Уменьшение эффекта водяной пробки в вентиляционных стволах за счет управления капельной влагой и параметрами системы вентиляции рудника

Представлены результаты разработки способа управления капельной влагой и параметрами системы вентиляции рудника для минимизации эффекта водяной пробки, или бланкет-эффекта, в вентиляционных стволах рудников. Описаны результаты моделирования нестационарных процессов формирования бланкет-эффекта и рассчитаны характерные времена накопления капельной влаги в стволе в зависимости от скорости исходящего воздушного потока, места расположения источника водопритоков и его интенсивности. На примере одного из медно-никелевых рудников сделана количественная оценка смещения рабочей точки главной вентиляторной установки в результате дополнительного аэродинамического сопротивления, создаваемого капельной влагой в стволе. Показано, что для уменьшения влияния бланкет-эффекта на систему вентиляции рудника следует предусмотреть мероприятия, направленные на уменьшение количества капельной влаги, попадающей в ствол. Определены возможные способы управления производительностью главной вентиляторной установки, направленные на минимизацию эффекта водяной пробки в стволе. Выбор конкретного способа зависит от максимальной мощности вентилятора и фактической величины водопритоков в ствол. Показано, что если у вентилятора есть резерв для перехода в зону повышенных расходов, то для минимизации бланкет-эффекта необходимо увеличить частоту вращения рабочего колеса для перехода рабочей точки в положение правее от зоны влияния бланкет-эффекта; если у вентилятора нет резерва для преодоления потенциального барьера водяной пробки, и при этом за барьером вентилятор может устойчиво работать в области высоких расходов, следует временно снизить частоту вращения рабочего колеса для сброса влаги в зумпф и после этого вернуться к прежней частоте, что позволит обойти не успевший сформироваться потенциальный барьер водяной пробки. Промоделировано изменение рабочей точки вентилятора при применении разработанных способов.

Колесов Е. В., Семин М. А. Уменьшение эффекта водяной пробки в вентиляционных стволах за счет управления капельной влагой и параметрами системы вентиляции рудника // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 5. – С. 62–78. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_5_0_62.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90076, а также при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (рег. номер НИОКТР 122030100425-6).

Колесов Евгений Викторович¹ — инженер, e-mail: kolesovev@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-0755-7405,
Семин Михаил Александрович¹ — д-р техн. наук, ученый секретарь, зав. лабораторией, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
¹ Горный институт УрО РАН.

Колесов Е.В., e-mail: kolesovev@gmail.com.

1. Левин Л. Ю. Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников: Автореф. дис. … докт. техн. наук. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2010. — 44 с.

2. Пестрикова В. С., Тарасов В. В., Загвоздкин И. В. Жизненные циклы системы комплекса шахтных стволов на верхнекамском месторождении // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2021. — № 3. — С. 213—221. DOI: 10.46689/2218-5194-20213-1-207-215.

3. Князев Н. А., Кормщиков Д. С. Повышение безопасности эвакуации горнорабочих через вентиляционные стволы во время реверсирования воздушной струи в холодное время года на глубоком руднике // Горное эхо. — 2022. — № 3(88). — С. 74—80. DOI: 10.7242/echo.2022.3.12 .

4. Денисенко Е. А. Влияние капежа в вертикальных шахтных стволах на проектирование плановых координат гравитационным способом // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. — 2012. — № 38. — С. 60—69.

5. Картозия Б. А., Корчак А. В., Левицкий А. М., Лернер В. Г., Малышев Ю. Н., Рахманинов Ю. П., Резуненко В. И., Смирнов В. И., Федунец Б. И., Филимонов Б. А., Шуплик М. Н. Шахтное и подземное строительство: учебник. Т. 1. — М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. — 607 с.

6. Шалимов А. В., Казаков Б. П., Зайцев А. В. Аналитический подход к оценке эффекта водяной пробки в вентиляционных стволах шахт // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — Т. 332. — № 6. — С. 39—48. DOI: 10.18799/ 24131830/2021/06/3234.

7. Lambrechts V. J. The value of water drainage in upcast mine shafts and fan drifts // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 1956, March, pp. 307—324.

8. De Souza Е. The mystery of the ventilation raises / Proceedings of the 16th North American Mine Ventilation Symposium. Golden, USA: Colorado School of Mines. 2017, pp. 135—145.

9. Блудов А. Е. Исследование влияния падающей воды в вентиляционных стволах на проветривание шахт // Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. — 1969. — № 5(23). — С. 22—26.

10. McPherson M. J. Subsurface ventilation and Environmental engineering. Chapman & Hall, 2009, 824 p.

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

12. Semin M., Zaitsev A. On a possible mechanism for the water build—up formation in mine ventilation shafts // Thermal Science and Engineering Progress. 2020, vol. 20, pp. 107—116. DOI: 10.1016/j.tsep.2020.100760.

13. Viljoen J., von Glehn F. H. Investigation of water build-up in vertical upcast shafts through CFD analysis / Proceedings of the 11th International Mine Ventilation Congress. Springer, Singapore. — 2019, pp. 1003—1014. DOI: 10.1007/978-981-13-1420-9_86.

14. Kolesov E., Kazakov B., Shalimov A., Zaitsev A. Study of the water build-up effect formation in upcast shafts // Mathematics. 2023, vol. 11, no. 6, article 1288. DOI: 10.3390/math11061288.

15. Колесов Е. В., Семин М. А., Казаков Б. П., Князев Н. А. Совершенствование метода расчета коэффициента теплоотдачи шахтного вентиляционного ствола по данным экспериментальных измерений в реверсивном режиме проветривания // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 3. — С. 57—71. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_3_0_57.

16. Казаков Б. П., Колесов Е. В., Накаряков Е. В., Исаевич А. Г. Обзор моделей и методов расчета аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 6. — С. 5—33. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2021_6_0_5.

17. Nel A. J. H., Vosloo J. C., Mathews M. J. Evaluating complex mine ventilation operational changes through simulations // Journal of Energy in Southern Africa. 2018, vol. 29, no. 3, pp. 22—32.

18. Ren W., Reutzsch J., Weigand B. Direct numerical simulation of water droplets in turbulent flow // Fluids. 2020, vol. 5, p. 158. DOI: 10.3390/fluids5030158.

19. Малышенко Ю. И., Роенко А. Н. Учет мелкокапельной фракции в функции распределения дождевых капель по размерам для терагерцевого диапазона волн // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14. — № 3. — С. 323—330.

20. Ptaszynski B., Łuczak R., Zyczkowski P., Kuczera Z. Thermodynamic processes of the air flowing through a ventilation shaft in underground mines // Archives of Mining Sciences. 2018, vol. 63, no. 1, pp. 149—163. DOI: 10.24425/118892.

21. Thakur P. Advanced mine ventilation. Respirable coal dust, combustible gas and mine fire control. 1st ed., 2018, 528 p. DOI: 10.1016/C2014-0-04167-6.