Parameterization of a ventilation network model for the analysis of mine working emergency ventilation modes

В соответствии с Законом о промышленной безопасности № ФЗ-116 горнодобывающее предприятие относится к опасному производственному объекту, для которого характерен повышенный риск возникновения аварийной ситуации. Особо остро стоит вопрос безопасности людей в строящихся подземных выработках, являющихся тупиковыми и имеющими только один аварийный выход из рабочей зоны. Для таких опасных условий труда необходима разработка технических решений и мероприятий, обеспечивающих безопасную эвакуацию людей и эффективное ведение горноспасательных работ. При этом в процессе их разработки целесообразно воспользоваться возможностями численного моделирования.

Согласно статистике [1, 2] наиболее разрушительными и часто встречающимися авариями являются рудничные пожары и взрывы. Поэтому в целях разработки оптимальных мер повышения безопасности шахтеров рационально и достаточно прогнозирование развития именно этих аварийных ситуаций. Однако адекватная параметризация таких моделей является задачей, отличающейся повышенной сложностью.

Так, тема моделирования развития пожара с позиции распространения продуктов горения в горных выработках освещена в трудах [3–5]. Общим недостатком представленных работ и других существующих исследований в данной области знаний является то, что аварийные тепло- и газовыделения принимаются без привязки к конкретному источнику горения. Как правило, в качестве исходных данных для моделирования используются абстрактные параметры, отражающие возможную наиболее неблагоприятную аэрологическую и теплогазодинамическую обстановку, такие как газовыделение 100 % [6, 7] или тепловы- деление 50 МВт [8] при «сильном» пожаре. Такое упрощение обусловлено значительной трудоемкостью расчета данных параметров, поскольку их нахождение возможно при проведении полномасштабных экспериментов, как в работах [9, 10], либо при дополнительном моделировании пожара с позиции физического процесса, как это производилось в работе [11].

Оптимальным же является аналитическое определение теплогазовыделений при пожаре, учитывающее конкретные горнотехнические условия, поскольку такой подход позволяет принять адекватные параметры моделирования при сравнительно небольших трудозатратах. И поскольку в настоящий момент времени такие аналитические зависимости отсутствуют, равно как отсутствует методология расчета теплогазовыделений от рудничного пожара, научные исследования в данном направлении являются весьма актуальными.

В свою очередь, говоря о рудничных взрывах, невозможно не упомянуть таких ученых, как Аби-нов А. Г., Васенин И. М., Лукашов О. Ю., Палеев Д. Ю., Плотников В. М. и др., результаты научной деятельности которых легли в основу Методики газодинамического расчета ¹, которая на сегодняшний день применяется при определении параметров воздушных ударных волн при взрывах в шахте. В данной методике вводится понятие «активного участка горения», который представляет собой участок горной выработки, заполненный взрывоопасной смесью, и определяет начальное избы точное давление на фронте ударной

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                  https://mst.misis.ru/

2023;8(2):150–161                                              Пересторонин М. О. и др. Параметризация модели вентиляционной сети...

волны в очаге взрыва. Однако ориентированность методики на аварийные расчеты не позволяет с ее помощью определить длину этого участка без фактически измеренных параметров загазованности горной выработки. Другими словами, данная методика не отвечает на вопрос, как рассчитать длину активного участка горения для условий неаварийной выработки, для которой необходима заблаговременная разработка эвакуационных и горноспасательных мероприятий. Для случая несанкционированного взрыва взрывчатых материалов (ВМ) искомую длину можно определить по аналитическим зависимостям, представленным в работе [12]. Однако для случая взрыва метановоздушной смеси (МВС) этот вопрос остается открытым и потому требует исследования.

В связи с вышесказанным в настоящей работе на примере протяженных тупиковых выработок одного из рудников России предложена методология расчета параметров модели развития рудничного пожара и взрыва в аналитическом комплексе «АэроСеть» – одном из основных инструментов по решению задач в области рудничной вентиляции и обеспечения безопасности в шахте.

Предполагается, что результаты данного исследования будут полезны не только пользователям АК «АэроСеть», осуществляющим численное моделирование развития аварий в горных выработках, но и другим специалистам в области аэрологической безопасности, имеющим дело с расчетами рудничных пожаров и взрывов.

Объект исследования

В качестве объекта исследования рассматриваются две протяженные тупиковые выработки одного из рудников России, проходимые с целью выполнения геолого-механических исследований и организации вентиляционной сбойки между шахтными стволами. Принципиальная схема пространственного расположения выработок представлена на рис. 1.

