Том 337 № 6 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5174
Анализ влияния параметров арочной крепи на интенсивность теплообмена воздуха с окружающим породным массивом
Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения точности теплотехнических расчётов при проектировании системы вентиляции и кондиционирования в условиях глубоких подземных рудников. Цель: анализ влияния конструктивных особенностей крепи горных выработок на процессы теплообмена между вентиляционным потоком и окружающим породным массивом. Объект: рудничный воздух, взаимодействующий с конструктивными элементами арочной крепи горной выработки. Методы: численное моделирование тепломассопереноса в воздушной атмосфере горной выработки, аппроксимация расчетных зависимостей коэффициента теплоотдачи по данным многопараметрического моделирования. Результаты. Проведено численное трехмерное моделирование тепломассопереноса в горной выработке при различных расстояниях между элементами крепи и скоростях движения воздуха. Установлено, что уменьшение расстояния между стойками приводит к существенному увеличению коэффициента теплоотдачи за счёт усиления турбулизации потока и расширения площади теплообмена. Основным результатом работы является аппроксимирующая зависимость для коэффициента теплоотдачи от средней скорости вентиляционного потока и конструктивных параметров крепи, определяющих макрошероховатость стенок выработки. Полученные данные позволяют дополнить результаты предыдущих исследований и могут быть использованы при проектировании систем вентиляции и кондиционирования шахт и рудников, разработке мероприятий по обеспечению безопасности ведения горных работ по тепловому фактору.
Для цитирования: Попов М.Д., Семин М.А., Гришин Е.Л. Анализ влияния параметров арочной крепи на интенсивность теплообмена воздуха с окружающим породным массивом. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 6, С. 99-109. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/6/5174
Ключевые слова:
теплообмен, рудничная вентиляция, арочная крепь, численное моделирование, коэффициент теплоотдачи, ANSYS, подземные выработки, турбулентный поток, интенсивность турбулентности
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зайцев А В. Научные основы расчета и управления тепловым режимом подземных рудников: дис. … д-ра техн. наук. Пермь, 2019. 247 с.
2. Popov M.D., Semin M.A., Levin L.Yu. Air distribution in inclined drifts with intense heat emission sources. Journal of Mining Science, 2024, Vol. 60, № 4. DOI: 10.1134/S1062739124040124.
3. Шалимов А.В. Теоретические основы прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников: дис. … д-ра техн. наук. Пермь, 2012. 329 с.
4. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1966. 249 с.
5. McPherson M.J. Subsurface ventilation and environmental engineering, Springer Science & Business Media, 2012. 905 с.
6. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Научные основы расчёта и регулирования теплового режима глубоких шахт: в 2-х т. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. Т. 2, 347 с.
7. Кормщиков Д.С., Попов М.Д. Нормализация теплового режима глубоких залежей рудника «Таймырский» до момента ввода системы кондиционирования. Горное эхо, 2019, № 2 (75), С. 92–96. DOI: 10.7242/echo.2019.2.22
8. Куцев А.Р. Моделирование нестационарного процесса сопряженного теплообмена горного массива и рудничного воздуха с применением технологии вычисления на графических процессорах Nvidia CUDA. Вестник ПГУ. Физика, 2012, № 4, С. 111–117.
9. Зайцев А.В., Семин М.А., Паршаков О.С. Особенности формирования теплового режима в воздухоподающих стволах в холодный период года. Записки Горного института, 2021, Т. 250, С. 562–568. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.9
10. Ольховский Д.В., Зайцев А.В., Шалимов А.В., Давыдов А.А. Способы нормализации микроклимата в глубоких протяженных тупиковых выработках. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2021, Т. 332, № 12, С. 200–210. DOI: 10.18799/24131830/2021/12/3210
11. Zaitsev A., Shalimov A., Borodavkin D. Unsteady coupled heat transfer in the air and surrounding rock mass for mine excavations with distributed heat sources. Fluids, 2023, Vol. 8, № 2, P. 67. DOI: 10.3390/fluids8020067
12. Колесов Е.В. Разработка способов управления капельной влагой в вентиляционных стволах рудников: дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2023. 153 с.
