Simulation of thermal regime dynamics of dead-end mine workings with heat release source

Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения температуры воздуха в тупиковых горных выработках при ведении работ, связанных с выделением большого количества теплоты. Разработка способов нормализации термодинамических параметров рудничного воздуха в забоях на основе построения прогнозных математических моделей изменения теплового режима является необходимым условием обеспечения безопасности труда в горнодобывающей промышленности. Цель: получение зависимостей для определения скорости повышения температуры воздуха в тупиковой выработке при известных величинах интенсивности выделения теплоты и скорости ее отведения вентиляционной струей. Объекты: тупиковые выработки и окружающий породный массив. Методы: решение задачи нестационарного теплообмена рудничного воздуха и породного массива в сопряженной постановке с помощью преобразований Лапласа; оценка безопасности по газовому фактору интенсификации выноса теплоты из горной выработки путем увеличения подачи воздуха в забой за счет частично-повторного использования воздуха. Результаты. Проведен анализ проблемы отвода теплоты, выделяющейся при работе оборудования в замкнутом пространстве горных выработок. Показано, что процессов поглощения теплоты породным массивом и ее отведения за счет проветривания может быть недостаточно для обеспечения нормативных значений температуры воздуха. Разработана математическая модель сопряженного теплообмена воздуха и породного массива, позволяющая прогнозировать повышение температуры с течением времени в зависимости от длины выработки и суммарной интенсивности выделения теплоты в ней. Установлено, что теплообменные процессы продолжительностью в несколько часов могут моделироваться в приближении малых времен, что значительно упрощает расчетные зависимости. Произведен расчет динамики теплового режима при характерном для шахтных условий наборе физических параметров задачи, результаты которого явились обоснованием сделанного приближения и подтвердили опасность быстрого увеличения температуры воздуха при недостаточной скорости выноса теплоты из выработки вентиляционной струей. Доказано, что при необходимости дополнительного отведения теплоты можно применять источники тяги высокой производительности с частично-повторным использованием исходящего воздуха без риска увеличения содержания газов в тупиковых выработках.The relevance of the research is caused by the need to reduce the air temperature during mining operations in dead-end workings associated with the release of a large amount of heat. Development of ways to normalize the thermodynamic parameters of mine air in the faces based on the construction of predictive mathematical models of change of the thermal regime is a necessary condition for safety in the mining industry. The aim of the research is to obtain dependences for determining the rate of air temperature increase in a dead-end mine at known values of the intensity of heat release and its removal by a ventilation jet. Objects: dead-end workings and the surrounding rock mass. Methods: solution of the problem of non-stationary heat transfer of mine air and rock mass in the conjugate formulation using Laplace transformations; safety assessment on the gas factor of intensification of heat removal from the production by increasing the air supply to the bottom using recirculation. Results. The authors have analyzed the problem of heat removal, released during the operation of mining equipment in a confined space of mine workings. It is shown that heat absorption by the rock mass and its removal due to ventilation may not be enough to prevent excessive overheating of the air. A mathematical model of the conjugate heat exchange of air and rock is developed, which allows predicting the temperature increase over time depending on the length of production and the total intensity of heat release in it. It is established that heat exchange lasting several hours can be modeled in the approximation of small times, which greatly simplifies the calculated dependences. The calculation of the dynamics of the thermal regime under a set of physical parameters characteristic of mine conditions of the problem, the results of which were the basis of the approximation made and confirmed the danger of a rapid increase in air temperature with insufficient intensity of heat removal from the workings of the ventilation jet. It is proved that if additional heat removal is necessary, it is possible to use traction sources with a large flow rate and air recirculation, without fear of increasing gas content in the bottom hole

Efficiency of ventilation of dead-end development headings after blasting operations

