. Journal of Physics: Conference Series. 2016;745:032045. https://doi.org/10.1088/1742-6596/745/3/032045Козырев С.А., Амосов П.В. Математическое моделирование проветривания тупиковых выработок при взрывных работах с использованием CFD-моделей. В: Аэрология и безопасность горных предприятий. Сборник научных трудов. 2013;(1):23–29.Kozyrev S.A., Amosov P.V. Mathematical modeling of blind working ventilation during blasting works with CFD-models used. In: Aerology and Safety of Mining Enterprises. Collection of Research Papers. 2013;(1):23–29. (In Russ.)Кулик А.И., Тимченко А.Н., Костеренко В.Н., Кобылкин С.С. Особенности моделирования аэрогазодинамики очистного забоя угольной шахты. Уголь. 2023;(3):75–78. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-3-75-78Kulik A.I., Timchenko A.N., Kosterenko V.N., Kobylkin S.S. Features of modelling aerogasodynamics of coal mine face. Ugol’. 2023;(3):75–78. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-3-75-78Juganda A., Strebinger C., Brune J. F. Discrete modelling of a longwall coalmine gob for CFD simulation. International Journal of Mining Science and Technology. 2020;(30):463–469.Juganda A., Strebinger C., Brune J. F. Discrete modelling of a longwall coalmine gob for CFD simulation. International Journal of Mining Science and Technology. 2020;(30):463–469.Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5):3030. https://doi.org/10.3390/su14053030Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5):3030. https://doi.org/10.3390/su14053030Liu A., Liu S., Wang G., Elsworth D. Predicting fugitive gas emissions from gob-to-face in longwall coal mines: coupled analytical and numerical modeling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;150:119392. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119392Liu A., Liu S., Wang G., Elsworth D. Predicting fugitive gas emissions from gob-to-face in longwall coal mines: coupled analytical and numerical modeling. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;150:119392. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119392Xin S., Wang W., Zhang N. et al. Comparative studies on control of thermal environment in development headings using force/exhaust overlap ventilation systems. Journal of Building Engineering. 2021;38:102227. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102227Xin S., Wang W., Zhang N. et al. Comparative studies on control of thermal environment in development headings using force/exhaust overlap ventilation systems. Journal of Building Engineering. 2021;38:102227. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102227García-Díaz M., Sierra C., Miguel-González C., Pereiras B. A discussion on the effective ventilation distance in dead-end tunnels. Energies. 2019;12(17):3352. https://doi.org/10.3390/en12173352García-Díaz M., Sierra C., Miguel-González C., Pereiras B. A discussion on the effective ventilation distance in dead-end tunnels. Energies. 2019;12(17):3352. https://doi.org/10.3390/en12173352Файнбург Г.З. Цифровизация процессов проветривания калийных рудников. Монография. Пермь-Екатеринбург; 2020. 422 с.Fainburg G.Z. Digitalization of the processes of ventilation of potash mines. Monograph. Perm-Ekaterinburg; 2020. 422 p. (In Russ.)Мустель П.И. Рудничная аэрология. М.: Недра; 1970. 215 с.Mustel P. I. Mine aerology. M.: Nedra Publ.; 1970. 215 p. (In Russ.)Каледина Н.О., Кобылкин С.С. О выборе способа проветривания тупиковых горных выработок газообильных угольных шахт. Горный журнал. 2014;(12):99–104.Kaledina N.O., Kobylkin S.S. On the choice of a method for ventilating dead-end mine workings in gas-rich coal mines. Gornyi Zhurnal. 2014;(12):99–104. (In Russ.)Колесов Е.В., Казаков Б.П. Эффективность проветривания тупиковых подготовительных выработок после взрывных работ. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020;(7):15–23. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/7/2715Kolesov E.V., Kazakov B.P. Efficiency of ventilation of dead-end development headings after blasting operations. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2020;(7):15–23. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2020/7/2715Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е.Л. Эжектирование возвратного потока воздуха для увеличения дальнобойности направленной в тупик воздушной струи. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022;333(9):27–36. https://doi.org/10.18799/24131830/2022/9/3624Kazakov B.P., Shalimov A.V., Grishin E.L. Ejecting the return air flow on increasing the range of the air jet directed into the face of the dead-end drift. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2022;333(9):27–36. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2022/9/3624Казаков Б.П., Колесов Е.В., Накаряков Е.В., Исаевич А.Г. Обзор моделей и методов расчета аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(6):5–33. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_6_0_5Kazakov B.P., Kolesov E.V., Nakariakov E.V., Isaevich A.G. Models and methods of aerogasdynamic calculations for ventilation networks in underground mines: Review. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(6):5–33. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_6_0_5Мостепанов Ю.Б. Исследование дальнобойности стесненной струи, действующей в забое тупиковой выработки. Известия Вузов. Горный журнал. 1978;(11):47–50.Mostepanov Yu.B. Study of the range of a constrained jet acting in the face of a dead-end mine. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 1978;(11):47–50. (In Russ.)Parra M.T., Villafruela J.M., Castro F., Mendez C. Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines. Building and Environment. 2006;41(2):87–93. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.01.002Parra M.T., Villafruela J.M., Castro F., Mendez C. Numerical and experimental analysis of different ventilation systems in deep mines. Building and Environment. 2006;41(2):87–93. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.01.002Hasheminasab F., Bagherpour R., Aminossadati S.M. Numerical simulation of methane distribution in development zones of underground coal mines equipped with auxiliary ventilation. Tunnelling and Underground Space Technology. 2019;89:68–77. https://doi.org/10.1016/j.tust.2019.03.022Hasheminasab F., Bagherpour R., Aminossadati S.M. Numerical simulation of methane distribution in development zones of underground coal mines equipped with auxiliary ventilation. Tunnelling and Underground Space Technology. 2019;89:68–77. https://doi.org/10.1016/j.tust.2019.03.022Мальцев С.В., Казаков Б.П., Исаевич А.Г., Семин М.А. Исследование динамики процесса воздухообмена в системе тупиковых и сквозной выработок большого сечения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(2):46–57. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-2-0-46-57Maltsev S.V., Kazakov B.P., Isaevich A.G., Semin M.A. Air exchange dynamics in the system of large cross-section blind roadways. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2020;(2):46–57. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-2-0-46-57

The authors declare that there are no conflicts of interest present.