Низкотемпературное масштабное моделирование устойчивости движения воздуха в наклонной горной выработке с источником выделения тепла
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2026.1.2Ключевые слова:
рудничные пожары, тепловая депрессия, устойчивость движения воздуха, адиабатические и изотермические границы, интенсивность тепловыделения, тепловая пробка, имитационный стенд, правила масштабированияАннотация
Проведен анализ возможностей масштабного моделирования нисходящего движения воздуха в наклонных выработках с источником выделения тепла в параметрической области неустойчивости воздушного потока. Установлено, что точно соблюсти подобие модели реальности в этой области можно только в рамках правил масштабирования Фруда с одинаковой температурой воздуха, которая в очаге пожара достигает 1500 К и более. Поскольку реализация такого нагрева воздуха в лабораторных условиях проблематична, предпринята попытка получения приближённых низкотемпературных масштабных соотношений на основании оценочных расчётов, ориентированных на желаемое снижение температуры в 3 раза при уменьшении геометрических размеров в 10 раз. Полученные зависимости верифицированы путём численного моделирования эффекта тепловой пробки в программном комплексе SolidWorks, а также на лабораторном имитационном стенде. Относительная погрешность определения точки опрокидывания воздушного потока тепловой депрессией в модельных и реальных масштабах составила 2%. Оба способа моделирования эффекта теплового запирания воздушного потока показали одинаковый динамический сценарий изменения направления его движения путём потери устойчивости, при котором опрокидывание потока происходит постепенно, с образованием крупномасштабных конвективных вихрей и разнонаправленной вертикальной стратификации скорости по сечению.
Библиографические ссылки
1. Осипов С. Н., Жадан В. М. Вентиляция шахт при подземных пожарах. – М.: Недра, 1973. – 152 с.
2. Хацько М. С., Онищенко С. А. Разработка комплекса мероприятий по снижению рисков возникновения чрезвычайных ситуаций на шахте // Современные исследования в науках о Земле: ретроспектива, актуальные тренды и перспективы внедрения. Материалы III Международной научнопрактической конференции / редкол.: Н. С. Шуваев, Е. А. Колчин – Астрахань. – 2021. – С. 46–49.
3. Родионов В. А., Серегин А. С., Иконников Д. А. Мультипликативный метод оценки взрывопожароопасных свойств рудничной атмосферы при поступлении в воздушную среду углеводородных газов // Горный журнал. - 2023. - № 9. - С. 35-40. DOI: 10.17580/gzh.2023.09.05.
4. Onifade M., Genc B., Said K. O., Fourie M., Akinseye P. O. Overview of mine rescue approaches for underground coal fires: A South African perspective. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2022, vol. 122, no. 5, pp. 213-226. DOI: 10.17159/2411-9717/1738/2022.
5. Chen Y., Liu J., Zhou Q., Liu L., Wang D. A study on rapid simulation of mine roadway fires for emergency decision-making. Scientific reports, 2024, vol. 14, no. 1, 1674 p. DOI: 10.21203/rs.3.rs-3573985/v1.
6. Шалимов А. В., Кормщиков Д. С., Попов М. Д. Определение показателя конвективной устойчивости воздуха в стволах при нулевом режиме вентиляции рудника // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 336. – № 4. – С. 89-97. DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4701.
7. Salami O. B., Xu G., Kumar A. R., Pushparaj R. I. Underground mining fire hazards and optimization of emergency evacuation strategies: The issues, existing methodology and limitations, and way forward. Process Safety and Environmental Protection, 2023, vol. 177, pp. 617–634. DOI: 10.1016/j.psep.2023.07.012.
8. Казаков Б. П., Колесов Е. В., Накаряков Е. В., Исаевич А. Г. Обзор моделей и методов расчета аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников // Горный информационно - аналитический бюллетень. – 2021. – № 6. – С. 5-33. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_5.
9. Попов М. Д., Семин М. А., Левин Л. Ю. Анализ воздухораспределения в наклонной горной выработке при наличии интенсивного источника тепловыделения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2024. – № 4. – С. 140-151. DOI: 10.15372/FTPRPI20240412.
10. Peng, S., Huang Z., Dong D. V. Numerical simulation study on fire hazard of a coal mine transport roadway // Mining Science, 2022, vol. 29, pp. 33-52. DOI: 10.37190/msc222904.
11. Yao Y., Wang J., Jiang L., Wu B., Qu B. Numerical study on fire behavior and temperature distribution in a blind roadway with different sealing situations / // Environmental Science and Pollution Research, 2023, vol. 30, no. 13, pp. 36967–36978. DOI: 10.1007/s11356-022-24896-4.
12. Thomas P. H., Hinkley P. L., Theobald C. R., Simms D. L. Investigations into the Flow of Hot Gases in Roof Venting // Her Majesty’s Stationary Office: London, UK, 1963, vol.7, no. 3, pp. 100-112.
13. Hansen R. Overview of fire and smoke spread in underground mines // Proceedings from the Fourth International Symposium on Tunnel Safety and Security, Frankfurt am Main, Germany, 2010. pp. 483–494.
14. Cafaro E., Bertola V. Fires in tunnels: Experiments and modelling // The Open Thermodynamics Journal, 2010, vol. 4, no. 1, pp. 156-166. DOI: 10.2174/1874396X01004010156.
15. Carey A. C. Scale Modeling of Static Fires in a Complex Geometry for Forensic Fire Applications // Ph.D. Thesis, University of Maryland, College Park, MD, USA, 2010, 127 p.
16. Prahl, J., Emmons H. W. Fire induced flow through an opening // Combust. Flame, 1975, vol. 25, no. 3, pp. 369–385.
17. Свердлов А. В., Волков А. П., Рыков С. В., Волков М. А., Барафанова Е. Ю. Моделирование процессов дымоудаления в подземных сооружениях транспортного назначения // Вестник Международной академии холода. – 2019. – № 1. – С. 3-10. DOI: 10.17586/1606-4313-2019-18-1-3-10.
18. Шалимов А. В., Жихарев С. Я., Семин М. А. Критерии подобия для масштабного моделирования шахтных пожаров в наклонных горных выработках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2025. – № 4. – С. 108-119. DOI: 10.15372/FTPRPI20250410.
19. Левин Л. Ю., Семин М. А., Попов М. Д., Жихарев С. Я. Валидация модели тепломассопереноса в атмосфере горизонтальной горной выработки при наличии интенсивного источника нагрева // Недропользование. – 2024. – Т. 24. – № 3. – С. 169-176. DOI: 10.15593/2712-8008/2024.3.8.
20. Попов М. Д. Разработка методики расчёта устойчивости проветривания рудников в аварийных ситуациях, связанных с наличием тепловых депрессий // Горное эхо. – 2024. – № 2 (95). – С. 80-86. DOI: 10.7242/echo.2024.2.15.
21. Hu D., Li Z., Wang H., Xu H., Miao C. Smoke dispersion test and emergency control plan of fire in mine roadway during downward ventilation, Scientific Reports, 2023, vol. 13, no. 1, pp. 1-11. DOI: 10.1038/s41598-023-30779-6.
