Совершенствование метода расчета коэффициента теплоотдачи шахтного вентиляционного ствола по данным экспериментальных измерений в реверсивном режиме проветривания

Представлен усовершенствованный метод расчета эффективного коэффициента теплоотдачи между крепью обводненного вентиляционного ствола и воздушным потоком по данным экспериментальных измерений в реверсивном режиме проветривания на основе численного решения системы уравнений сопряженного тепломассообмена между воздушным потоком и стенками ствола с учетом влагопереноса. Прямой модельный учет меняющегося влагосодержания воздушной струи позволил более точно оценить изменение температуры воздуха в стволе вследствие массообменных процессов. Эффективный коэффициент теплоотдачи, входящий в математическую модель сопряженного тепломассопереноса в воздухе, крепи ствола и породном массиве, определялся путем минимизации рассогласования измеренных и рассчитанных температур воздушной струи в стволе и в примыкающих к нему горных выработках, а также измеренных и рассчитанных температур поверхности крепи на сопряжениях горных выработок со стволом. Установлено, что значение коэффициента теплоотдачи для рассмотренного вентиляционного ствола неоднородно по высоте ствола вследствие различной степени обводненности его участков. Для трех рассмотренных участков ствола получены расчетные формулы для определения значений эффективного коэффициента теплоотдачи, при этом полученные значения оказались существенно больше значений, рассчитанных по классическим формулам для сухих выработок. Также определены значения эффективной температуропроводности крепи ствола на трех исследованных участках.

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.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90076, а также при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ в рамках соглашения по государственному заданию № 075-03-2021-374 от 29 декабря 2020 г. (рег. номер 122012000396-6).

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,
Казаков Борис Петрович¹ — д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник,
Князев Никита Алексеевич¹ — младший научный сотрудник,
¹ Горный институт УрО РАН.

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

1. Бублик С. А., Семин М. А., Левин Л. Ю. Исследование прочности монолитной бетонной крепи шахтного ствола в условиях переменных тепловых нагрузок // Вычислительная механика сплошных сред. — 2021. — Т. 14. — № 2. — С. 220—232. DOI: 10.7242/19996691/2021.14.2.19.

2. Куприянов В. В., Бондаренко И. С. Факторы влияния на резерв времени для выхода из подземных аварий в шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 2. — С. 139—149. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_2_0_139.

3. Плешко М. С., Насонов А. А., Дымникова О. В., Рябова Н. В. Обеспечение комплексной безопасности работ по восстановлению и реконструкции шахтных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 7. — С. 104—112. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-104-112.

4. Roghanchi P., Kocsis K. C. Quantifying the thermal damping effect in underground vertical shafts using the nonlinear autoregressive with external input (NARX) algorithm // International Journal of Mining Science and Technology. 2019, vol. 29, pp. 255—262. DOI: 10.1016/j. ijmst.2018.06.002.

5. Fair R., Laar J. H., Nell K., Nell D., Mathews E. H. Simulating the sensitivity of underground ventilation networks to fluctuating ambient conditions // South African Journal of Industrial Engineering November. 2021, vol. 32, no. 3, pp. 42—51. DOI: 10.7166/32-3-2616.

6. Scalise K. A., Teixeira M. B., Kocsis K. Managing heat in underground mines: the importance of incorporating the thermal flywheel effect into climatic modeling // Mining, Metallurgy & Exploration. 2020, vol. 38, pp. 575—579. DOI: 10.1007/s42461-020-00323-5.

7. Menglong Bian, Wencai Wang Prediction model of vertical shaft air temperature and its application // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2019, vol. 384, no. 1, article 012016. DOI: 10.1088/1755-1315/384/1/012016.

8. Венгеров И. Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Т. 1. Анализ парадигмы. — Донецк: Норд-Пресс, 2008. — 632 с.

9. Хохолов Ю. А. Особенности процессов тепло и массообмена, происходящих в предохранительной подушке при подземной доработке подкарьерных запасов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 2. — С. 13—21. DOI: 10.25018/02361493-2020-2-0-13-21.

10. Семин М. А., Левин Л. Ю. Теоретическое исследование теплообмена между воздушным потоком и крепью шахтного ствола при наличии тепловой конвекции // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 6. — С. 151—167. DOI: 10.25018/ 0236-1493-2020-6-0-151-167.

11. Колесов Е. В., Казаков Б. П., Семин М. А. Моделирование теплообмена между крепью шахтного ствола и проходящим по стволу воздухом в условиях смешанной конвекции // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2021. — № 5. — С. 160—171. DOI: 10.15372/FTPRPI20210515.

12. Лыков А. В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967. — 600 с.

13. Щербань А. Н., Кремнев О. А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. Т. 1. — Киев: Изд-во АН УССР, 1959. — 430 с.

14. Воропаев А. Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. — М.: Недра, 1966. — 219 с.

15. Щербань А. Н., Кремнев О. А., Журавленко В. Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт: изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: Недра, 1977. — 359 с.

16. Дядькин Ю. Д., Шувалов Ю. В., Гендлер С. Г. Тепловые процессы в горных выработках. — Л.: Изд-во ЛГИ, 1978. — 104 с.

17. Петров Н. Н., Тимошенко И. И. Тепловой режим вентиляционных стволов и его регулирование // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1985. — № 3. — С. 59—63.

18. Olkhovskiy D. V., Kuzminykh E. G., Zaitsev A. V., Semin M. A. Study of heat and mass transfer in ventilation shafts of deep mines in the case of airflow reverse // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 1945, no. 1, article 012044. DOI: 10.1088/1742-6596/1945/1/012044.

19. 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.

20. Ксенофонтова А. И., Карпухин В. Д., Харев А. А. Вентиляционное сопротивление горных выработок. — М., Л.: Углетехиздат, 1950. — 240 с.

21. Li Z., Wang T., Zhang M., Jia J., Lin L. Construction of air flow heat transfer coefficient and calculation of airflow temperature in mine wet roadway // Journal of the China Coal Society. 2017, vol. 42, no. 12, pp. 3176—3181. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2017.0700.

22. Зайцев А. В. Разработка способов нормализации микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников: Автореф. дис. … канд. техн. наук. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2013. — 19 с.