Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 6 (спецвып.)

ÏÐÅÏÐÈÍÒ

2 0 1 3
«
РНАЯ КНИГА»
ГО
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА

П.Н. Танцов

ДИНАМИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕН
ИЯ В ШАХТЕ КАК
СРЕДСТВО
ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ
СИТУАЦИЙ

УДК 622.4 
 
ПЕРЕХОДНЫЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ 
В ШАХТЕ – КАК ИСТОЧНИК ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ  
СИТУАЦИЙ 
 
TRANSIENT AERODYNAMIC PROCESSES IN MINES – 
A SOURCE OF EMERGENCY SITUATIONS 
 
В настоящей статье продемонстрированы негативные явления, связанные с переходными аэродинамическими процессами шахтной вентиляции. Продемонстрирован эффект временного опрокидывания вентиляционной струи. 
Предложено использовать метод динамического расчёта шахтной вентиляции 
для планирования ликвидаций аварий. 
In this paper the negative effects of  transient aerodynamic processes of mine 
ventilation were demonstrated. The effect of the temporary overturning of air flow 
was demonstrates. The application of the dynamic mine ventilation networks calculation method for emergency planning was proposed. 
Ключевые слова: шахтные вентиляционные сети, динамический расчёт, 
переходной процесс 
Keywords: mine ventilation networks, dynamic calculation, transient process 
 
При проектировании и управлении проветриванием угольных шахт большое внимание уделяется моделированию возможных аварий в горных выработках. Среди различных видов аварий 
выделяют эндогенные и экзогенные пожары, вспышки и взрывы 
метана, остановки вентиляторов главного или местного проветривания и т. п. Все эти факторы влияют либо на аэродинамические характеристики горных выработок, либо на суперпозицию 
источников тяги в выработках шахт, что приводит к перераспределению воздуха или переход к другому аэродинамическому режиму. 
Покажем, что переход между двумя различными аэродинамическими режимами не может произойти мгновенно.  
Количественно инерционность воздуха в каждой выработке 
можно определить из его массы. 
m
V
= ρ
, или 
m
LS
= ρ
, 
 (1) 

где ρ – плотность воздуха, V – объём воздуха, L – длина выработки, S – средняя площадь поперечного сечения. 

Расход воздуха в выработке выражается через скорость потока следующим образом: 

Q
vS
=
, 
 (2) 

где v  – скорость потока. 
Сочетая формулы (1) и (2), запишем выражение для кинетической энергии T воздушного потока в выработке длиной L и 
средней площади поперечного сечения S: 

2
2
2
2
mv
L
T
Q
S
ρ
=
=
. 
 (3) 

Коэффициент
2
L
L
S

ρ
=
, представляющий собой аналог индук
тивности в электротехнике, будем называть инерционностью 
воздушного потока в выработке длиной L и средней площадью 
поперечного сечения S. В таком случае шахтная вентиляционная 
сеть при изменении аэродинамических параметров может вести 
себя как электрическая цепь при коммутациях. 
Рассмотрим опасности, связанные с переходными процессами. Для примера приведём фрагмент шахтной вентиляционной 
сети (рис. 1) с некоторым начальным стационарным режимом 
проветривания. 
Современные программы расчёта воздухораспределения в 
шахте, используемые в процессе управления вентиляцией и при 
разработке плана ликвидации аварий, имеют в своей основе разновидности методов Андрияшева-Кросса, суть которых заключается в численном решении системы алгебраических уравнений, 
что позволяет рассчитывать только стационарное распределение.   
Моделирование пожара в выработке, помеченной условным 
знаком пожара (рис. 1), как правило, осуществляется путём добавления в эту выработку дополнительной депрессии, величина 
которой определяется различными факторами. После этого рассчитывается новое стационарное воздухораспределение. Построив график изменения расхода воздуха во времени в указанной 
выработке, получим резкий переход между двумя режимами (в 
данном случае 10 м3/с и 6 м3/с; рис. 2, а). Расчёт показывает, что в 
выработке сохранилось устойчивое проветривание.  

