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

Methods for microclimate normalization in deep long blind drifts

Актуальность исследования обусловлена необходимостью рудников решать новые проблемы нормализации микроклимата, возникающие при проходке все более глубоких и нагретых породных массивов протяженными тупиковыми выработками. Цель: определить эффективность различных способов нормализации микроклимата в забое разведочной выработки-2 ПАО «ГМК "Норильский никель"». Объекты: геологоразведочная выработка-2 ПАО «ГМК "Норильский никель"». Методы: численное моделирование тепломассопереноса в атмосфере горной выработки, проведение сравнительного анализа результатов моделирования. Результаты. Рассмотрены способы нормализации микроклимата в глубоких протяженных тупиковых выработках, их особенности, преимущества и недостатки. Представлена математическая модель тепломассопереноса в атмосфере горной выработки с вентиляционным трубопроводом, учитывающая конвективный и лучистый теплообмен. Представлены результаты расчета различных способов снижения температуры воздуха, подаваемого в забой геологоразведочной выработки, строящейся на медно-никелевом руднике компании ПАО «ГМК "Норильский никель"». Проведен сравнительный анализ различных горнотехнических и теплотехнических мероприятий по снижению температуры воздуха в забое выработки до значений, допустимых согласно Правилам безопасности. Выявлено, что увеличение объема подачи воздуха не позволяет значительно снизить температуру в забое. Применение теплоизолированного вентиляционного трубопровода существенно снижает температуру подаваемого в забой воздуха, но её значение по-прежнему остается выше допустимых значений. Показано, что использование камеры орошения позволяет обеспечить допустимую температуру воздуха в зимний период, но не позволяет обеспечить её в летний период. Наиболее универсальным, эффективным, но дорогостоящим способом снижения температуры воздуха является применение подземных систем кондиционирования воздуха на базе парокомпрессионных машин.The relevance of the research is provided by the complexity of microclimate normalization in long blind drifts which are driven deeply through geothermally heated rocks. The aim of the research is the evaluation of usability of different ways for microclimate normalization in the working section of the exploration drift-2 in the mine of PJSC «MMC "Norilsk Nickel"». Objects: the exploration mine exploration drift-2 of PJSC «MMC "Norilsk Nickel"». Methods: the numerical simulation of heat and mass transfer in the atmosphere of the long exploration drift, the comparative analysis of simulation results. Results. The paper reviews ways, comparing their features, advantages, and disadvantages, for microclimate normalization in deep blind drifts. The presented mathematical model describes the heat and mass transfer in the working section of the blind drift with ventilation through the air duct. The model considers convective and radiant heat transfers. The results of the numerical simulation are given for different air-cooling methods which are applicable in the case of the deep copper-nickel mine of PJSC «MMC "Norilsk Nickel"». Drawing on this, different mining and thermal engineering operations for normalization of air temperatures in the working section regarding safety requirements are compared. It is defined that increasing the intake air flowrate could not decrease the air temperature near the face. The use of thermally insulated duct significantly decreases the air temperature in the working section but does not reduce it to the permitted value. It is shown, that the air irrigation could normalize temperatures in winter and not during the summer months. Underground air conditioning is the most universal and effective way for this purpose but highly expensive

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