CC BY
9
No. 3. PP. 268-278.
20. Shangaraeva L. A., Maksyutin A.V., Sultanova D. A. Ways to prevent salt deposition during development and exploitation of oil deposits // Modern problems of science and education. 2015. № 1-1.
21. Perekupka A. G., Yelizarova Yu. S. Efficiency and prospects of application of multicomponent mixtures of salt deposition inhibitors // Oil economy. 2003. No. 6. P. 82-84.
22. H. Safari, M. Jamialahmadi Thermodynamics, kinetics, and hydrodynamics of mixed salt precipitation in porous media: Model development and parameter estimation // Transport in Porous Media. 2014. Vol. 101. No. 3. PP. 477505.
23. Popov S. N., Isaeva G. Yu. Modern possibilities of prediction of technogenic salt deposition in the development of hydrocarbon deposits // Georesources, Geoenergetics, Geopolitics. 2011. no. 2 (4). Pp. 1-7.
УДК 622.8
АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ СТРОЯЩИХСЯ ТОННЕЛЕЙ
А.Н. Качурин, О.А. Афанасьев, Апете Гоку Ландри, В.П. Стась
Исследование аэрогазодинамики протяженных тоннелей в период их строительства представляет собой актуальную научно-техническую задачу. На основе экспериментальных и теоретических исследований уточнены существующие закономерности газообмена горного массива с атмосферой тоннелей и закономерности аэрогазодинамических процессов переноса газовых примесей в атмосфере тоннелей большого поперечного сечения, что позволило усовершенствовать методику расчета количества воздуха и прогноза газовых ситуаций для строящихся подземных тоннелей.
Ключевые слова: тоннель, газовыделение, фильтрация, диффузия, горный массив, математическая модель, вычислительный эксперимент.
В настоящее время большинство развитых стран для решения проблем эффективности дорожной сети на земной поверхности и строительства новых транспортных связей прибегают к строительствам протяженных подземных тоннелей различного назначения, таких, как метрополитены, транспортные тоннели, коллекторы и т.д. Также важно подчеркнуть, что обойтись без строительства капитальных горных выработок при подземной добыче полезных ископаемых невозможно.
При проведении горных выработок нарушается первоначальное состояние геомеханического равновесия горного массива. Это нарушение приводит к изменению геомеханического, гидрологического и газодинамического первоначального состояния в массиве. Особую важность с точки зрения безопасности представляют газодинамические процессы при строительстве тоннелей. Горнопроходческие работы характеризуются интенсификацией производственных процессов, сопровождающейся ростом газо- и
пылевыделения. Загрязнение атмосферы проводимых тоннелей пылью и вредными газами, концентрации которых превышают предельную допустимую концентрацию (ПДК), создает опасность для жизни и здоровья рабочих, и соответственно трудность для дальнейшего продолжения горнопроходческих работ [1, 2].
Научное обоснование и уточнение закономерностей аэрогазодинамических процессов при строительстве тоннелей может уменьшить риск возникновения аварий и позволит усовершенствовать методики расчета воздуха, которые, в свою очередь, снизят объем воздуха для проветривания выработок, что уменьшит эксплуатационные затраты на вентиляцию при сохранении высоких мер безопасности при их проведении. Таким образом, исследование аэрогазодинамики протяженных тоннелей в период их строительства представляет собой актуальную научно-техническую задачу [3, 4].
Тоннели и другие подземные сооружения закладывают в толще земной коры, и их конструкции, методы и средства строительства в большой мере зависят от свойств прорезаемого горного массива. Можно сказать, что весь ход сооружения тоннеля, его стоимость, сроки строительства определяются в основном геологическими и гидрогеологическими условиями, в которых сооружается тоннель.
Серьезного внимания требуют подземные газы, наличие которых в атмосфере тоннелей представляет опасность для здоровья работающих. Наиболее часто могут встречаться углекислый газ, метан, водород, газы ВВ, сероводород и другие токсичные газы. Следует отметить, в определенных газовых ситуациях может возникнуть опасность резкого снижения концентрации кислорода в атмосфере тоннеля [5 - 7].
