Экспериментальные исследования проветривания тупиковой выработки нагнетательным способом при различном отставании вентиляционного трубопровода от груди забоя

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.

1. Швырков И.А. Проветривание глухих забоев после паления. Безопасность труда в горной промышленности. 1934;(5):5–12; 1934(6):4–15.

2. Ксенофонтова А.И., Воропаев А.Ф. Проветривание глухих выработок. М.: Углетехиздат; 1944. 112 с.

3. Воронин В.Н. Основы рудничной аэро-газодинамики. М.-Л.: Углетехиздат; 1951. 492 с.

4. 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.2019.8140.1683

5. Li 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/ijerph19148717

6. Branny 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/10.1088/1742-6596/745/3/032045

7. Козырев 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.

8. 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/10.18796/0041-5790-2023-3-75-78

9. 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.

10. 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/su14053030

11. Liu 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.2020.119392

12. Xin 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.2021.102227

13. García-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/en12173352

14. Файнбург Г.З. Цифровизация процессов проветривания калийных рудников. Монография. Пермь-Екатеринбург; 2020. 422 с.

15. Мустель П.И. Рудничная аэрология. М.: Недра; 1970. 215 с.

16. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. О выборе способа проветривания тупиковых горных выработок газообильных угольных шахт. Горный журнал. 2014;(12):99–104.

17. 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/10.18799/24131830/2020/7/2715

18. Казаков 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/10.18799/24131830/2022/9/3624

19. Казаков 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_5

20. Мостепанов Ю.Б. Исследование дальнобойности стесненной струи, действующей в забое тупиковой выработки. Известия Вузов. Горный журнал. 1978;(11):47–50.

21. 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.2005.01.002

22. Hasheminasab 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.2019.03.022

23. Мальцев 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/10.25018/0236-1493-2020-2-0-46-57