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

Авторы

  • А.В. Шалимов Горный институт УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/echo.2020.2.24

Ключевые слова:

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.

Поддерживающие организации
Работа выполнена при поддержке гранта по конкурсу фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 18-5-5-5), а также при поддержке Программы ФНИ,проект № 0422-2019-0145-C-01 (регистрационный номер темы НИОКТР:АААА-А18-118040690029-2).

Библиографические ссылки

  1. Осипов С.Н., Жадан В.М. Вентиляция шахт при подземных пожарах. - М.: Недра, 1973. - 150 с.
  2. Шалимов А.В. Численное моделирование газовоздушных потоков в экстремальных ситуациях и аварийных режимов проветривания рудников и шахт // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2011. - № 6. - С. 84-92.
  3. Жуковец А.Н., Греков С.П., Чунту Г.Н. Расчёт изменения теплового поля в горных выработках за очагом пожара при закорачивании вентиляционных струй // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1972. - № 5. - С. 125-128.
  4. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. К моделированию сложных аэрогазотермодинамических процессов в атмосфере рудников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2008. - № 6. - С. 105-111.
  5. Левин Л.Ю. Семин М.А., Клюкин Ю.А., Накаряков Е.В. Исследование аэро- и термодинамических процессов, протекающих на начальном этапе организации сквозного проветривания рудника // Вестн. ПНИПУ: Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2016. - Т. 15, № 21.- С. 367-377. DOI
  6. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Сёмин М.А., Гришин Е.Л., Трушкова Н.А. Конвективная стратификация воздушных потоков по сечению горных выработок, ее роль в формировании пожарных тепловых депрессий и влияние на устойчивость проветривания // Горный журнал. - 2014. - №12. - С. 105-109.
  7. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М., Непомнящий А.А. Устойчивость конвективных течений. - М., Наука, 1989. - 320 с.: ил.
  8. Semin M.A., Levin L.Y. Stability of air flows in mine ventilation networks // Process Safety and Environmental Protection. - 2019. - V. 124, Part B. - P. 167-171. DOI
  9. Левин Л.Ю., Палеев Д.Ю., Семин М.А. Расчет устойчивости воздушных потоков в выработках шахтных вентиляционных сетей по фактору тепловой депрессии // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2020. - № 1. - С. 81-85.
  10. Кафаров В.В. Основы массопередачи: Системы газ-жидкость, пар-жидкость, жидкость-жидкость. - 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 1972. - 494 с.: ил.
  11. Бирих Р.В. О термокапиллярной конвекции в горизонтальном слое жидкости // Прикладная механика и теоретическая физика. - 1974. - №5. - С. 145-147.
  12. Hart J.E. Stability of thin non-rotating Hadley circulation // Journal of the Atmospheric Sciences. - 1972. - V. 29, №5. - P. 687-697.
  13. Медведев Б.И., Почтаренко Н.С. Определение коэффициента нестационарного теплообмена для горных выработок при подземных пожарах // Разработка месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - Киев, 1972. - Вып. 30. - С. 102-108.
  14. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. - М.: Недра, 1966. - С. 219.
  15. Гендлер С.Г. Способ определения коэффициента теплоотдачи в горных выработках // Промышленная теплотехника. - 1986. - Т. 8, № 3. - С. 44-47.

Загрузки

Опубликован

06.08.2020

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Устойчивость адвективного движения воздуха в горизонтальных горных выработках с источниками выделения тепла. (2020). Горное эхо, 2, 123-129. https://doi.org/10.7242/echo.2020.2.24