Обновленная классификация аэродинамических сопротивлений горных предприятий
С.С. Кобылкин, Д.А. Федоров, И.И. Кузнецов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №4 / 2025 стр. 92-96
Резюме: Проветривание шахт и рудников основное мероприятие по обеспечению промышленной безопасности. В настоящее время существуют проблемы с методической базой по проектированию вентиляции. Для разработки документов по проведению расчётов проветривания требуются дополнительные исследования в части определения и учета аэродинамического сопротивления горных выработок. Предложена обновленная классификация аэродинамических сопротивлений с учетом возможностей существующих приборов контроля параметров рудничной атмосферы. Актуализированы сведения по лобовым аэродинамическим сопротивлениям для горных предприятий. В частности, предложено к лобовым сопротивлениям относить только те, что возникают вследствие движения объекта (например, самоходной горной техники). Препятствия в виде рудничных стоек, стационарного горного оборудования, различных материалов, расположенные в горной выработке длиной не более 19 м, будут относиться к местным сопротивлениям. В основе предлагаемой классификации лежит сформированное и устоявшееся в России научное мнение о существовании трех видов аэродинамического сопротивления. Уточнение классификации выполнено только в части того, что относить к каждому из трех видов сопротивлений.
Ключевые слова: рудник, шахта, вентиляция, аэродинамическое сопротивление, проектирование вентиляции, промышленная безопасность, лобовое сопротивление, местные сопротивления
Для цитирования: Кобылкин С.С., Федоров Д.А., Кузнецов И.И. Обновленная классификация аэродинамических сопротивлений горных предприятий. Горная промышленность. 2025;(4):92–96. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4-92-96
Информация о статье
Поступила в редакцию: 17.05.2025
Поступила после рецензирования: 10.06.2025
Принята к публикации: 18.06.2025
Информация об авторах
Кобылкин Сергей Сергеевич – доктор технических наук, профессор, кафедра безопасности и экологии горного производства Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-2626-208X; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Федоров Денис Анатольевич – аспирант кафедры безопасности и экологии горного производства Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва, Российская Федерация
Кузнецов Иван Ильич – горный инженер, аспирант кафедры безопасности и экологии горного производства Горного института, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», г. Москва Российская Федерация
Введение
Вопросы обеспечения безопасности на горных предприятиях являются приоритетными. Наиболее острый вопрос связан с эффективным проветриванием. В настоящее время нет действующего документа по проектированию вентиляции угольных шахт и рудников. Существовавшее ранее Руководство по проектированию вентиляции шахт, утвержденное Минуглепром СССР от 15.08.1989 г., в настоящее время не действует.
Ряд вопросов, касающихся определения величины аэродинамического сопротивления, требует пересмотра. Существующие эмпирические коэффициенты, указанные в справочниках, не учитывают изменившиеся виды технологий, применяемые для проходки горных выработок, современные виды крепи и горное оборудование.
Отдельно обращает на себя внимание вопрос определения и учета величины местного и лобового аэродинамического сопротивления. Данные виды сопротивлений при проектировании вентиляции шахт и рудников не учитываются.
В России выделяют три вида аэродинамических сопротивлений (трения, местные и лобовые). В зарубежных странах лобовое аэродинамическое сопротивление отнесено к местным аэродинамическим сопротивлениям [1; 2].
При проектировании вентиляции шахт и рудников учитывается только аэродинамическое сопротивление трения. Оно обусловлено трением движущегося воздуха о борта, почву и кровлю горных выработок. Исследованиям данного вида аэродинамических сопротивлений посвящено большое количество работ выдающихся ученых, таких как А.А. Скочинский, В.Б. Комаров, А.И. Ксенофонтова, П.И. Мустель, В.В. Кашибадзе, А.А. Харев и др. В настоящее время требуется пересмотр существующих справочников по рудничной вентиляции в части представленных там значений коэффициентов аэродинамического сопротивления трения для горных выработок большого сечения – более 20 м2.
А для учета местных и лобовых аэродинамических сопротивлений требуется обновить существующую классификацию.
Местные аэродинамические сопротивления
Исследованиями местных аэродинамических сопротивлений активно занимаются в настоящее время [2–10].
Получены зависимости для некоторых видов соединений горных выработок. Однако они практически никак не учитываются при проектировании вентиляции шахт и рудников. По мнению некоторых авторов, их общешахтная величина может доходить до 20% [2–7], а по некоторым данным – до 50% [8] от общей величины аэродинамического сопротивления трения в зависимости от схемы проветривания.
В Руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт рекомендуется принимать во внимание, что величина общего шахтного аэродинамического сопротивления, обусловленного местными потерями, принимается равной 10% от общего аэродинамического сопротивления трения, однако в работе [9] данное решение подвергается сомнению.