Актуальность исследования обусловлена необходимостью улучшения системы вентиляции тупиковых выработок, сокращения трудозатрат на их вентиляцию и ускорения выполнения основных операций по проходке выработок. Цель: определение оптимального расстояния от конца трубопровода до груди забоя тупиковой выработки с точки зрения эффективности проветривания тупиковой подготовительной выработки. Объект: система вентиляции тупиковой подготовительной выработки. Методы: многопараметрическое трехмерное численное моделирование на основе методов вычислительной гидродинамики. Приведены результаты трехмерного численного моделирования проветривания тупиковой подготовительной выработки от выделившихся в результате взрывных работ ядовитых газов. Варьируемыми параметрами модели являются: начальная концентрация и распределение вредных примесей в тупиковой выработке после проведения взрывных работ, расстояние от конца нагнетательного трубопровода до тупикового забоя, поперечное сечение тупиковой выработки, а также расход свежего воздуха, поступающего через трубопровод. Получена расчетная формула для определения объема зоны смешения. Показано, что время проветривания тупиковой выработки не зависит от длины зоны отброса газов, а зависит от начальной средней концентрации ядовитых газов в зоне смешения. Получены значения безразмерного коэффициента эффективности проветривания K тупиковой выработки, или коэффициента турбулентной диффузии В. Н. Воронина, в зависимости от варьируемых параметров. Показано, что коэффициент K не зависит от величины входящего расхода свежего воздуха, а зависит только от геометрических параметров системы вентиляции тупиковой выработки и принимает постоянное значение для данной конфигурации системы вентиляции. Показано, что существует оптимальное расстояние от конца трубопровода до забоя, при котором происходит наиболее эффективный вынос вредных примесей.The relevance of the research is caused by the need to improve the ventilation system of dead-end headings, labor reduction for their ventilation, speeding up basic mining operations. The main aim of the research is to determin the effective ventilation parameters of a dead-end heading. Object of the research is the ventilation system of dead-end heading. Method of the research is multiparameter three-dimensional numerical simulation based on computational fluid dynamics methods. The paper introduces the results of three-dimensional numerical simulation of gas dilution in a dead-end heading. The variable parameters of the model are the initial concentration and distribution of toxic gases in the dead-end heading after blasting operations, the distance from the dead-end heading to the air duct, the cross section area of the dead-end heading, as well as the flow rate of fresh air entering through the air duct. The calculation formula for determining the volume of the mixing zone is obtained. It was shown that the airing time of the dead-end heading does not depend on the length of the gas plug, but depends on the initial average concentration of toxic gases in the mixing zone. The values of the dimensionless efficiency coefficient K of a dead-end heading ventilation are obtained. It is shown that the coefficient K is independent on the amount of incoming fresh air flow, and depends only on the geometric parameters of the ventilation system of the dead-end heading and takes a constant value for this configuration of the ventilation system. It is shown that there is an optimal distance from the air duct to the heading face, at which the most effective removal of toxic gases occurs

Ejecting the return air flow on increasing the range of the air jet directed into the face of the dead-end drift

