Ученые ФТФ повысят безопасность шахт при помощи новой модели расчетов
12 Августа 2021

Молодой ученый физико-технического факультета Томского государственного университета Григорий Колегов под руководством заведующего кафедрой математической физики ФТФ ТГУ Алексея Крайнова предложил новый метод учёта аэродинамических параметров выработанных пространств в моделях шахтных вентиляционных систем. Этот метод позволит обеспечить объекты проветривания требуемыми расходами воздуха и будет способствовать разработке эффективных планов предупреждения и ликвидации аварий.

Выработанные пространства угольных шахт являются важным элементом рудничных вентиляционных сетей, при этом долгое время способа их включения в модели рудничной вентиляции не существовало. Как отмечают ученые ФТФ, решить этот вопрос пытались с 2007 года. Поскольку после отработки участок добычи забутовывается кусками породы, в шахте образуется пористое пространство, где происходит накопление метана. При этом постепенно метан вытесняет кислород из воздуха, а значит, есть необходимость в увеличении вентиляционных мощностей. Более того, если процентное содержание метана превышает 1%, датчики должны отключить подачу электроэнергии, чтобы предотвратить возникновение искры, которая может спровоцировать взрыв.

 Формирование зоны выработанного пространства из элементарных объемов

Чтобы избежать аварийной ситуации, отработанные пространства необходимо включать в систему моделирования вентиляции шахты. Ученые ТГУ предложили сделать это при помощи представления пористой среды в виде сети фиктивных ветвей, учитывающих свойства элементарных репрезентативных объемов. Аэродинамические параметры этих фиктивных ветвей предлагается вычислять с использованием квадратичных сопротивлений, соблюдая законы Кирхгофа.

– Математическое моделирование является неотъемлемой частью современных производственных процессов. От качества моделей зависит эффективность мероприятий, разрабатываемых на их основе. Качество определяется условиями и объектами, которые учитывает модель, а также соответствием вводных данных и получаемых результатов фактически наблюдаемой ситуации в шахте. Помимо этого, инструменты и методы моделирования, широко применяемые на горнодобывающих предприятиях, должны обладать достаточной простотой при сохранении определенного уровня точности и не быть требовательными к вычислительным мощностям, – пояснил Алексей Крайнов.

Выработанные пространства угольных шахт, применяющих столбовую систему разработки с полным обрушением, представляют собой пористые среды, где преобладают фильтрационные режимы движения газов. На современном этапе к их расчету, в основном, применяется подход с использованием средств вычислительной гидродинамики. Это обеспечивает точность вычислений, но не позволяет оперативно учитывать изменяющиеся условия в шахте.

– Также существуют исследования, позволяющие в модели шахтной вентиляционной сети учитывать аэродинамику в выработанных пространствах, рассчитываемую методами конечных объемов. Однако такие подходы требуют значительных вычислительных мощностей. Мы же представили метод расчета аэродинамики в выработанном пространстве совместно с расчетом аэродинамики проветривания сети выработок шахты, – уточнил Алексей Крайнов.

Распределение избыточных давлений вдоль выемочного столба 5а-7-34

Разработанный метод задания аэродинамического сопротивления выработанного пространства был применен для оценки градиентов давления в выработанных пространствах выемочных столбов, включенных в общую модель шахтной вентиляционной сети шахты «Распадская» (Кузбасс). Для выработанного пространства лавы №5а7-34 было сделано предположение о равномерном распределении пористости по ширине столба и переменном – по его длине. Метод показал свою эффективность и в ближайшее время будет включен в моделирование вентиляционных систем и других шахт.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания № 0721-2020-0036. Подробное описание метода опубликовано в научном журнале Ugol (Q3).