Устойчивость адвективного движения воздуха в горизонтальных горных выработках с источниками выделения тепла

Аннотация

Представлены результаты аналитических исследований развития пожара в горизонтальной горной выработке после отключения источника тяги. Показано, что однозначный прогноз движения воздуха в данном случае возможен только на основе теории устойчивости конвективных течений. В квазистационарной постановке проведено математическое моделирование адвективного движения встречных потоков воздуха под действием горизонтального градиента температуры с использованием уравнений теплового баланса между источником тепловыделения, отвода тепла в породный массив и расходом энергии на преодоление аэродинамического сопротивления выработки. Доказано, что доля тепловой энергии, идущая на поддержание адвекции, неизмеримо мала по сравнению с её непосредственным уходом в массив в результате теплообмена. Интенсивность теплообмена воздуха со стенками выработки рассчитывалась с использованием эмпирических зависимостей для коэффициентов нестационарного теплообмена и теплоотдачи. Получены аналитические формулы для расчёта размера адвективного вихря и скорости движения воздуха в нём как функции времени и температуры горения в очаге пожара. Проведены количественные оценки этих величин при характерных значениях параметров задачи. Установлено, что дальность продвижения горячей струи воздуха в начале пожара слабо зависит от температуры горения, составляет около 100 метров и в случае продолжительного горения в течение 10 часов увеличивается до 300 метров. В качестве демонстрационного примера дана оценка продолжительности горения древесных материалов, которое без подачи свежего воздуха из других выработок выделяет 5 МВт тепловой энергии и прекращается из-за недостатка кислорода в течение получаса после сгорания двух кубометров древесины. Разработанная методика позволяет давать количественную оценку размера, скорости продвижения и продолжительности пожара в горизонтальной горной выработке после отключения источника тяги.