Том 336 № 4 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/4/4701
Определение показателя конвективной устойчивости воздуха в стволах при нулевом режиме вентиляции рудника
Актуальность исследования обусловлена необходимостью прогнозирования конвективного движения воздуха в шахтных стволах в аварийных режимах вентиляции рудников, связанных с прекращением их принудительного проветривания. Возникновение протяжённых конвективных вихрей в стволах интенсифицирует процессы переноса тепла и дыма в случае пожара, а также уменьшает величину естественной тяги, слабо проветривающей рудник после отключения вентилятора. Знание условий возникновения тепловой конвекции в стволах позволяет точнее планировать мероприятия по борьбе с рудничными пожарами. Цель: разработка методики оценки конвективной устойчивости воздуха применительно к условиям шахтных стволов. Объекты: шахтные стволы. Методы: аналитическое и численное моделирование процессов возникновения и развития конвекции в шахтном стволе; сравнительный анализ способов оценки конвективной устойчивости неравномерно нагретой среды в поле силы тяжести. Результаты. Проанализированы способы оценки конвективной устойчивости воздуха в зависимости от значения вертикального градиента температуры. Показано, что аналитические методы оценки в приближениях сжимаемой жидкости в гидродинамике, идеального газа в метеорологии или по знаку вертикального градиента плотности дают результаты, значительно различающиеся количественно. С целью выявления наиболее адекватного способа оценки применительно к рудничным условиям проведено численное моделирование конвективного движения воздуха в стволе при разных значениях его вертикального температурного градиента. Расчётным путём установлено, что неподвижный воздух в стволе при подогреве снизу оказывается ещё более устойчивым, чем следует из самой оптимистичной оценки, и критический температурный градиент воздуха при этом почти в 5 раз превышает адиабатический. Очевидной причиной полученного результата является стабилизирующее действие сил вязкости, многократно возрастающее в стеснённых условиях шахтных стволов и не дающее развиваться конвекции, которая в свободной атмосфере возникает при значительно меньших конвективных силах. На основании полученных результатов сделан вывод, что метеорологический критерий оценки конвективной устойчивости воздуха применительно к условиям шахтных стволов не приемлем, т. к. является чрезмерно жёстким. Конвекция возникает при вертикальном градиенте температуры ~46 градусов/км, что возможно либо при поступлении в ствол холодного наружного воздуха, либо при наличии в стволе источников тепла, подогревающих воздух сильнее, чем теплообмен с окружающим породным массивом.
Ключевые слова:
конвективная устойчивость, турбулентность, тепловая депрессия, адиабатический градиент, приближение Буссинеска, число Рэлея, число Шварцшильда, коэффициент адиабаты
