Расчет аэродинамического сопротивления проектируемых шахтных стволов с использованием методов вычислительной гидродинамики

Аэродинамические сопротивления стволов шахт являются одними из важнейших параметров вентиляционных сетей шахт и рудников, от правильного задания которых зависит адекватность математических моделей сетевого воздухораспределения. Определение коэффициентов аэродинамического сопротивления проектируемых стволов шахт на сегодняшний день представляет собой серьезную сложность ввиду невозможности проведения прямых натурных измерений и ограниченности существующих теоретических методик, разработанных в середине прошлого века. Последнее связано с тем, что, во-первых, эти методики ориентируются на объем существующих справочных данных, который ограничивается информацией о стволах диаметрами 5–7 м, а во-вторых, имеются очень ограниченные сведения по сопротивлениям тюбинговых крепей. В настоящее время зачастую проектируются и строятся шахтные стволы диаметрами от 8 до 10 м в свету. По этой причине для определения коэффициентов аэродинамического сопротивления современных стволов в настоящей работе предложено использовать методы вычислительной гидродинамики (или CFD-методы, Computational Fluid Dynamics modeling). В рамках настоящей работы разработаны трехмерные численные модели клетевого и скипового стволов проектируемого рудника с детальной прорисовкой тюбинговой крепи и проектного армирования. Расчеты в программном комплексе Ansys Fluent показали, что распределение скорости воздуха в стволе существенно неравномерно из-за влияния жесткой расстрельной армировки. По результатам численного моделирования получено, что коэффициенты аэродинамического сопротивления клетевого и скипового стволов с учетом проектного армирования равны соответственно 0,0202 Н·с2/м4 и 0,0514 Н·с2/м4. Предложены мероприятия по уменьшению аэродинамического сопротивления стволов, такие как: изменение взаимного расположения тюбинговых колец, применение бетонной крепи, изменение формы расстрелов, применение гибкой канатной армировки. Проведен сравнительный анализ эффективности предложенных мероприятий и в результате принят вариант армирования ствола, при котором коэффициенты аэродинамического сопротивления клетевого и скипового стволов снижаются на 34 и 44% соответственно. Сделан вывод о применимости CFD-методов для определения аэродинамических сопротивлений нетиповых стволов с учетом различных схем армирования.

Левин Л. Ю., Мальцев С. В., Семин М. А., Колесов Е. В. Расчет аэродинамического сопротивления проектируемых шахтных стволов с использованием методов вычислительной гидродинамики // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 5. – С. 100–117. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_5_0_100.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проекты № 122030100425-6 и 124020500030-7).

Левин Лев Юрьевич¹ — член-корреспондент РАН, д-р техн. наук, заместитель директора по научной работе, зав. отделом, e-mail: aerolog_lev@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-0767-9207,
Мальцев Станислав Владимирович¹ — канд. техн. наук, доцент, зав. сектором, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: st.v.maltsev@ya.ru, ORCID ID: 0009-0002-9887-1455,
Семин Михаил Александрович¹ — д-р техн. наук, ученый секретарь, зав. лабораторией, e-mail: seminma@inbox.ru, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
Колесов Евгений Викторович¹ — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: kolesovev@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-0755-7405,
¹ Горный институт Уральского отделения РАН.

Мальцев С.В., e-mail: st.v.maltsev@ya.ru.

1. Мохирев Н. Н., Радько В. В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. — М.: Недра, 2007. — 327 с.

2. Круглов Ю. В. Моделирование систем оптимального управления воздухораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. — Пермь, 2006. — 20 с.

3. Мустель П. И. Определение коэффициентов вентиляционного сопротивления круглых шахтных стволов // Записки Горного института. — 1959. — Т. 1. — С. 8—25.

4. Скочинский А. А., Ксенофонтова А. И., Харев А. А., Идельчик И. Е. Аэродинамическое сопротивление шахтных стволов и способы его снижения. — М.: Углетехиздат, 1953. — 363 с.

5. Мальцев С. В., Семин М. А., Кормщиков Д. С. Метод определения коэффициентов аэродинамического сопротивления шахтных стволов медно-никелевых рудников // ФТПРПИ. — 2020. — № 6. — С. 170—178.

6. McPherson M. J. The resistance to airflow of mine shafts / Trans. 3rd US Mine Ventilation Symposium, Penn, 1987, pp. 465—477.

