Том 337 № 4 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/4/5248
Исследование температурного режима на неглубоком руднике в условиях Крайнего Севера при реверсировании вентиляторной установки в зимний период года
Актуальность. На шахтах и рудниках в холодное время года воздух, поступающий на проветривание подземных горных выработок в нормальном режиме работы, подогревается главными калориферными установками. В случае необходимости реверсирования вентиляционной струи, например, при аварийной ситуации, воздух необходимо подогревать за счет вспомогательных калориферных установок, однако на большинстве шахт и рудников они отсутствуют. При этом в случае возникновения аварийной ситуации в подземные горные выработки попадет холодный атмосферный воздух, что приводит к нарушению требований п. 151 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности № 505, а также может значительно повлиять на ведение аварийно-спасательных работ. Цель. Определение минимально допустимой температуры воздуха и поддержание в подземных горных выработках температуры выше этого предела является особенно важным при рассмотрении аварийных режимов проветривания, поскольку температура воздуха будет влиять на процесс проведения горноспасательных работ. Определение значений таких температур воздуха необходимо проводить с учетом многих факторов, зависящих от конкретных географических и горно-геологических условий объекта. Данная оценка должна основываться на комплексных исследованиях, включающих экспериментальные измерения и методы математического моделирования тепломассообменных процессов проветривания горных выработок. Целью настоящего исследования является определение значения минимально возможной температуры воздуха, поступающего в шахту в зимний период года, при реверсировании вентиляционной струи на неглубоком руднике в условиях Крайнего Севера. Методы. Проведение полевых измерений изменений микроклиматических параметров рудничного воздуха при реверсировании вентиляционной струи, а также математическое моделирование распределения воздушных потоков и температуры. Результаты и выводы. По результатам замеров установлено, что при реверсировании вентиляционной струи при температуре атмосферного воздуха –23 °С холодный воздух распространяется по западной части шахтного поля. При этом наличие влаги в горных выработках в совокупности с холодным воздухом приводит к обледенению поверхности горных выработок, что создает серьезные препятствия для выхода горнорабочих и ведения аварийно-спасательных работ, поскольку спуск и подъем людей осуществляется без использования механизированного подъема. На основе полученных данных построена математическая модель распределения воздушных масс и температуры воздуха по сети горных выработок рассматриваемого рудника. Полученная модель использована для определения зон распределения воздуха с отрицательными значениями температур при реверсировании вентиляционной струи, а также для расчетов интегрального показателя условий охлаждения (обморожения). Для рассматриваемого объекта при текущих условиях определена минимально допустимая температура воздуха при реверсировании вентиляционной струи. Более низкое расчетное значение минимально допустимой температуры воздуха в реверсивном режиме возможно в случае проведения мероприятий по осушению выработок шахты, а также организации механизированного спуска/подъема людей.
Для цитирования: Александрова М.А., Мальцев С.В., Кузьминых Е.Г. Исследование температурного режима на неглубоком руднике в условиях Крайнего Севера при реверсировании вентиляторной установки в зимний период года. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 4, С. 192-206.
Ключевые слова:
рудничная вентиляция, реверсивный режим проветривания, экспериментальные исследования, температурный режим, модель вентиляционной сети, теплофизическая модель, моделирование, минимально допустимая температура воздуха
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Reversal ventilation as a method of fire hazard mitigation in the mines. G. Pach, Z. Różański, P. Wrona, A. Niewiadomski, P. Zapletal, V. Zubíček. Energies, 2020, Vol. 13 (7), P. 1–17. DOI: 10.3390/en13071755.
2. Зайцев А.В., Кузьминых Е.Г., Ольховский Д.В. Безопасность реверсирования воздушных потоков в шахтах и рудниках в холодное время года. Вестник государственной экспертизы, 2022, № 1, С. 66–73.
3. Кормщиков Д.С., Кузьминых Е.Г., Семин М.А. Безопасность реверсирования воздушного потока в вентиляционных стволах шахт в холодное время года при отсутствии подогрева. Безопасность труда в промышленности, 2022, № 1, С. 14–19. DOI: 10.24000/0409-2961-2022-1-14-19.
4. Левин Л.Ю. Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки шахт и рудников: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Пермь, 2010. 30 с.
5. Семин М.А., Князев Н.А., Кормщиков Д.С. Тепловые процессы в вентиляционном стволе глубокого рудника при реверсировании воздушной струи в холодное время года. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2023, № 1, С. 112–123. DOI: 10.15372/FTPRPI20230111.
