Анализ эффективности работы нового способа проветривания уклонного блока нефтяной шахты

Рассмотрено применение результатов математического моделирования структуры вентиляционных потоков в уклонном блоке нефтяной шахты для обоснования решений и организации нового способа проветривания, идея которого состоит в раздельном проветривании постоянно нагревающейся от высокотемпературного горного массива (нефтяного пласта) части рабочей зоны (горячая зона) и остальной части выработки, более холодной. Такое разделение может быть выполнено с помощью продольной воздухонепроницаемой и теплоизолирующей перегородки на протяжении всей буровой галереи. При этом сброс нагретого воздуха производится не в общую вентиляционную сеть горных выработок нефтешахты, а по вертикальной вентиляционной скважине на поверхность. Математическая модель описывает трехмерное стационарное турбулентное движение и теплоперенос дифференциальными уравнениями в частных производных полуэмпирической модели типа SST k-, поставленная задача решается силами вычислительного пакета ANSYS Fluent с использованием метода двусторонней стенки (предназначен для моделирования обособленных процессов движения воздуха с обеих сторон перегородки). Результаты численного моделирования полностью подтвердили работоспособность и перспективность рассматриваемого способа проветривания: в буровой галерее поддерживаются допустимые условия для работы (соответствующий микроклимат), а нагретый воздух, обычно ухудшающий микроклиматические условия труда, удаляется через вентиляционную скважину на поверхность. Возникающая при этом естественная тяга способствует интенсивному удалению нагретого воздуха и, тем самым, улучшает проветривание уклонного блока и нефтешахты в целом.

Николаев А. В., Максимов П. В., Файнбург Г. З., Конотоп Д. А. Анализ эффективности работы нового способа проветривания уклонного блока нефтяной шахты // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 5. – С. 83–98. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_5_0_83.

Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы деятельности Пермского научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование».

Николаев Александр Викторович¹ — д-р техн. наук, доцент, e-mail: nikolaev0811@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-4601-5780,
Максимов Петр Викторович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: pvmperm@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-3617-5617,
Файнбург Григорий Захарович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: faynburg@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-8004-1969,
Конотоп Данил Алексеевич¹ — аспирант, e-mail: konotopda@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-8004-1969,
¹ Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Николаев А.В., e-mail: nikolaev0811@mail.ru.

1. Коноплев Ю. П., Буслаев В. Ф., Ягубов З. Х., Цхадая Н. Д. Термошахтная разработка нефтяных месторождений. — М.: Недра-Бизнесцентр, 2006. — 288 с.

2. Chertenkov M. V., Mulyak V. V., Konoplev Y. P. The Yarega heavy oil field — history, experience, and future // Journal of Petroleum Technology. 2012, vol. 64, no. 4, pp. 158—160. DOI: 10.2118/0412-0153-JPT.

3. Тюнькин Б. А., Коноплев Ю. П. Опыт подземной разработки нефтяных месторождений и основные направления развития термошахтного способа добычи нефти. — Ухта: ПечорНИПИнефть, 1996. — 160 с.

4. Фомин А. И., Грунской Т. В. Улучшение условий труда шахтеров-нефтяников при переходе от термошахтного способа добычи высоковязкой нефти на модульно-шахтный способ разработки Ярегского месторождения // Безопасность труда в промышленности. — 2020. — № 12. — С. 58—65. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-12-58-65.

5. Afanasjeva I. V., Fathutdinov R. I. Improving procedures of training employees by implementing guidance cards safe methods and techniques of work // Machines. Technologies. Materials. 2016, vol. 10, no. 10, pp. 10—12.

6. Климова И. В. Инструктивные карты безопасных методов и приемов труда для отдельных видов работ, проводимых в нефтешахте // Записки Горного института. — 2017. — Т. 225. — С. 354—359.

7. Бойко В. А., Бойко A. B. Способ ускоренного формирования теплоуравнивающей рубашки горной выработки глубокой шахты // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — № 10. — С. 86—90.

8. Мартынов A. A., Яковенко А. К., Король В. И. К вопросу уменьшения риска тепловых поражений горнорабочих в выработках глубоких шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — № 5. — С. 268—271.

9. Коноплев Ю. П., Гуляев В. Э. Внедрение новых методов термошахтной разработки на Ярегском месторождении высоковязкой нефти // Нефтяное хозяйство. — 2011. — № 2. — С. 89—91.

10. Круглов Ю. В. Методы борьбы с повышенными температурами шахтной атмосферы в рабочих зонах нефтяных шахт Ярегского нефтяного месторождения / Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: труды VI Международной конференции. — Екатеринбург: УГГУ, 2019. — C. 284—293.

11. Цхадая Н. Д., Жуйков А. Е., Ягубов З. Х. Критерий оценки оптимальных условий труда в горных выработках нефтяных шахт // Нефтегазовое дело. — 2012. — № 5. — С. 318—326.

12. Муминов Р. О., Райханова Г. Е., Кузиев Д. А. Повышение надежности и долговечности буровых станков за счет понижения динамических нагрузок // Уголь. — 2021. — № 5. — С. 32—36. DOI: 10.18796/0041-5790-20215-32-36.

13. Гендлер С. Г., Фазылов И. Р. Оценка эффективности использования закрытой системы сбора нефти для нормализации микроклимата в эксплуатационных галереях нефтяных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 65—78. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_94.

14. Рудаков М. Л., Коробицына М. А. О возможности нормализации температуры воздуха в буровых галереях нефтяных шахт // Безопасность труда в промышленности. — 2019. — № 8. — С. 66—71.