Рис. 1. Типичный фрагмент шахтной вентиляционной сети 

Однако анализ переходных процессов, произведённые автором, показал, что при определённых комбинациях аэродинамических параметров горных выработок и суперпозициях источников 
тяги, возможен переходный аэродинамический процесс, представленный на рис. 2, б. 

График переходного процесса

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

15.00

0
20
40
60
80
100
120
t, c

Q(t), м3/с

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

5,00

10,00

15,00

0
20
40
60
80
100
120

Q(t), м3/с

t, c

График переходного процесса

Рис. 2. Графики перехода между 2-мя аэродинамическими режимами в одной из выработок шахты (рис. 1) 

а) 

б) 

Как видно из графика, вентиляционная струя выработки опрокинулась в первые несколько секунд переходного процесса, а 
ещё через несколько секунд опрокинулась снова. Очевидно, что 
средствами методы расчёта воздухораспределения не могут «почувствовать» временные опрокидывания вентиляционных струй 
при переходных процессах в шахтных вентиляционных сетях, что 
может привести, как например в данном случае, к некоторым 
важным упущениям при составлении ПЛА – в данном случае не 
учтено проникновение горючих газов на конвейерный штрек 5В. 
Разработка и внедрение в систему управления проветриванием шахты методов динамического расчёта шахтных вентиляционных сетей [1−4] позволить снизить риск возникновения чрезвычайных ситуаций, подобных описанной выше. 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
 
При сегодняшних высоких темпах добычи угля весьма важно уделять повышенное внимания проблемам аэрологической 
безопасности на шахтах, в том числе проблемам моделирования 
чрезвычайных ситуаций с целью снижения риска для жизни и 
здоровья работающих в шахте людей. В связи с этим возрастает 
значимость компьютерных средств моделирования динамических 
процессов в шахтных вентиляционных сетях как основного инструмента прогнозирования неблагоприятных последствий аварий 
на угольных шахтах. 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Фельдман Л.П., Святный В.А. Переходные газодинамические процессы в выработанном пространстве при изменении режима проветривания участка. — В кн.: «Разработка месторождений полезных ископаемых», № 4. Киев, 
1965. 

2. Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Зайцев А.В. Моделирование переходных 

процессов в вентиляционных сетях подземных рудников. // Физико-технические 
проблемы разработки полезных ископаемых. — 2011. — № 5. 

3. Костеренко В.Н. Математическое моделирование нестационарных 

процессов вентиляции горных выработок угольных шахт //дисс. на соискание 
уч. ст. кад. техн. наук, Томск, 2011. 

4. Ващилов, В.В. Разработка газодинамической модели и метода расчёта 

нестационарных режимов проветривания угольных шахт. Дис. . канд. техн. наук. ⎯ Кемерово, 2010. 
 

УДК 622.4 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕШТАТНЫХ  
АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  
НА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ 
 
MODELING OF EMERGENCY AEROGASDYNAMIC  
PROCESSES IN COAL MINES 
 
В настоящей статье показана важность динамического расчёта 
шахтных вентиляционных сетей с точки зрения аэрогазодинамики выработанных пространств угольных шахт. Приведён пример определения реакции выработанного пространства при произвольном изменении 
расхода воздуха на выемочном участке. 
In this paper importance of dynamic mine ventilation calculation according to the aerogasdynamic transitions in coal mines out spaces was 
shown. The example of out space reaction determination at arbitrary changing of air flow rate was given. 
Ключевые слова: шахтные вентиляционные сети, динамический 
расчёт, переходной аэрогазодинамический процесс 
Keywords: mine ventilation networks, dynamic calculation, aerogasdynamic transition process 
 
Шахтная вентиляционная сеть является сложной динамической системой, аэродинамические параметры которой меняются 
постоянно. Любое изменение параметров ведёт к перераспределению воздуха в каждой выработке шахты. Основными источниками возмущений, приводящих к переходным аэродинамическим 
процессам шахтной вентиляции, являются изменения режимов 
работы вентиляторов главного и местного проветривания, движение транспорта, пожары и т.п. 
Переходные аэродинамические процессы в свою очередь 
влияют на газовый режим на выемочном участке шахты. Это связано с тем, уровень метановыделения из выработанного пространства, примыкающего к выработкам выемочного участка, 
зависит от расхода воздуха, попадающего на участок. 
Появление переходных газодинамических процессов в исходящей струе при увеличении количества подаваемого на выемочный участок воздуха объясняется изменением величины метанопоступления в воздухопроводящие  выработки из газонасыщен