6. Князев Н.А., Кормщиков Д.С. Повышение безопасности эвакуации горнорабочих через вентиляционные стволы во время реверсирования воздушной струи в холодное время года на глубоком руднике. Горное эхо, 2022, № 3, С. 74–80. DOI: 10.7242/echo.2022.3.12.
7. Князев Н.А., Смородских А.С., Кормщиков Д.С. Разработка мероприятий по обеспечению безопасной эвакуации горнорабочих через вентиляционные стволы при реверсировании воздушной струи на горнодобывающих предприятиях, расположенных в северных регионах. Горное эхо, 2023, № 4, С. 92–100. DOI: 10.7242/echo.2023.4.15.
8. Roghanchi P., Kocsis K.C. Quantifying the thermal damping effect in underground vertical shafts using the nonlinear autoregressive with external input (NARX) algorithm. International Journal of Mining Science and Technology, 2019, № 29 (2), P. 255–262. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.06.002.
9. Scalise K.A., Teixeira K.A., Kocsis K.C. Managing heat in underground mines: the importance of incorporating the thermal flywheel effect into climatic. Mining, Metallurgy & Exploration, 2021, № 38, P. 575–579. DOI: 10.1007/s42461-020-00323-5.
10. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е.Л. Теплообмен вентиляционного воздуха с крепью воздухоподающего ствола и породным массивом. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2011, № 5, С. 91–99.
11. Зайцев А.В. Научные основы расчета и управления тепловым режимом подземных рудников: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Пермь, 2019. 44 с.
12. Гендлер С.Г., Синявина С.В. Методика определения параметров системы подогрева воздуха в железнодорожных тоннелях, расположенных в суровых климатических условиях. Записки Горного института, 2017, № 224, С. 215–222. DOI: 10.18454/PMI.2017.2.215.
13. Зайцев А.В., Семин М.А., Паршаков О.С. Особенности формирования теплового режима в воздухоподающих стволах в холодный период года. Записки Горного института, 2021, № 250, С. 562–568. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.9.
14. Aditya Pandey, Chinmay Mondal, Bhamidipati S. Sastry. Multiple logistic regression based prediction of heat flow direction in an intake incline of shallow depth by integrating thermal flywheel effect: a case study. Applied Thermal Engineering, 2022, № 213, 118765. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118765.
15. Numerical investigation of the temperature field and thermal insulation design of cold-region tunnels considering airflow effect. T. Lu, G. Zhang, S. Liu, B. Zheng, X. Zhang. Applied Thermal Engineering, 2021, Vol. 191, 116923. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116923.
16. Study on the influence of airflow on the temperature of the surrounding rock in a cold region tunnel and its application to insulation layer design. X. Tan, W. Chen, D. Yang, Y. Dai, G. Wu, J. Yang, H. Yu, H. Tian, W. Zhao. Applied Thermal Engineering, 2014, Vol. 67, P. 320–334. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.03.016.
17. Frost mitigation techniques for tunnels in cold regions: the state of the art and perspectives. Yuanfu Zhou, Min Liu, Xuefu Zhang, Xiaoqing Suo, Mingyong Li. Atmosphere, 2023, № 14 (2), P. 369. DOI: 10.3390/atmos14020369.
18. Andrén A., Dahlström L.-O., Nordlund E. Evaluation of a laboratory model test using field measurements of frost penetration in railway tunnels. Cold Regions Science and Technology, 2022, № 204, 103660. DOI: 10.1016/j.coldregions.2022.103660.
19. Freeze-proof method and test verification of a cold region tunnel employing electric heat tracing. Jinxing Lai, Junling Qiu, Haobo Fan, Jianxun Chen, Yongli Xie. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, № 60, P. 56–65. DOI: 10.1016/j.tust.2016.08.002.
20. Experimental study on freezing front model of alpine tunnel under wind field. Zhiqiang Li, Jinpeng Zhao, Lulu Liu, Zhe Li. Applied Sciences, 2023, № 13 (2), P. 824. DOI: 10.3390/app13020824.
21. Аналитический комплекс «АэроСеть»: программа для ЭВМ: свидетельство о гос. регистрации № 2015610589; заявл. 24.04.2014; зарегистрировано 14.01.2015; опубл. 20.02.2015. 1 с.