13. Xu Y., Li Z., Li G., Wang B. A thermal environment prediction method for a mine ventilation roadway based on a numerical method: a case study. Case Studies in Thermal Engineering, 2023, Vol. 42, Article 102733. DOI: 10.1016/j.csite.2023.102733
14. Hansen R. Modelling temperature distributions and flow conditions of fires in an underground mine drift. Geosystem Engineering, 2020, Т. 23, № 6, С. 299–314. DOI: 10.1080/12269328.2018.1429954
15. Peltier M., Loria A.F.R., Lepage L., Garin E., Laloui L. Numerical investigation of the convection heat transfer driven by airflows in underground tunnels. Applied Thermal Engineering, 2019, Vol. 159, P. 113844. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.113844
16. Тарасевич С.Э., Злобин А.В., Яковлев А.Б. Гидродинамика и теплообмен при движении однофазной жидкости в трубах с искусственной шероховатостью. Теплофизика высоких температур, 2015, Т. 53, № 6, С. 938–952.
17. Kumar A.R. Comparative analysis of different CFD turbulence models for a diesel pool combustion event in an underground mine: a case study. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 2024, Т. 38, № 7, С. 549–561.
18. Yu C., Zhang W., Gao R., Guo W. Numerical study on heat transfer between airflow and surrounding rock with two major ventilation models in deep coal mine. Arabian Journal of Geosciences, 2020, Vol. 13, № 14, Article 686. DOI: 10.1007/s12517-020-05725-9.
19. Levin L.Y., Semin M.A., Popov M.D., Zhikharev S.Y., Validation of the heat and mass transfer model in the atmosphere of a horizontal mine working in the presence of an intense heating source. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering, 2024, Vol. 24, № 3, P. 169–176.
20. Wang C., Lin Q., Lang X., Xu Y., Wang X., Fan Y. Prediction of temperature field and control method for heat damage in deep shaft. Geofluids, 2025, Vol. 2025, № 1, P. 59–62.
21. Yi H. et al. Applications of computational fluid dynamics for mine ventilation in mineral development. Energies, 2022, Vol. 15, № 22, P. 8405.
22. Fernández-Alaiz F., Castañón A.M., Gómez-Fernández F., Bascompta M. Mine fire behavior under different ventilation conditions: real-scale tests and CFD modeling. Applied sciences, 2020, Vol. 10, № 10, P. 3380.
23. Menter F. Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows. 23rd fluid dynamics, plasmadynamics, and lasers conference. Sunnyvale, 1993. P. 1993–2906.
24. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору, Приказ от 8 декабря 2020 года N 505 Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых». М., 2020. 122 с.
REFERENCES
1. Zaitsev A.V. Scientific foundations for the calculation and control of the thermal regime in underground mines. Dr. Diss. Perm, 2019. 247 p. (In Russ.)
2. Popov M.D., Semin M.A., Levin L.Yu. Air distribution in inclined drifts with intense heat emission sources. Journal of Mining Science, 2024, vol. 60, no. 4. DOI: 10.1134/S1062739124040124.
3. Shalimov A.V. Theoretical foundations for prediction, prevention, and mitigation of emergency ventilation failures in mines. Dr. Diss. Perm, 2012. 329 p. (In Russ.)
4. Voropaev A.F. Theory of heat exchange between mine air and rock mass in deep mines. Moscow, Nedra Publ., 1966. 249 p. (In Russ.)
5. McPherson M.J. Subsurface ventilation and environmental engineering. Springer Science & Business Media, 2012. 905 p.
6. Shcherban A.N., Kremnev O.A. Scientific foundations of calculation and regulation of the thermal regime in deep mines: in 2 vol. Kiev, AN USSR Publ., 1960. Vol. 2, 347 p.
7. Kormshchikov D.S., Popov M.D. Normalization of the thermal regime of deep deposits of the taimyr mine before the introduction of the air conditioning system. Mining Echo, 2019, no. 2 (75), pp. 92–96. (In Russ.) DOI: 10.7242/echo.2019.2.22.
