При ведении горных работ в атмосферу рудника выделяются токсичные и взрывоопасные газы. Безопасные условия труда для горнорабочих обеспечивают с помощью принудительной вентиляции, используя вентиляторы главного и местного проветривания. В тупиковые горные выработки, которые не имеют сквозного прохода, свежий воздух подается через вентиляционные трубопроводы. В результате его ударения о забой, то есть о поверхность горной массы, нередко образуются турбулентные вихри. Они хаотичны и могут либо усугубить проветривание, либо улучшить. Ученые Пермского Политеха и Горного института УрО РАН выяснили, как правильно расположить вентиляционный трубопровод, чтобы повысить качество проветривания тупиковых горных выработок и безопасность рабочих.

Статья опубликована в журнале «Известия ТулГУ. Науки о Земле», 2024 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания.

Тупиковыми называют подземные выработки, которые не имеют сквозного прохода. Их качественное проветривание – это серьезная задача, которая предотвращает накопление опасных газов в атмосфере рудника и отравление горнорабочих. При этом правильное обустройство вентиляционной системы в шахтах зависит от многих факторов, в том числе от перемещения воздушных масс по рабочей зоне и вихрей, возникающих после ударения свежего потока о горный массив.

Сегодня активно применяется нагнетательный способ проветривания, когда чистый воздух подается с помощью вентиляторов по вентиляционному трубопроводу, который прокладывается практически до конца тупиковой выработки. Ученые Пермского Политеха и Горного института УрО РАН выяснили, что длину, структуру и форму вихря, можно определить по такому показателю, как спутный поток воздуха, направленного из трубопровода к забою.

В настоящее время для более детализированного и углубленного изучения различных физических процессов в горнодобывающей промышленности все чаще используют методы трехмерного моделирования с помощью компьютерных программ. Этот метод позволяет анализировать поведение объектов в различных условиях и предсказывать результаты экспериментов еще до их проведения или при помощи валидации модели подтверждать результаты научных гипотез.

На основе этого исследователи разработали трехмерную модель выработки площадью 28 квадратных метров и длиной 100 метров, в которой располагается вентиляционный трубопровод, подающий в выработку свежий воздух. Модель позволила детально отследить, как разные варианты расположения вентиляционного трубопровода в сечении выработки влияют на интенсивность вихря. А также установили длину его зоны действия, то есть зону перемешивания воздушных потоков, которые непосредственно влияют на безопасность и эффективность проветривания.

Ученые рассматривали разные варианты отставания конца трубопровода от стенки забоя: 15 и 30 метров. Также рассчитывали величину вихря для нескольких способов его расположения в выработке: в центральной части, в углу, под кровлей, на высоте роста человека.

Модель показала, что для лучшей работы вентиляционной системы необходимо, чтобы воздушная струя после выхода из трубопровода прижималась к стенкам выработки и не разворачивалась преждевременно. Так вымывание опасных газов из рабочей зоны будет эффективнее.

– Наилучший вариант при отставании конца трубопровода на 15 и 30 метров наблюдается при его размещении в одном из нижних углов выработки. Это создает наиболее широкую область для разворота воздушной струи у стенки забоя. Менее эффективно его размещение по центру под кровлей, – объясняет Алексей Таций, старший преподаватель кафедры горной электромеханики ПНИПУ, инженер Горного института УрО РАН.

Исследование ученых Пермского Политеха и УрО РАН подтвердило сильное влияние положения вентиляционного трубопровода на качество проветривания от опасных газов, выделяющихся в процессе ведения горных работ. В результате был определен лучший вариант его размещения в тупиковых горных выработках. Применение выявленных параметров в горнодобывающей промышленности повысит безопасность шахтеров.

– Интенсивность добычи, как и площадь обрабатываемых участков месторождений, увеличивается с каждым годом. Чтобы не допустить скопление ядовитых газов и улучшить эффективность добычи ресурсов, необходимо организовать качественное проветривание всех рабочих зон рудника. Для этого на сегодня повышают скорость воздуха вплоть до предельного значения 15 м/с, – пояснил Артем Зайцев, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых ПНИПУ, зав. лабораторией развития горного производства Горного института УрО РАН, доктор технических наук.

При этом ужесточаются требования к типу и параметрам клетей. Обычно тип подъемного сосуда определяют из условия спуска в шахту всей смены за заданное время. И чтобы вовремя доставить персонал к подземным рабочим зонам, требуется использовать клети, перекрывающие существенную часть поперечного сечения шахтного ствола (более 30%). Скорость их движения также близка к предельному по Правилам безопасности значению 12м/с.

– Из-за всего этого повышается влияние поршневого эффекта, который представляет собой возмущение воздушного потока и формирует дополнительное аэродинамическое сопротивление. Оно создается сосудом во время спуска-подъема и может нарушать устойчивое проветривание горных выработок, – рассказал Михаил Семин, зав. лабораторией математического моделирования геотехнических процессов Горного института УрО РАН, доктор технических наук.

Существующие научные работы, изучающие эту проблему, не учитывают особенности формы клети и не рассматривают аэродинамическое влияние ее движения на главную вентиляционную установку.

Ученые Пермского Политеха и Горного института УрО РАН проанализировали воздействие поршневого эффекта от движения подъемного сосуда на рабочую точку главного вентилятора и выяснили, что современная методика оценки этого влияния занижает показатели прироста сопротивления вентиляционной сети. Это уменьшает точность расчетов и мешает установить необходимые компенсирующие меры по улучшению вентиляции в шахтах.

Исследователи разработали новую модель для описания течения воздуха в окрестности движущейся клети. Они провели численное моделирование воздушного распределения на участке шахтного ствола с движущимся подъемным сосудом.

В результате исследования получена зависимость перепада давления воздушного потока, проходящего через подъемный сосуд, от скоростей воздуха и клети, а также ее размеров. На основе этого создали общую методику расчета дополнительного аэродинамического сопротивления. Ее необходимо учитывать, чтобы задать параметры работы главной вентиляторной установки.

Созданная учеными ПНИПУ и УрО РАН модель поможет назначить компенсирующие мероприятия с учетом влияния аэродинамического сопротивления, и за счет этого уменьшить воздействие поршневого эффекта на проветривание шахт. Это поспособствует значительному снижению риска возникновения взрыва на производстве и влияния токсичных примесей на шахтеров.