22. Мальцев С.В. Исследование и разработка способов определения аэродинамических параметров сложных вентиляционных систем подземных рудников: автореф. дис. … канд. техн. наук. Пермь, 2020. 24 с.
23. Хохлов Ю.А., Соловьев Д.Е. Методика совместного расчета температурного и вентиляционного режимов нестационарной сети горных выработок криолитозоны. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 2013, № 1, С. 138–145.
24. Автоматизированная обработка данных воздушно-депрессионной съемки для построения корректной математической модели вентиляционной сети рудников. Б.П. Казаков, А.Г. Исаевич, С.В. Мальцев, М.А. Семин. Известия высших учебных заведений. Горный журнал, 2016, № 1, С. 22–30.
25. Heat treatment and ventilation optimization in a deep mine. X. Nie, X. Wei, X. Li, C. Lu. Advances in Civil Engineering, 2018, № 2018, 1529490. DOI: 10.1155/2018/1529490.
26. Zaitsev A., Parshakov O., Semin M. Heat emissions from mining machinery: implications for microclimatic conditions in underground workings. Mining, 2024, № 4 (4), P. 1075–1092. DOI: 10.3390/mining4040059.
27. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт: в 2 т. Киев: АН УССР, 1959. Т. 1. 430 с.
28. Семин М.А., Левин Л.Ю. Разработка методики моделирования аэрологических процессов в рудничных вентиляционных сетях при реверсировании главных вентиляторных установок. Проблемы недропользования, 2017, № 1 (12), С. 138–143. DOI: 10.18454/2313-1586.2017.01.138.
REFERENCE
1. Pach G., Różański Z., Wrona P., Niewiadomski A., Zapletal P., Zubíček V. Reversal Ventilation as a Method of Fire Hazard Mitigation in the Mines. Energies, 2020, vol. 13 (7), pp. 1–17. DOI: 10.3390/en13071755.
2. Zaitsev A.V., Kuzminykh E.G., Olkhovskiy D.V. Safety of reversing air flows in mines and mines during the cold season. Bulletin of the State Expertise, 2022, no. 1, pp. 66–73. (In Russ.)
3. Kormshchikov D.S., Kuzminykh E.G., Semin M.A. Safety of reversing air flow in the ventilation shafts of the mines in the cold season in the absence of heating. Occupational safety in industry, 2022, no. 1, pp. 14–19. (In Russ.) DOI: 10.24000/0409-2961-2022-1-14-19.
4. Levin L.Yu. Theoretical and technological bases of resource-saving air treatment systems of the mines. Dr. Diss. Perm, 2010. 44 p. (In Russ.)
5. Semin M.A., Knyazev N.A., Kormshchikov D.S. Thermal processes in deep mine ventilation shafts in case of airflow reversal in cold seasons. Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, 2023, no. 1, pp. 112–123. (In Russ.) DOI: 10.15372/FTPRPI20230111.
6. Knyazev N.A., Kormshchikov D.S. Improving the safety of evacuation of miners through ventilation shafts during the reversal of the air stream in the cold season at a deep mine. Gornoe echo, 2022, no. 3, pp. 74–80. (In Russ.) DOI: 10.7242/echo.2022.3.12.
7. Knyazev N.A., Smorodskikh A.S., Kormshchikov D.S. Development of measures to ensure the safe evacuation of miners through ventilation shafts during air jet reversal at mining enterprises located in the northern regions. Gornoe echo, 2023, no. 4, pp. 92–100. (In Russ.) DOI: 10.7242/echo.2023.4.15.
8. Roghanchi P., Kocsis K.C. Quantifying the thermal damping effect in underground vertical shafts using the nonlinear autoregressive with external input (NARX) algorithm. International Journal of Mining Science and Technology, 2019, vol. 29 (2), pp. 255–262. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.06.002.
9. Scalise K.A. Teixeira K.A., Kocsis K.C. Managing heat in underground mines: the importance of incorporating the thermal flywheel effect into climatic. Mining, Metallurgy & Exploration, 2021, no. 38, pp. 575–579. DOI: 10.1007/s42461-020-00323-5.
10. Kazakov B.P., Shalimov A.V., Grishin E.L. Heat exchange of ventilation air with the support of the downcast shaft and the rock mass. Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, 2011, no. 5, pp. 91–99. (In Russ.)
11. Zaitsev A.V. Scientific bases of calculation and management of the thermal regime of underground mines. Dr. Diss. Perm, 2019. 44 p. (In Russ).