Рассматриваемые выработки характеризуются следующими особенностями трассировки и горнотехническими условиями проходки:

– проходка выработок осуществляется одновременно в направлении ствола № 2;

– глубина залегания выработки № 1 составляет 1750–1850 м (восходящий уклон 3 в направлении ствола № 2), глубина залегания выработки № 2 – 1950 м (уклон отсутствует);

– проектная длина выработок составляет 1840 м, для выработки № 1 характерна извилистая форма трассировки, для выработки № 2 – прямолинейная с минимальным числом поворотов;

– форма поперечного сечения выработок – арочная, площадь сечения составляет 17,8 м2 в проходке и 17,0 м2 в свету;

– для проходки выработок используется буровзрывной комплекс, состоящий из: буровой установки Epiroc Boomer 282, ковшовой погрузоч-но-доставочной машины (ПДМ) Epiroc ST-1030 и автосамосвала Sandvik TH 320;

– для проветривания выработок используется система вентиляции, состоящая из: 3 наземных вентиляторов, 5 гибких воздуховодов в стволе № 1, 2 вентиляционных камер, 4 подземных вентиляторов местного проветривания (ВМП) и 2 жестких воздуховодов в выработках (рис. 2);

– расход воздуха, поступающего в каждую выработку, составляет 20 м3/с; производительность ВМП в вентиляционной камере – 19,3 м3/с; производительность ВМП в нише – 17,2 м3/с; расход воздуха в забое – 15,1 м3/с;

– средняя температура нетронутого массива горных пород, окружающего выработку № 1, составляет 44,5 °С, выработку № 2 – 46,6 °С;

– при температуре наружного воздуха 21,0 °С в результате гидростатического сжатия, трения и теплообмена в выработки № 1 и № 2 поступает воздух с температурой 33,3 и 34,4 °С соответственно.

Параметризация модели развития пожара

Наиболее опасным эндогенным пожаром является пожар, вызванный возгоранием технологического транспорта, поскольку такой пожар характеризуется быстротечным развитием и сопровождается значительными тепло- и газовыделениями. В связи с этим для прогнозирования аварийной аэрогазодинамиче-ской обстановки в выработках целесообразно рассмотрение возгорания техники, содержащей максимальную пожарную нагрузку.

Рис. 1. Принципиальная схема пространственного расположения выработок

MINING SCIENCE AND TECHNOLOGY (RUSSIA) ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ

Perestoronin M. O. et al. Parameterization of a ventilation network model...

1 – в зумпф ствола

Наземные вентиляторы

Вентиляционные камеры в околоствольных дворах

Подземные ВМП в вентиляционных камерах

5 – гибких воздуховодов (∅ 0,9 м), из них:

2 – в вентиляционную камеру выработки № 1,

2 – в вентиляционную камеру выработки № 2,

Выработка № 1

Выработка № 2

2 жестких воздуховода (∅1,2 м), из них:

1 – в выработке № 1,

1 – в выработке № 2

Условные обозначения:

---► свежая струя воздуха

---► исходящая струя воздуха

Подземные ВМП в нишах

Рис. 2. Принципиальная схема проветривания выработок

Основную пожарную нагрузку машины составляют топливо, масло и резина [13]. Содержание прочих горючих компонентов незначительно, поэтому их влиянием на развитие пожара можно пренебречь. Приближенно пожарную нагрузку машины можно определить по ее техническому паспорту. Так, объем топливного бака отражает содержание топлива, объем гидравлической системы – содержание масла, а типоразмер колесных покрышек – содержание резины.

Ключевыми параметрами модели развития пожара в горных выработках являются удельные тепло- и газовыделения. Данные параметры являются переменными во времени, поскольку пожар протекает в несколько стадий с разной интенсивностью горения [14]. Для упрощения моделирования целесообразно задаться их эквивалентными значениями на протяжении всех стадий пожара (рис. 3).

Для расчета максимальных тепловыделений, кВт, от горения определенного горючего компонента в некоторый момент времени можно воспользоваться известной формулой [15]:

W_i =ψ _iQ_i η, (1)

где ψ _i – массовая скорость выгорания материала с пожарной нагрузки в данный момент времени, кг/с (ψ _i = ψ _{spec i} S_i , где ψ _{spec i} – удельная скорость выгорания материала, кг/(с ⋅ м²), S_i – площадь горения в данный момент времени, м²); Q_i – низшая теплота сгорания материала, кДж/кг; η – коэффициент полноты горения (принимается равным 0,85 в соответствии с [15]).

При этом время, с, выгорания горючей нагрузки определяется по формуле:

mη t = iη speci                 ,

ψ speci S i

где m_i – масса горючего компонента, кг.

Для выражения (2) в качестве площади горения предлагается принимать площадь поверхности сферы, в которую вписана вся масса горючей нагрузки для каждого компонента. Тогда эквивалентом тепловыделений, кВт, от горящей техники на протяжении всех стадий пожара будет являться некоторое среднее значение, определяемое суммированием средних тепловыделений от каждого из компонентов:

W = W .

spec           speci .                            (3)

i

При этом среднее значение тепловыделений, кВт, от каждого из компонентов можно определить исходя из максимального времени горения машины t _max, которое соответствует времени полного выгорания последнего горящего компонента:

W = miηQi spec i max

.