Актуальность исследования обусловлена необходимостью развития ресурсосберегающих технологий нагнетательного проветривания тупиковых горных выработок, связанных с обеспечением сохранности воздухопроводов во время проведения взрывных работ. Решение проблемы заключается в разработке технических решений, позволяющих убрать конец воздухопровода из зоны поражающего действия разлетающихся осколков горной породы, отодвинув его от груди забоя на безопасное расстояние без нарушения требований правил безопасности. Цель: разработка ресурсосберегающего способа проветривания тупиковых выработок нагнетанием, связанного с использованием кинетической энергии воздушной струи для подсоса возвратного потока воздуха в камеру смешения с ожидаемым эффектом увеличения расстояния проветривания. Объекты: тупиковые выработки. Методы: аналитическое и численное моделирование процессов эжекции воздуха и распространения стеснённой настилающейся воздушной струи, направленной в тупик; сравнительный анализ экспериментальных и модельных данных. Результаты. Проведён анализ экспериментальных данных по проветриванию тупиковых выработок нагнетательным способом с отставанием конца трубопровода от груди забоя. Отмечено, что полученные различными исследователями экспериментальные зависимости для определения дальнобойности вентиляционной струи не позволяют сделать однозначный вывод о допустимом расстоянии отставания ввиду слишком большого разброса значений коэффициента пропорциональности между ним и поперечным размером выработки. Установлено, что причиной разброса является пренебрежение зависимостью дальнобойности струи от её начальной скорости и расхода, которая тем менее ярко выражена, чем менее стеснённой является струя. Рассмотрена возможность увеличения стеснения и расхода струи путём эжекционного подсоса возвратного потока воздуха в установленную перед концом трубопровода камеру смешения. Представлена аналитическая модель работы эжекторной установки с проницаемой перемычкой, по результатам которой сделана оценка увеличения расхода струи за счёт рециркуляции. Несмотря на небольшое значение коэффициента эжекции численное моделирование процесса показало неожиданно большое увеличение дальности проветривания при возрастании начальной скорости струи в реальном диапазоне, и требуемый результат отставания трубопровода в 50 м был достигнут. Показано, что предложенный ресурсосберегающий способ нагнетательного проветривания тупиковых выработок требует проведения предварительной процедуры подбора и оптимизации геометрических размеров трубопровода, камеры смешения и расхода воздуха, т. к. при численном моделировании наблюдается как недостаточная глубина проветривания, так и потеря устойчивости с развалом единого циркуляционного вихря при чрезмерно интенсивном движении воздуха.The relevance of the study is caused by the need to develop resource-saving technologies for forced ventilation of dead-end drifts related to ensuring the safety of air ducts during blasting. The solution to the problem lies in the development of technical solutions that make it possible to remove the end of the air duct from the zone of damaging effects of flying fragments of rock, moving it away from the dead-end face to a safe distance without violating the safety rules. Purpose: to develop a resource-saving method of dead-end drift ventilation, which provides the increase of the ventilation range by means of the kinetic energy of the air jet flowing from the booster fan with a mixing chamber. Objects: dead-end drifts. Methods: analytical and numerical modeling of the processes of air ejection and propagation of a constrained overlaying air jet directed to a dead end; comparative analysis of experimental data and simulation results. Results. The analysis of experimental data on the ventilation of dead-end drift by the ejection method with the lag of the end of the pipeline from the dead-end face was carried out. It is noted that the experimental dependencies obtained by various researchers for determining the range of the ventilation jet do not allow us to make an unambiguous conclusion about the permissible lagging distance due to too large spread in the values of the proportionality coefficient between it and the transverse dimension of the drifts. It was established that the reason for the scatter is the neglect of the dependence of the jet range on its initial velocity and flow rate, which is the less pronounced, the less constrained the jet is. The possibility of increasing the constraint and flow rate of the jet by ejection suction of the return air flow into the mixing chamber installed before the end of the pipeline is considered. The paper introduces the analytical model of the operation of an ejector installation with a permeable bulkhead, based on the results of which an increase in the jet flow rate due to recirculation was estimated. Despite the small value of the ejection coefficient, the numerical simulation of the process showed an unexpectedly strong increase in the ventilation range with an increase in the initial jet velocity in the real range, and the required pipeline lag result of 50 meters was achieved. It is shown that the proposed resource-saving method of forced ventilation of dead-end drifts requires a preliminary procedure for selecting and optimizing the geometric dimensions of the pipeline, mixing chamber and air flow, because in numerical simulation, both insufficient ventilation depth and loss of stability with the collapse of a single circulation vortex were observed during excessively intense air movement

Analytical approach to estimation of water build-up effect in mine ventilation shafts

Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения дополнительной нагрузки на главные вентиляторные установки, связанной с возникновением обратной тяги при капеже в вентиляционных стволах шахт и рудников. Наиболее остро проблема нормализации работы вентилятора возникает в случае возможного перехода его в режим неустойчивой работы, что сопряжено с необходимостью не только энергосбережения, но и предотвращения его аварийного останова. Цель: выяснение причин и механизма возникновения эффекта «водяной пробки» в вентиляционных стволах с получением качественных и количественных оценок величины обратной тяги в зависимости от скорости движения воздуха, глубины и интенсивности источника выделения влаги. Объекты: вентиляционные стволы шахт. Методы: аналитическое моделирование процессов конденсации влаги и движения капель в восходящем воздушном потоке; сравнительный анализ экспериментальных и модельных данных. Результаты. Проведён анализ экспериментальных данных по образованию и движению капельной влаги в вентиляционных стволах различных рудников. Отмечено, что эффект водяной пробки наблюдается в ограниченном диапазоне скоростей движения воздуха от 7 до 12 м/с, но в некоторых случаях эффект отсутствует, даже несмотря на наличие густого тумана и обильной конденсации влаги на поверхности крепи и армировки ствола. Рассмотрены три возможных сценария возникновения эффекта: накопление большого количества зависающих в воздухе капель определённого размера; падение капель крупных размеров по всей глубине ствола с источником выделения влаги в его верхней части и разнонаправленное движение капель в зависимости от их размера с источником влаговыделения, расположенным на произвольной глубине. Установлено, что первые две модели не позволяют получить количественную оценку величины эффекта ввиду неопределённости фракционного состава капель, критический размер зависания которых увеличивает обратную тягу до бесконечности. Этот недостаток устранён в третьей модели введением функции распределения капель по размерам, что дало возможность получить количественные результаты. Доказано, что выделение влаги из воздуха не может являться причиной возникновения эффекта «водяной пробки», а причиной являются водопритоки в ствол с интенсивностью, на порядок превышающей конденсацию. По результатам численного моделирования показано, что максимальная обратная тяга возникает при проникновении в ствол поверхностных грунтовых вод.The relevance of the study is caused by the need to reduce the additional aerodynamic load on the main fans associated with the occurrence of pressure drop caused by water build-up effect in mine ventilation shafts. This negative effect can lead to significant increase in the air resistance of the mine and to subsequent unstable operation mode of main fan. Avoiding this effect is important not only for energy save mine ventilation, but also for preventing emergency stop of the main fan. Purpose: finding out the causes and mechanism of the water build-up effect with obtaining qualitative and quantitative estimates of the pressure drop value depending on the air velocity, shaft depth and intensity of the groundwater inflows. Objects: ventilation shafts. Methods: analytical modeling of moisture condensation and droplet movement in an ascending air flow in ventilation shaft; comparative analysis of experimental and model data. Results. The authors have analyzed the experimental data on formation and movement of droplet moisture in the ventilation shafts of various mines. It is noted that the water build-up effect is observed in the range of air velocities from 7 to 12 m/s, but in some cases the effect is absent even despite the presence of thick fog and abundant condensation of moisture on the surface of the shaft lining and other equipment. Three possible scenarios of the effect are considered: accumulation of a large number of drops of a certain size hanging in the air; drops of large size fall along the entire depth of the shaft with a source of moisture release in its upper part and multidirectional movement of drops depending on their size with a source of moisture release located at arbitrary depth. It is established that the first two models do not allow us to obtain a quantitative estimate of the water build-up effect value due to the uncertainty of the fractional composition of drops, the critical size of which increases the pressure drop to infinity. This drawback was eliminated in the third model by introducing the droplet size distribution function, which made it possible to obtain quantitative results. It is proved that the release of moisture from the air cannot be the cause of the water build-up effect, and the cause is the ground water flows into the shaft with intensity of an order of magnitude higher than moisture condensation. Based on the results of numerical modeling, it is shown that the maximum pressure drop occurs when surface groundwater enters the shaft