Проветривание тупиковых очистных камер большого сечения в условиях изменяющегося объема навала руды

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью обеспечения безопасных условий труда в рабочих зонах подземных рудников. В условиях отгрузки руды горными машинами в камерах большого сечения в области за навалом руды возможно образование застойных зон с низкими скоростями воздуха. Ввиду нестационарности процессов накопления и переноса газовых примесей в тупиковой выработке существует вероятность образования локальных скоплений газа в таких застойных зонах, а также их резкого выноса в последующем, что приведет к загрязнению воздушного потока, который попадает на рабочее места машиниста. Цель: определение закономерностей выноса газа из тупиковой очистной выработки большого сечения при наличии в ней навала руды. Объект: очистная тупиковая горная выработка большого сечения сложной геометрии. Методы: трехмерное численное моделирование нестационарного турбулентного течения газовоздушной смеси в программном комплексе Ansys CFX, визуализация и анализ данных моделирования в программном комплексе Wolfram Mathematica. Результаты. Представлены результаты математического моделирования проветривания тупиковых очистных камер большого сечения сложной геометрии с учетом изменяющегося объема навала руды при отгрузке погрузочно-доставочными машинами с двигателем внутреннего сгорания. Показано, что в зависимости от высоты навала руды формируется либо единый вихрь, проветривающий пространство камеры, либо застойная зона за навалом руды, которая характеризуется относительно малой интенсивностью переноса массы. Получены зависимости изменения средней концентрации выхлопных газов на выходе из камерного пространства от времени нахождения техники в очистном пространстве. Определен коэффициент эффективности проветривания и зависимость поправочного объемного коэффициента от геометрических параметров очистного пространства. Получена аналитическая модель выноса газов из очистного пространства тупиковой камеры в условиях изменяющегося объема навала руды. Зависимость позволяет определять концентрацию газа на рабочем месте машиниста погрузочно-доставочной машины в любой момент времени, и, как следствие, определять безопасное для машиниста время работы машины по уборке горной массы.

Relevance. The need to ensure safe working conditions in the working areas of underground mines. Stagnant zones with low air velocities can be formed in large section blind heading behind the ore bulk when ore is shipped by mining machines. There is a possibility of the formation of local gas accumulations and their abrupt removal later in such stagnant zones due to the unsteadiness of accumulation and transfer of gas impurities in a blind heading. A sharp removal of gas will lead to contamination of the load-haul-dump operators' workplace. Aim. To identify removal of exhaust gases in large section blind headings in conditions of changing ore load size. Objects. Large section blind headings with of complex geometry. Methods. Three-dimensional numerical simulation of unsteady turbulent flow of a gas-air mixture in the Ansys CFX, visualization and analysis of simulation data in the Wolfram Mathematica. Results. The paper presents the results of mathematical modeling of ventilation of large section blind headings of complex geometry under conditions of changing ore load size formed during mining operations by the load-haul-dump machines with an internal combustion engine. It is shown that either a single vortex is formed that ventilates the blind headings space, or a stagnant zone behind the bulk ore, which is characterized by a relatively low intensity of mass transfer. Vortex formation depends on the height of the ore bulk. The authors have obtained the dependences of the change in the average concentration of exhaust gases at the outlet of the blind headings space on the operating time of the machine. They determined the dependence of the correction volume coefficient on the geometric parameters of the blind headings. An analytical model of the removal of gases from the blind headings space under conditions of changing bulk ore volume is obtained. The expression of increment in gas concentration on an operator's workplace makes it possible to derive formula to find maximum time of load-haul dump operation in a stope such that gas concentration is never higher than maximum allowable concentration