На основе проведённого анализа вентиляционных планов всех шахт России был выявлен ряд местных сопротивлений, которые ранее не учитывались в исследованиях [10]. В результате проделанной работы была разработана отдельная классификация всех встречающихся местных сопротивлений, образующихся при сопряжении горных выработок:
1. Примыкающая тупиковая горная выработка.
2. Т-образное сопряжение горных выработок.
3. Сопряжение четырех горных выработок.
4. Сопряжение трех горных выработок с одной тупиковой.
5. Сопряжение двух горных выработок с двумя тупиковыми.
6. Сопряжение пяти горных выработок.
7. Сопряжение четырех горных выработок с одной тупиковой.
8. Сопряжение трех горных выработок с двумя тупиковыми.
9. Сопряжение двух горных выработок с тремя тупиковыми.
При этом в данной части общей классификации рассматриваются для всех случаев наличие тупиковых горных выработок, наличие в примыкающих горных выработках вентиляционных сооружений, направление воздушного потока, утечки и подсосы.
Лобовые аэродинамические сопротивления
Лобовые аэродинамические сопротивления изучены в меньшей степени. Большинство исследовательских работ были проведены в 1940–1960 гг. такими учеными, как А.А. Скочинский, А.И. Ксенофонтова, В.В. Кашибадзе, А.А. Харев, И.Е. Идельчик и др.
При проектировании горного предприятия выбор площади сечения горных выработок обусловлен обеспечением заданной производительности предприятия и типом применяемого на нем горного оборудования. Перекрытие сечения горной выработки самоходным горным оборудованием (СГО) может достигать 60%.
В настоящее время под лобовыми аэродинамическими сопротивлениями принято понимать сопротивление, оказываемое потоку находящимся в нем телом. К ним относят: расстрелы, рудничные стойки, вагонетки, горное оборудование (без указания типа этого оборудования). Ранее, до 1949 г., отдельно термин «лобовые сопротивления» не встречается. Впервые он появился в учебнике Рудничная вентиляция А.А. Скочинского и В.Б. Комарова.
В аэродинамике есть четкое определение термина «лобовое аэродинамическое сопротивление» – сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Здесь следует обратить внимание именно на то, что данный вид сопротивления возникает только при движении какого-либо тела или объекта. Лобовое аэродинамическое сопротивление трения рассматривается как состоящее из трех частей:
1) ударной волны, приходящейся на площадь объекта, перпендикулярную набегающему воздушному потоку;
2) аэродинамического сопротивления трения по поверхности объекта;
3) турбулентного сопротивления вихрей за объектом.
При движении СГО по выработкам могут быть различные сочетания направления движений машины и воздушной струи (рис. 1), которые по-разному будут влиять на общее аэродинамическое сопротивление в горной выработке.
Рис. 1 Схемы движения машин (СГО) относительно движения воздуха
Fig. 1 Patterns of equipment movement (mobile mining equipment) in relation to the air flow
При встречном движении машины и воздушной струи (рис. 1, а) лобовое сопротивление увеличивается. Если скорость воздушной струи будет существенно меньше скорости движения СГО при условии наличия минимального светового проема, гипотетически возможно опрокидывание воздушной струи. При попутном движении СГО и воздушной струи (рис. 1, б) и при совпадении скоростей лобовое сопротивление будет минимизироваться. Также возможно в таких случаях наблюдать поршневой эффект (дополнительная тяга), что тоже может привести к изменению распределения воздуха в сети горных выработок. Для оценки влияния лобового аэродинамического сопротивления на аэродинамику шахтных вентиляционных потоков и на распределение воздуха по сети горных выработок важно идентифицировать все источники данного вида аэродинамического сопротивления.
Обновленная классификация
аэродинамических сопротивлений Из анализа российских источников (учебников, справочников, монографий и диссертаций) можно сделать вывод, что под лобовым аэродинамическим сопротивлением принято понимать препятствия, которые можно условно разделить на три группы: распределенные (рудничные и гидростойки), локальные (горное оборудование) и самоходная горная техника (электровозы, шахтные самосвалы, порода-доставочные машины и т.п.).
Данный перечень не отражает всех возможных случаев, идет в противоречие с понятием лобового аэродинамического сопротивления из аэродинамики в авиа- и автостроении и не коррелируется с международными понятиями видов аэродинамических сопротивлений в горном деле. Для дальнейших исследований необходимо сделать классификацию аэродинамических сопротивлений и устранить противоречия.
В основе предлагаемой классификации лежит сформированное и устоявшееся в России научное мнение о существовании трех видов аэродинамических сопротивлений (трение, местные и лобовые аэродинамические сопротивления). Уточнение классификации будет только в части того, что относить к каждому из трех видов сопротивлений.