15. Казаков Б. П., Левин Л. Ю., Шалимов А. В. Проектирование систем кондиционирования воздуха для нефтяных шахт Ярегского месторождения // Горное эхо. — 2012. — № 1(47). — С. 22—23.

16. Николаев А. В. Способ проветривания уклонных блоков нефтешахт, повышающий энергоэффективность подземной добычи нефти // Нефтяное хозяйство. — 2016. — № 11. — C. 133—136.

17. Nikolaev A. V., Klishin V. I. Use of natural draught for improvement of airing efficiency in the oil mine production unit // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 823, no. 1, article 012047. DOI: 10.1088/1755-1315/823/1/012047.

18. Jianwei Cheng, Yan Wu, Haiming Xu, Jin Liu, Yekang Yang, Huangjun Deng, Yi Wang Comprehensive and integrated mine ventilation consultation model // Tunneling and Underground Space Technology. 2015, vol. 45, pp. 166—180. DOI: 10.1016/j.tust.2014.09.004.

19. Файнбург Г. З. Цифровизация процессов проветривания калийных рудников: Mонография. — Пермь-Екатеринбург, 2020. — 422 с.

20. Yu Xu, Zijun Li, Huasen Liu, Mintao Jia, Qiaoli Wang, Mengsheng Zhang, Yuanyuan Xu Modeling of the dynamic behaviors of heat transfer during the construction of roadway using moving mesh // Сase Studies in Thermal Engineering. 2021, vol. 26, article 100958. DOI: 10.1016/ j.csite.2021.100958.

21. Ding C., He X., Nie B. Numerical simulation of airflow distribution in mine tunnels // International Journal of Mining Science and Technology. 2017, vol. 27, no. 4, pp. 663—667. DOI: 10.1016/j.ijmst.2017.05.017.

22. Wang Z., Ren T., Ma L., Zhang J. Investigations of ventilation airflow characteristics on a longwall face — a computational approach // Energies. 2018, vol. 11, no. 6, article 1564. DOI: 10.3390/en11061564.

23. Krawczyk J. A preliminary study on selected methods of modeling the effect of shearer operation on methane propagation and ventilation at longwalls // International Journal of Mining Science and Technology. 2020, vol. 30, no. 5, pp. 675—682. DOI: 10.1016/j.ijmst.2020.04.007.

24. Павленко М. В., Хайдина М. П., Кузиев Д. А., Пихторинский Д., Муратов А. З. Факторы воздействия комбайна при добыче угля на увеличение метаноотдачи массива в рабочее пространство лавы // Уголь. — 2019. — № 4. — С. 8—11. DOI: 10.18796/00415790-2019-4-8-11.

25. Sasmito A. P., Birgersson E., Ly H. C., Mujumdar A. S. Some approaches to improve ventilation system in underground coal mines environment. A computational fluid dynamic study // Tunnelling and Underground Space Technology. 2013, vol. 34, pp. 82—95. DOI: 10.1016/j.tust.2012.09.006.

26. Jianwei Cheng, Siyuan Li, Fuxi Zhang, Changchun Zhao, Shengqiang Yang, Apurna Ghosh CFD modelling of ventilation optimization for improving mine safety in longwall working faces // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016, vol. 40, pp. 285—297. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.01.004.

27. Каледина Н. О., Кобылкин С. С. Системное проектирование вентиляции шахт на основе объемного моделирования аэрогазодинамических систем // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № S1. — С. 282—293.

28. Guang Xu, Kray D. Luxbacher, Saad Ragab, Jialin Xu, Xuhan Ding Computational fluid dynamics applied to mining engineering: a review // International Journal of Mining, Reclamation and Environment. 2017, vol. 31, no. 4, pp. 251—275.

29. Brodny J., Tutak M. Applying computational fluid dynamics in research on ventilation safety during underground hard coal mining. A systematic literature review // Process Safety and Environmental Protection. 2021, vol. 151, no. 1, pp. 373—400. DOI: 10.1016/j.psep.2021.05.029.

30. Мохирев Н. Н., Радько В. В. Инженерные расчеты вентиляции шахт // Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. — М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. — 324 с.

31. Aitao Z., Wang K. Role of gas ventilation pressure on the stability of airway airflow in underground ventilation // Journal of Mining Science. 2018, vol. 54, no. 12, pp. 111—119.

32. Krainov A. V., Pashkov E. N., Ponomaryov A. V. Conjugate heat transfer in the interaction of the viscous liquid with technological elements of energy systems in conditions of their internal contour moving // Advanced Materials Research. 2014, vol. 1040, pp. 876—880.

33. Nikolaev A. V., Alymenko N. I., Kamenskih A. A., Nikolaev V. A. The results of air treatment process modeling at the location of the air curtain in the air suppliers and ventilation shafts // E3S Web of Conferences. 2017, vol. 15, article 02004. DOI: 10.1051/e3sconf/20171502004.

34. Kychkin A., Nikolaev A. IoT-based mine ventilation control system architecture with digital twin / International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). 2020, article 9111995. DOI: 10.1109/ICIEAM48468.2020.9111995.

35. Gendler S. G. The justification of new technique ventilation at contraction of working with two exits in soil surface // Eurasian Mining. 2016, no. 2, pp. 41—44.

36. Menter F. R. Review of the shear-stress transport turbulence model experience from an industrial perspective // International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2009, vol. 23, no. 4, pp. 305—316.

37. Versteeg H., Malalasekra W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method, 2nd edition. Prentice Hall, 2007. 520 p.