W , кВт *

С , м³/мин

-=-► t , c

Тепло- и газовыделения: реальные эквивалентные

Рис. 3. Принципиальный вид эквивалентных тепло- и газовыделений при горении техники

ГОРНЫЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ                                   https://mst.misis.ru/

2023;8(2):150–161                                                Пересторонин М. О. и др. Параметризация модели вентиляционной сети...

Таблица 1

Тепловыделения от горения автосамосвала

Машина	Компонент	Масса, кг	Максимальные тепловыделения, МВт	Время выгорания, мин	Эквивалентные тепловыделения, МВт
Sandvik TH 320	топливо	283,0	4,32	39,5	1,58
	масло	340,2	4,54	44,3	1,87
	резина	278,0	1,22	108,0	1,22
	время горения машины и мощность пожара:			108,0	4,67

В условиях исследуемых выработок потенциальными источниками пожара значительной мощности являются горно-выемочная техника – буровая установка Epiroc Boomer 282, ПДМ Epiroc ST-1030, и автосамосвал Sandvik TH 320. Сравнение технических параметров показывает, что наибольшую опасность при горении несет автосамосвал Sandvik TH 320, поскольку он обладает максимальной пожарной нагрузкой. В связи с этим расчет удельных тепло- и га-зовыделений целесообразно производить только для данной машины.

Результаты расчета эквивалентных тепловыделений при горении автосамосвала Sandvik TH 320 представлены в табл. 1.

Согласно результатам расчета время горения автосамосвала Sandvik TH 320 составит 108,0 мин. При этом средние тепловыделения будут равны 4,67 МВт.

Для расчета удельных газовыделений необходимо знать удельный объем продуктов сгорания при горении определенного компонента техники и состав горючей массы.

Согласно Справочнику руководителя тушения пожара [15] удельный объем продуктов сгорания при горении дизельного топлива, масла, резины составляет 11,95, 11,86, 10,79 м3/кг соответственно. При этом основной состав горючей массы, выделяющейся при сгорании дизельного топлива, масла, резины [16], имеет вид:

– дизель – 86,3 % CG, 13,3 % HG, 0,3 % SG, 0,1 % (OG + NG);

– масло – 86,5 % CG, 12,6 % HG, 0,4 % SG, 0,5 % (OG + NG);

– резина – 85,5 % CG, 11,8 % HG, 2,0 % SG, 0,7 % (OG + NG).

Таким образом, ключевыми компонентами в продуктах сгорания рассматриваемых материалов являются соединения углерода. При этом при пожаре в значительной мере будет происходить выделение только углекислого газа CO2, в то время как угарный газ CO, являясь побочным продуктом реакции горения, будет существенно выделяться только при недостатке кислорода.

Для упрощения решения задачи аварийного газораспределения предполагается, что содержания кислорода в воздухе, поступающем к очагу пожара, достаточно для нормального протекания реакции горения, в результате чего содержание угарного газа CO в продуктах горения незначительно. Тогда в качестве характерных газовыделений от пожара можно принять выделения углекислого газа CO2, м3, которые определяются по формуле [16]:

(          G^g )

V_ro = 0,0187 + — V ,

CO 2 ^ ^J 100 J G                ^(a)

где C^G – содержание углерода С в сгораемом материале, %; V _G – общий объем продуктов горения, м³.

В таком случае удельные газовыделения, м3/мин, углекислого газа CO2 составят:

V

V CO 2 =      ,                        (6)

где t – время горения техники, мин.

Согласно результатам расчета удельные газовы-деления углекислого газа CO2 при горении автосамосвала Sandvik TH 320 составят 72,2 м3/мин.

Параметризация модели развития взрыва

В условиях горных выработок наиболее вероятными являются взрывы, связанные с воспламенением [12]:

– взрывчатых материалов (несанкционированное возгорание);

– метановоздушной смеси;

– пыли (угольной или сульфидной).

В настоящем исследовании проведен анализ несанкционированного взрыва взрывчатых материалов и взрыва метановоздушной смеси. Исследование взрыва угольной и сульфидной пыли, присутствующей в горных выработках угольных и колчеданных шахт соответственно, в работе не осуществляется. Таким образом, в работе сделан акцент на изучение взрывов в условиях рудников, опасных по газу и не опасных по пыли.

Для оценки последствий от взрыва и разработки мероприятий по его предупреждению и ограничению зоны разрушения необходимо знать распределение давления на фронте ударной волны на некотором удалении от очага взрыва. При этом расчет параметров ударной волны на удалении от места взрыва начинается с определения давления в самом очаге.