В настоящее время минимальный перепад давления, который можно измерить существующими приборами в рудничном исполнении (ММН-2400), равен hст = 1 Па. У прибора МБГО-2 погрешность измерения дифференциального давления равна 5±0,15р Па. Такой перепад давления можно измерить только на определенной длине (Lизм) и при определенной комбинации параметров (α, P, v и S) исходя из известной зависимости
Lизм = hст·S /α·P·v2= hст·d /4·α·v2.
С учетом того что периметр Р, м, и площадь сечения S, м2, горной выработки связаны через гидравлический диаметр d, м, можно сделать следующий вывод: длина участка Lизм, на котором можно измерить депрессию в 1 Па, будет при минимальных значениях гидравлического диметра горной выработки d, м, и скорости движения воздуха v, м/с, а также при наибольшем значении коэффициента аэродинамического сопротивления трения α, кгс·с2/м4.
Минимальный гидравлический диаметр горной выработки может быть принят 1 м, что соответствует вентиляционной скважине или вентиляционному восстающему круглой формы с диаметром в 1 м, а также горной выработке квадратной формы с длиной сторон равной 1 м.
Максимальное значение коэффициента аэродинамического сопротивления трения можно выбрать из Справочника рудничной вентиляции (под ред. К.З. Ушакова, 1987) (α = 0,13 кгс·с2/м4). Минимальная скорость движения воздуха обусловлена требованиями Федеральных норм и правил и равна v = 0,1 м/с (для угольных шахт). Тогда
Lизм = 0,1·1 /4·0,13·0,12 = 19 м.
Этот расчёт используется в качестве некоторого критерия (Lизм = 19 м), по которому можно определить, что относится к аэродинамическому сопротивлению трения, а что – к местному аэродинамическому сопротивлению.
Помимо относящихся к аэродинамическому сопротивлению трения крепи, конвейера и трапа, к данному виду аэродинамического сопротивления можно отнести:
– рудничные стойки, если их установлено несколько подряд на участке длиной более 19 м;
– стационарное оборудование с общей длиной более 19 м.
Для вышеуказанных случаев возможно провести измерения перепада давления и определить коэффициент аэродинамического сопротивления трения такого участка.
Данные участки при проектировании вентиляции будут рассматриваться как отдельные ветви.
Всё, что расположено на участке горных выработок протяженностью менее 19 м, будет относиться к местным аэродинамическим сопротивлениям. В проектировании такие участки будут учитываться как дополнительное сопротивление (по аналогии с местными аэродинамическими сопротивлениями вентиляционных окон или дверей).
Отдельно к местным аэродинамическим сопротивлениям относятся проходческие комбайны. Являясь СГО, они расположены всегда в определенном месте – в призабойной части горной выработки. Воздушная струя их омывает по касательной, не ударяясь в «лоб». При этом данный вид аэродинамического сопротивления не оказывает существенного влияния на общешахтное сопротивление и распределение воздушных потоков по вентиляционной сети.
К лобовым аэродинамическим сопротивлениям будут относиться только движущиеся объекты, так, как это понимается в других науках, где изучается аэродинамика движущихся тел (машин, самолетов, ракет, поездов и т.д.).
В классификации аэродинамических сопротивлений в рудничной аэрологии к лобовому аэродинамическому сопротивлению будем относить СГО, клеть / скип и людей.
При этом с учетом влияния конструкции горного оборудования на аэродинамическое сопротивление трения о поверхность СГО можно разделить на два подвида:
1) СГО, у которого длина, высота и ширина сопоставимы (например, ПДМ, ШАС, буровые установки и т.п.);
2) СГО, у которого большая протяженность (электровозы и монорельсовый транспорт).
Данные предложения по классификации аэродинамических сопротивлений представлены в табл. 1.
Таблица 1 Классификация аэродинамических сопротивлений
Table 1 Classification of aerodynamic resistances
Заключение
Одной из проблем в области обеспечения безопасности и эффективности ведения горных работ является плохо организованное проветривание. Аварии и инциденты происходят из-за недостаточной проработанности проектов по проветриванию горных предприятий, а также нарушений требований нормативных документов. В настоящее время отсутствуют нормативные документы по проектированию вентиляции горных предприятий. Ранее действующие документы по расчёту проветривания также не учитывают ряд факторов, например, лобовые аэродинамические сопротивления. Как показал анализ научных работ, данный вид аэродинамического сопротивления недостаточно изучен.
