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.
