Устойчивое проветривание горных выработок необходимо для исключения рисков скопления горючих и ядовитых примесей в рудничной атмосфере. Это обеспечивает безопасность выполнения работ, исключает вероятность отравления горнорабочих или взрыва. В связи с увеличением интенсивности добычи полезных ископаемых растет и необходимость усиления проветривания шахт. Для этого требуется подача больших объемов воздуха в шахты и рудники. Этому может препятствовать движение клетей и скипов, обеспечивающих транспортирование горной массы, людей и оборудования. Так образуется поршневой эффект, нарушающий устойчивое проветривание рудника. Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами Горного института УрО РАН выявили недостатки существующих подходов к его учету и предложили новый. Это позволит разработать компенсирующие мероприятия для исключения негативного влияния поршневого эффекта и сделать вентиляцию шахт более надежной.
Статья опубликована в «Горном журнале» № 11 за 2023 год. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания (проект № 122030100425-6).
Добыча полезных ископаемых в подземных шахтах осуществляется с помощью системы горных выработок — искусственных полостей для извлечения каменного угля, драгоценных металлов и т.д. На поверхности находится вентиляционная установка. Она подает воздух по шахтным стволам в подземное рабочее пространство, по которому перемещаются клети и скипы.
— 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.