ной зоны выработанного пространства за счёт увеличения утечек 
воздуха, изменения условий размывания метана и расширения 
зоны, обтекаемой воздушным потоком. 
Представленные в работе [1] графики изменения расхода 
воздуха и концентрации метана в исходящих вентиляционных 
струях выемочных участков на шахтах «Бутовская-Глубокая» и 
«Южная» показывают, что характер переходного газодинамического процесса зависит также и от направления движения воздуха. 
В работе [2] продемонстрированы все возможные виды переходных газовых процессов на выемочных участках угольных 
шахт. Исследования показывают, что регулирование расхода воздуха на выемочном участке не всегда сопровождается всплесками концентрации метана в исходящей вентиляционной струе. 
Добычный участок угольной шахты с учётом прилегающего 
к нему выработанному пространству нужно рассматривать как 
чрезвычайно сложный нелинейный объект с распределёнными 
параметрами, со случайно изменяющимися во времени и пространстве внутренними и внешними возмущениями, значительно 
усложняющимися его материальное описание [3]. 
Достаточно простая и наглядная математическая модель 
объекта, учитывающая особенность аэрогазодинамических процессов, предложена в [4] при следующих допущениях: 
1) объект рассматривается как линейный при условии малых 
отклонений регулируемого параметра в процессе функционирования медленно действующей замкнутой системы регулирования; 
2) газовыделение G(t) рассматривается как внешнее возмущение, состоящее из двух составляющих  
( )
( )
( )
п
в
G t
G t
G t
=
+
 
 (1) 

где 
( )п
G t
 – газовыделение, обусловленное производственными 
факторами (в первую очередь режимом работы добычной машины) и не зависящее от Q(t); 
( )в
G t
– газовыделение из выработанного пространства, обусловленное колебаниями Q(t), но не зависящее от режима работы добычной машины; 
3) выходной параметр объекта С(t) в результате суперпозиции 
рассматривается 
как 
сумма 
двух 
составляющих 
–
( )п
C t
и
( )в
C t
. 

Полученная методом структурного синтеза полная передаточная функция объекта по каналу «расход воздуха – концентрация» имеет следующий вид: 

( )
(
)(
)
1
2
W p
T
1
1
1

Q
в
CQ
K
K p

p
T p
T p

λ

λ
=
−
+
+
+  
(2) 

Первая  дробь выражения (2) обусловлена реакцией выработанного пространства на изменение входного воздействия и соответствует сложному дифференциальному звену. Наличие в числителе оператора р свидетельствует о том, что составляющая переходного процесса, обусловленная этим членом, имеет место 
только при скорости изменения во времени входного воздействия 
Q(t), отличающейся от нуля.  
Второй член выражения (2) описывает приближенно объект 
без учета эффекта выработанного пространства. 
Реакция объекта, описываемого выражением (2), на скачкообразное возмущение по управляющему воздействию 
( )
Q t
Δ
 при 

( )
0
п
G t
Δ
=
 

( )
( )
( )
в
п
С t
С
t
С
t
Δ
= Δ
+ Δ
, 
 (3) 

где 
( )
в
С
t
Δ
 – составляющая, обусловленная выработанным про
странством; 
( )
С
t
λ
Δ
– составляющая, обусловленная лавой.  

Переходя от изображений к оригиналам и полагая без нарушения общности, что Т2 ≠ Т1, получаем 

( )
(
)
2
1
/
/

2
1
t
;
t T
t T
в
в
K
C
e
e
T
T

−
−
Δ
=
−
−
 
 (4) 

( )
(
)
/
Q
t
1
;
t T
п
C
K
e
λ
−
λ
Δ
=
−
 
 (5) 

Для каждого конкретного выемочного участка угольной 
шахты коэффициенты
в
K , 
Q
Kλ
, 
1T , 
2T  определяются экспери
ментально.