8. Kutsev A.R. Modeling of the unsteady coupled heat transfer process between rock mass and mine air using nvidia CUDA GPU computing technology. Bulletin of Perm University. Physics, 2012. no. 4, pp. xx–xx. (In Russ.)
9. Zaitsev A.V., Semin M.A., Parshakov O.S. Features of thermal regime formation in air-supplying shafts during the cold season. Journal of mining institute, 2021, vol. 250, pp. 562–568. (In Russ.) DOI: 10.31897/PMI.2021.4.9
10. Olkhovskii D.V., Zaitsev A.V., Shalimov A.V., Davydov A.A. Methods for normalizing the microclimate in deep, extensive dead-end workings. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2021, vol. 332, no. 12, pp. 200–210. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2021/12/3210.
11. Zaitsev A., Shalimov A., Borodavkin D. Unsteady coupled heat transfer in the air and surrounding rock mass for mine excavations with distributed heat sources. Fluids, 2023, vol. 8, no. 2, pp. 67. DOI: 10.3390/fluids8020067.
12. Kolesov E.V. Development of methods for controlling droplet moisture in mine ventilation shafts. Perm, Mining Institute UB RAS Publ., 2023. 153 p. (In Russ.)
13. Xu Y., Li Z., Li G., Wang B. A thermal environment prediction method for a mine ventilation roadway based on a numerical method: a case study. Case Studies in Thermal Engineering, 2023, vol. 42, art. 102733. DOI: 10.1016/j.csite.2023.102733.
14. Hansen R. Modelling temperature distributions and flow conditions of fires in an underground mine drift. Geosystem Engineering, 2020, vol. 23, no. 6, pp. 299–314. DOI: 10.1080/12269328.2018.1429954.
15. Peltier M., Loria A.F.R., Lepage L., Garin E., Laloui L. Numerical investigation of the convection heat transfer driven by airflows in underground tunnels. Applied Thermal Engineering, 2019, vol. 159. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.113844.
16. Tarasevich S.E., Zlobin A.V., Yakovlev A.B. Hydrodynamics and heat transfer during single-phase fluid flow in pipes with artificial roughness. Hight temperature, 2015, vol. 53, no. 6, pp. 938–952. (In Russ.)
17. Kumar A.R. Comparative analysis of different CFD turbulence models for a diesel pool combustion event in an underground mine: a case study. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 2024, vol. 38, no. 7, pp. 549–561.
18. Yu C., Zhang W., Gao R., Guo W. Numerical study on heat transfer between airflow and surrounding rock with two major ventilation models in deep coal mine. Arabian Journal of Geosciences, 2020, vol. 13, no. 14. DOI: 10.1007/s12517-020-05725-9.
19. Levin L.Y., Semin M.A., Popov M.D., Zhikharev S.Y. Validation of the heat and mass transfer model in the atmosphere of a horizontal mine working in the presence of an intense heating source. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering, 2024, vol. 24, no. 3, pp. 169–176.
20. Wang C., Lin Q., Lang X., Xu Y., Wang X., Fan Y. Prediction of temperature field and control method for heat damage in deep shaft. Geofluids, 2025, vol. 2025, no. 1, pp. 59–62.
21. Yi H. et al. Applications of computational fluid dynamics for mine ventilation in mineral development. Energies, 2022. vol. 15, no. 22.
22. Fernández-Alaiz F., Castañón A.M., Gómez-Fernández F., Bascompta M. Mine fire behavior under different ventilation conditions: Real-scale tests and CFD modeling. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 10, pp. 3380:1–3380:14.
23. Menter F. Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows. 23rd fluid dynamics, plasmadynamics, and lasers conference. Sunnyvale, 1993. pp. 1993–2906.
24. Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision. Order No. 505 of December 8, 2020 "On the Approval of Federal Safety Regulations in the Field of Industrial Safety 'Safety Rules for Mining Operations and Processing of Solid Mineral Resources. Moscow, 2020. 122 p. (In Russ.)