Таким образом, рассмотренные геомеханические условия проведения тоннелей и технологии строительства, автомобильных и железнодорожных тоннелей показывают, что горно-геологические условия при строительстве тоннелей могут существенным образом отличаться, а, следовательно, состав газовых примесей, выделяющихся в атмосферу тоннелей, может быть весьма разнообразным. При щитовых способах проходки тоннелей основным источником газообмена в атмосфере тоннеля является горный массив, а при буровзрывном способе - это будут газы ВВ. При проходке по скальным породам весьма распространенным является буровзрывной способ, поэтому аэрогазодинамические закономерности движения воздуха, загрязненного газами ВВ требуют дальнейшего изучения. Поглощение кислорода горным массивом, а также разбавление кислорода выделяющимися газами будет иметь место при любых геологических условиях и применяемых технологиях проходки тоннеля [7, 8].
Динамика метанообильности тоннелей при проходке в метанонос-ном горном массиве описывается следующим уравнением [9, 10]:
dt r dt2 dx2 где р - давление свободного метана в порах и трещинах горного массива; t - время; x - пространственная координата с началом отсчета на поверхности горного массива, направленная вглубь горного массива; tr - период
релаксации; к - пьезопроводность горного массива.
Пьезопроводность горного массива определяют по формуле
К = k (+ pa ) , (2)
2цт
где pa - атмосферное давление; k - газовая проницаемость горного массива; m - пористость горного массива; ц - динамическая вязкость метана.
Уравнение (1) решено при следующих начальных и граничных условиях: p (x,0 ) = p0 = const; д / dt p (x,0) = 0; p (0, t ) = pc = const; lim p фю.
x^-<x>
Вычислительные эксперименты показали, что для расчета скорости метановыделения в тоннеле можно применять следующую формулу [11]:
5,54 • 10-4lnß\k(p0 + Pa)t при t < Мй.з /LT,
V цт
/ =
47,878 lncLt, Ik (p0 + Pa) при t > un3 / LT,
цmt
(3)
где Ыпз - средняя скорость подвигания подготовительного забоя, м/сут; 1пс - длина линии поперечного сечения тоннеля, м; ЬТ - проектная длина тоннеля, м.
Другой газовой вредностью, выделяющейся в атмосферу тоннелей, может быть радон. Эта газовая ситуация встречается довольно часто при строительстве тоннелей. Источником генерации радона в горном массиве является рассеянный уран, поэтому источник можно считать равномерно распределенным в плоскости горного массива. Так как период полураспада урана в зависимости от вида изотопа урана может составлять от 2,48105 до 4,51-109 лет, то интенсивность источника радоновыделений в поры и трещины горного массива можно принять величиной постоянной. Радон, оказавшийся в свободном состоянии, диффундирует по порам и трещинам к поверхности обнажения горного массива. Этот процесс сопровождается частичной сорбцией радона и его естественным радиоактивным распадом. Определить однозначно вид диффузионного переноса невозможно и разумно предположить, что одновременно протекают процессы молекулярной, кнудсеновской и фольмеровской диффузии. Следовательно, диффузионное сопротивление будет определяться величиной коэффициента эффективной диффузии радона в горном массиве. Такая физическая мо-
дель движения радона в горном массиве позволяет использовать хорошо изученное уравнение диффузии для описания рассматриваемого процесса [12, 13].
В общем виде нестационарная конвективно-турбулентная диффузия радона в тоннеле описывается одномерным уравнением параболического типа [14]
дА
Яп
Ыгт
дА
Яп
о ^
Т ^ 2
ХЯп^Ял
(4)
д1 дх дх
где АЯп - удельная активность воздушно-радоновой смеси; ит - средняя
скорость воздуха в тоннеле; Вт - коэффициент турбулентной диффузии;
XЯп - постоянная радиоактивного распада радона; (Х1Яп )т - суммарные
выделения радона в воздух тоннеля из различных источников.