7. McPherson M. J. Subsurface ventilation and environmental engineering. Chapman & Hall, 2009, 824 p.

8. Пересторонин М. О., Паршаков О. С., Попов М. Д. Параметризация модели вентиляционной сети при анализе аварийных режимов проветривания систем горных выработок // Горные науки и технологии. — 2023. — Т. 8. — № 2. — С. 150—161.

9. Liu M., Zhu C., Zhang H., Zheng W., You S., Campana P. E., Yan J. The environment and energy consumption of a subway tunnel by the influence of piston wind // Applied Energy. 2019, vol. 246, pp. 11—23.

10. Кобылкин С. С., Ушаков В. К., Кузнецов И. И. Анализ местных сопротивлений горных выработок на общешахтное аэродинамическое сопротивление // Горная промышленность. — 2024. — Т. 2. — С. 93—96. DOI: 10.30686/1609-9192-2024-2-93-96.

11. Кобылкин С. С., Кузнецов И. И., Федоров Д. А., Кобылкин А. С. Оценка влияния местных и лобовых аэродинамических сопротивлений на воздухораспределение в вентиляционной сети / Проблемы и перспективы комплексного освоения и сохранения земных недр: Труды 5-й Конференции Международной научной школы академика РАН К.Н. Трубецкого. — М., 2022. — С. 266—268.

12. Levin L. Yu., Semin M. A. Influence of shock losses on air distribution in underground mines // Journal of Mining Science. 2019, vol. 55, no. 2, pp. 287—296.

13. Мельник В. В., Федорова М. А., Мурин К. М., Буханик А. И., Малова С. А. Подземная геотехнология. Процессы подземных горных работ в магистральных транспортных выработках, стволах и на поверхности шахты. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2022. — 68 с.

14. Zijun Li, Rongrong Li, Yu Jiao Xu, Yuanyuan Xu Study on the optimization and oxygen-enrichment effect of ventilation scheme in a blind heading of plateau mine // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022, vol. 19, no. 14, article 8717. DOI: 10.3390/ijerph19148717.

15. He D., Wang X., Guo C., Li H., Liu J. The analysis of the factors influencing the operation of the piston wind in the cage of the hybrid hoisting shaft and the simulation study of the operation effect // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024, vol. 149, article 105799.

16. Zhang H., Falk L., Allen C. An application of computational fluid dynamics to predict shock loss factors at raise junctions in underground mine ventilation systems // Mining, Metallurgy & Exploration. 2024, vol. 41, no. 3, pp. 1155—1170.

17. Kempson W. J., Webber-Youngman R. C. W., Meyer J. P. Optimizing shaft pressure losses through computational fluid dynamics modelling // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2013, vol. 113, no. 12, pp. 931—939. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.04.058.

18. He D., Wang X., Guo C., Li H., Zhang Y. Study on the influence of the cage lifting piston effect in main intake shafts on air flow in transportation lanes // Applied Sciences. 2023, vol. 13, no. 3, article 1419. DOI: 10.3390/app13031419.

19. Huang H., Sun T., Zhang G., Li D., Wei H. Evaluation of a developed SST k- turbulence model for the prediction of turbulent slot jet impingement heat transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019, vol. 139, pp. 700—712.

20. Duan Y., Zheng Q., Jiang B. Use of computational fluid dynamics to implement an aerodynamic inverse design method based on exact Riemann solution and moving wall boundary // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2020, vol. 14, no. 1, pp. 284—298.

21. Мальцев С. В. Исследование и разработка способов определения аэродинамических параметров сложных вентиляционных систем подземных рудников: Aвтореф. дисс. … канд. техн. наук. — Пермь, 2020. — 24 с.

22. Brake D. J. Mine ventilation: a practitioner’s manual. Brisbane, Australia: Mine Ventilation, 2012, 791 p.

23. Zhou Y.-C., Liu J.-H., Huang S., Yang H.-T., Ji H.-G. Performance change of shaft lining concrete under simulated coastal ultra-deep mine environments // Construction and Building Materials. 2020, vol. 230, article 116909. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.116909.

24. Рудничная вентиляция. Справочник / Под ред. К.З. Ушакова. — М.: Недра, 1988. — 440 с.