12. Gendler S.G., Sinyavina S.V. Method of determining characteristics air heating system in railway tunnels in harsh climatic conditions. Journal of Mining Institute, 2017, no. 224, pp. 215–222. (In Russ.) DOI: 10.18454/PMI.2017.2.215.
13. Zaitsev A.V., Semin M.A., Parshakov O.S. Features of the thermal regime formation in the downcast shafts in the cold period of the year. Journal of Mining Institute, 2021, no. 250, pp. 562–568. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.9.
14. Aditya Pandey, Chinmay Mondal, Bhamidipati S. Sastry. Multiple logistic regression based prediction of heat flow direction in an intake incline of shallow depth by integrating thermal flywheel effect: a case study. Applied Thermal Engineering, 2022, no. 213, 118765. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118765.
15. Lu T., Zhang G., Liu S., Zheng B., Zhang X. Numerical investigation of the temperature field and thermal insulation design of cold-region tunnels considering airflow effect. Applied Thermal Engineering, 2021, vol. 191, 116923. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116923.
16. Tan X., Chen W., Yang D., Dai Y., Wu G., Yang J., Yu H., Tian H., Zhao W. Study on the influence of airflow on the temperature of the surrounding rock in a cold region tunnel and its application to insulation layer design. Applied Thermal Engineering, 2014, vol. 67, pp. 320–334. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.03.016.
17. Yuanfu Zhou, Min Liu, Xuefu Zhang, Xiaoqing Suo, Mingyong Li. Frost mitigation techniques for tunnels in cold regions: the state of the art and perspectives. Atmosphere, 2023, no. 14 (2), pp. 369. DOI: 10.3390/atmos14020369.
18. Andrén A., Dahlström L.-O., Nordlund E. Evaluation of a laboratory model test using field measurements of frost penetration in railway tunnels. Cold Regions Science and Technology, 2022, no. 204, 103660. DOI: 10.1016/j.coldregions.2022.103660.
19. Jinxing Lai, Junling Qiu, Haobo Fan, Jianxun Chen, Yongli Xie. Freeze-proof method and test verification of a cold region tunnel employing electric heat tracing. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, no. 60, pp. 56–65. DOI: 10.1016/j.tust.2016.08.002.
20. Zhiqiang Li, Jinpeng Zhao, Lulu Liu, Zhe Li. Experimental Study on Freezing Front Model of Alpine Tunnel under Wind Field. Applied Sciences, 2023, no. 13 (2), p. 824. DOI: 10.3390/app13020824.
21. Zaytsev A.V., Kazakov B.P., Kashnikov A.V., Kormshchikov D.S., Kruglov Yu.V., Levin L.Yu., Malkov P.S., Shalimov A.V. Certificate no. 2015610589 on the state registration of a computer program. AeroSet analytical complex, 2015. Computer programs register. (In Russ.)
22. Maltsev S.V. Research and development of methods for determining the aerodynamic parameters of complex ventilation systems of underground mines. Cand. Diss. Perm, 2020. 24 p. (In Russ.)
23. Khokhlov Yu.A., Solovyov D.E. The method of joint calculation of the temperature and ventilation modes of the non-stationary mining network of the cryolithozone. Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, 2013, no. 1, pp. 138–145. (In Russ.)
24. Kazakov B.P., Isaevich A.G., Maltsev S.V., Semin M.A. Air distribution and depression survey automated data processing in order to build correct mathematical model of mine ventilation network. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal, 2016, no. 1, pp. 22–30. (In Russ.)
25. Nie X., Wei X., Li X., Lu C. Heat treatment and ventilation optimization in a deep mine. Advances in Civil Engineering, 2018, no. 2018, 1529490. DOI: 10.1155/2018/1529490.
26. Zaitsev A., Parshakov O., Semin M. Heat emissions from mining machinery: implications for microclimatic conditions in underground workings. Mining, 2024, no. no. 4 (4), pp. 1075–1092. DOI: 10.3390/mining4040059.
27. Shherban A.N., Kremnev O.A. Scientific bases of calculating and controlling thermal mode of deep mines. Kiev, AN USSR Publ., 1959. Vol. 1, 430 p. (In Russ.)
28. Semin M.A., Levin L.Yu. Working out processes modeling methods in mine ventilation networks by main fan installations reversal. Problems of Subsoil Use, 2017, no. 1 (12), pp. 138–143. (In Russ.) DOI: 10.18454/2313-1586.2017.01.138.
