Вестник МГТУ. 2017, том 20, № 1/1.

Вестник МГТУ. 2017. Т. 20, № 1/1. С. 5–12. DOI: 10.21443/1560-9278-2017-20-1/1-5-12 5 УДК 622.4+519.67 С. А. Козырев, П. В. Амосов Методический подход к оценке времени проветривания тупиковых выработок на базе трехмерного численного моделирования Приведены результаты трехмерного численного моделирования процесса проветривания тупиковых выработок различной длины при фиксированном поперечном сечении за счет турбулентной диффузии. Для вычисления аэродинамических характеристик применялась стандартная ( k – ε)-модель турбулентности. Процесс проветривания выработки промоделирован посредством численного решения конвективно-диффузионного уравнения переноса примеси. Численные эксперименты по проветриванию тупиковой выработки длиной от 10 до 20 м выполнены для диапазона расхода воздуха в сквозной выработке от 6,25 до 50 м 3 /с. Начальное загрязнение атмосферы тупиковой выработки принято в интервале 15–25 ПДК (по окислам азота). Для рассмотренных краевых условий получены пространственные распределения скоростного поля и коэффициентов турбулентной вязкости по длине выработки. Выявлена существенная неоднородность поля скорости в тупиковой выработке и низкие значения компонент вектора скорости вблизи забоя, что выводит механизм турбулентной диффузии на доминирующую позицию по рассеиванию примеси. Приведены примеры распределения примеси по пространству выработок на момент достижения уровня ПДК в тупиковой выработке в зависимости от значений варьируемых параметров модели. Установлено, что время проветривания при прочих равных условиях существенным образом зависит от количества воздуха, подаваемого в основную выработку. Показано, что при принятых начальных и граничных условиях прогноз времени проветривания тупиковых выработок посредством механизма турбулентной диффузии может быть выполнен на основе обобщенного аналитического соотношения, аргументами которого являются длина выработки, расход воздуха и начальный уровень загазованности. Анализ результатов численных экспериментов, выполненных на базе созданных 3D-моделей, показал, что тупиковые выработки длиной более 10 м, в которых ведутся очистные работы, могут проветриваться за счет механизма турбулентной диффузии. Время проветривания тупиковой выработки в зависимости от концентрации газов в ней может достигать более двух часов в зависимости от объема подаваемого воздуха в сквозную выработку. Ключевые слова: тупиковая выработка, проветривание, численное моделирование. Введение Проветривание выработок за счет турбулентной диффузии – процесс удаления газов из ниш и камер, расположенных сбоку сквозной выработки, посредством эжектирующего (отсасывающего) действия вентиляционной струи воздуха, проходящей по сквозной выработке. Согласно Правилам безопасности 1 длина тупиковой выработки, проветриваемой только за счет турбулентной диффузии, не должна превышать 10 м, что не всегда удовлетворяет условиям конкретного горного предприятия. В работе предпринята попытка на базе методов численного моделирования в трехмерной постановке выполнить исследование процесса проветривания тупиковой выработки длиной более 10 м при вариации расхода воздуха через основную выработку и уровня ее начального загрязнения. Материалы и методы Постановка задачи Геометрия моделируемой области, которая включает основную выработку размером 30×5×5 м и перпендикулярную ей тупиковую выработку с тем же самым поперечным размером 5×5 м и изменяющимся размером L вдоль оси Y (10, 15 и 20 м), представлена на рис. 1. Направление воздушного потока в основной выработке выбрано вдоль оси Х . Расход воздуха Q принят равным 6,25, 12,5, 25 и 50 м 3 /с, что обеспечивает среднюю скорость воздуха на входе в основную выработку от 0,25 до 2 м/с. Предполагается, что при производстве горнопроходческих работ в тупиковой выработке происходит загрязнение ее атмосферы до концентрации C 0 (15, 20 и 25 ПДК, например, по окислам азота). Протяженность области загазованности вдоль оси Y составляет 5, 10 и 15 м (отсчет от забоя) при указанном выше диапазоне протяженности тупиковой выработки. 1 Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" : утв. приказом Ростехнадзора от 11.12.2013 г. № 599, 2014. 122 с.