При этом к лобовым аэродинамическим сопротивлениям в рудничной аэрологии относят, как правило, не только движущуюся горную технику (обычно указывают только вагонетки, ПДМ, ШАС, буровые машины и т.п.), а добавляют расстрелы и рудничные стойки. В аэродинамике в других областях науки указывается, что лобовое аэродинамическое сопротивление возникает только у движущихся объектов (машины, самолеты, ракеты и т.д.).
В зарубежной литературе в области аэрологии горных предприятий нет понятия лобового аэродинамического сопротивления. Там их относят к местным аэродинамическим сопротивлениям. Для всех дальнейших исследований предлагается разработанная классификация аэродинамических сопротивлений, в которой устранены все противоречия.
В основе предлагаемой классификации лежит сформированное и устоявшееся в России научное мнение о существовании трех видов аэродинамических сопротивлений (трение, местные и лобовые аэродинамические сопротивления). Уточнение классификации выполнено только в части того, что относить к каждому из трех видов сопротивлений.
Список литературы
1. Carlos S. Mine Ventilation: A concise guide for students. Springer Cham; 2020. 371 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-49803-0
2. Pramod T. Advanced mine ventilation: Respirable coal dust, combustible gas and mine fire control. Woodhead Publishing; 2018. 528 p.
3. Газизуллин Р.Р., Левин Л.Ю., Зайцев А.В. Влияние местных сопротивлений на воздухораспределение в рудниках при реверсивном режиме работы главной вентиляторной установки. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012;(5):227–230. Gazizullin R.R., Levin L.Yu., Zaitsev A.V. Influence of local resistances on air distribution in mines with reversible operation of the main fan system. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2012;(5):227–230. (In Russ.)
4. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Стукалов В.А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок. Горный журнал. 2009;(12):56–58. Режим доступа: https://www.rudmet.ru/journal/562/article/6341/ (дата обращения: 09.03.2025). Kazakov B.P., Shalimov A.V., Stukalov V.A. Simulation of aerodynamic drag of interfaces of mines. Gornyi Zhurnal. 2009;(12):56–58. (In Russ.) Available at: https://www.rudmet.ru/journal/562/article/6341/ (accessed: 09.03.2025).
5. Левин Л.Ю., Семин М.А., Газизуллин Р.Р. Разработка метода расчета местных аэродинамических сопротивлений при решении сетевых задач воздухораспределения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(9):200– 205. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2014/09/31_200-205_Levin.pdf (дата обращения: 09.03.2025). Levin L.Yu., Semin M.A., Gazizullin R.R. Development of local resistance determinaton method for mine ventilation networks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2014;(9):200–205. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2014/09/31_200-205_Levin.pdf (accessed: 09.03.2025).
6. Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. Определение перепада давления на сопряжении вентиляционного ствола и канала ГВУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(S7):93–104. Levin L.Yu., Semin M.A., Zaytsev A.V. Determination of upcast shaft and fan drift junction pressure drop. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(S7):93–104. (In Russ.)
7. Левин Л.Ю., Мальцев С.В., Семин М.А., Колесов Е.В. Расчет аэродинамического сопротивления проектируемых шахтных стволов с использованием методов вычислительной гидродинамики. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2025;(5):100–117. Режим доступа: https://giab-online.ru/catalog/raschet-aerodinamicheskogosoprotivleniya-proektiruemyh-shahtnyh (дата обращения: 09.03.2025). Levin L.Y., Maltsev S.V., Semin M.A., Kolesov E.V. Aerodynamic drag design for project mine shafts using methods of computational fluid dynamics. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2025;(5):100–117. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/catalog/raschet-aerodinamicheskogo-soprotivleniya-proektiruemyh-shahtnyh (accessed: 09.03.2025).
8. Кобылкин С.С., Каледин О.С., Дядин С.А., Кобылкин А.С. Оценка влияния местных сопротивлений на общее аэродинамическое сопротивление воздуховодов. В кн.: Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование: материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Санкт-Петербург, 28–29 окт. 2015 г. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет; 2015. С. 91–92.
9. Кобылкин С.С., Ушаков В.К., Кузнецов И.И. Анализ влияния местных сопротивлений горных выработок на общешахтное аэродинамическое сопротивление. Горная промышленность. 2024;(2):93–96. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-93-96 Kobylkin S.S., Ushakov V.K., Kuznetsov I.I. Analysis of the impact of local resistance of mine workings on the total mine airflow resistance. Russian Mining Industry. 2024;(2):93–96. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-93-96
10. Кузнецов И.И. Оценка влияния местных сопротивлений на общешахтное аэродинамическое сопротивление при реверсе. Безопасность жизнедеятельности. 2024;(5):49–56. Kuznetsov I.I. Assessment of the influence of local resistance s on the overall aerodynamic drag during reverse. Bezopasnost Zhiznedeyatelnosti. 2024;(5):49–56.