Решение уравнения (4) получено для одномерного полупространства и граничных условий первого рода. Вычислительные эксперименты позволили доказать, что наибольшее содержание радона в атмосфере тоннеля описывается следующей зависимостью:
АЯп ( * )
(Х1Яп )т
X
Яп
1
ехр
*
и
и
X
Яп
2 Бт
4 В2 + Вт
(5)
Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что при достаточно больших значениях * величина АЯп (*) стремится к
Х~Яп (X1Яп) . Удельная активность воздуха в тоннеле зависит от величины
абсолютного радоновыделения, скорости радиоактивного распада радона, средней скорости движения воздуха и коэффициента турбулентной диффузии. Следовательно, зависимость (5) может использоваться для динамического расчета количества воздуха в подготовительной выработке по фактору радоновыделения.
Поглощение кислорода и выделение углекислого газа поверхностью обнажения горных пород происходит в результате низкотемпературного окисления вещества горного массива. Кислород воздуха тоннеля проникает в горные породы и распространяется далее в них за счет кнудсеновской диффузии. Процесс движения кислорода в породах происходит одновременно с процессами сорбции и окисления пород. Интенсивность поглощения кислорода породами в значительной мере определяется величиной их окислительной активности. Для развитой внутренней поверхности горных пород интенсивность поглощения кислорода будет равна К0СК, где К0 - константа скорости окисления вещества горного массива; Ск - концентрация кислорода в горном массиве. Установлено [15], что
(6)
0,5
I уд.к = 0,564 с^к
V ~°'5 ехр (-K0t) + K0°5eтfлJK¿~
где 1удк - объем кислорода, проникающего через единицу поверхности
обнажения угольного пласта в единицу времени; св - концентрация кислорода в атмосферном воздухе.
Из формулы (6) следует, что скорость поглощения кислорода определяется кинетическими параметрами процесса переноса кислорода в породах и константой скорости окисления IKx = lim CK « 0,209^/DKKo . При
этом скорость выделения углекислого газа 1ууд', обусловленная процессом низкотемпературного окисления угля, рассчитывалась по формуле Iуд = 1КхКр, где Кр - респираторной коэффициент. Сравнение результатов прогноза газообмена между воздухом и поверхностью обнажения угольного пласта с фактическими данными свидетельствует об удовлетворительной сходимости. Чтобы получить абсолютное поглощение кислорода в единицу времени в конкретном тоннеле, следует вычислить произведение газовых потоков на фактическую площадь поверхности обнажения горного массива, существующую в рассматриваемый момент времени. Следует отметить, что концентрация кислорода в атмосфере тоннелей изменяется также за счет разбавления выделяющимися газами.
Скорость воздушного потока в тоннеле будет зависеть от координаты х из-за утечек воздуха из вентиляционного трубопровода.
Эта зависимость в общем виде может быть представлена следующим образом: мЗТ = QЗТ [8Тп(х)] , где иЗТ - скорость воздуха в приза-бойном пространстве тоннеля; QЗТ - количество воздуха, подаваемое в забой тоннеля; БТ - площадь поперечного сечения тоннеля; п(х)-
коэффициент доставки воздуха. Следовательно, уравнение диффузии примет вид
дС + г^. дС = -к.С, (7)
с1 п(х) дх
где С - концентрация кислорода в атмосфере тоннеля; К - константа скорости поглощения кислорода из воздушного потока поверхностью обнажения угольного пласта.
Решение уравнения (7) позволило определить концентрацию кислорода на исходящей струе С (LT ) = С0ехр Кf (LT)и^Т ^, где / (Ьт) -
функция утечек воздуха из вентиляционного трубопровода. Из этой зависимости получена формула для расчета количества воздуха QЗ Т, которое необходимо подавать в забой тоннеля по фактору поглощения кислорода
[15]:
^ = 1п05со) ° ^(^) м3/мин.
(8)
Газовыделение в тоннель с поверхности обнажения горного массива следует прогнозировать с учетом кинетики десорбции газа. Высокопроизводительные технологии щитовой проходки тоннелей могут приводить к существенному увеличению газовыделения с поверхности обнажения горного массива. В веществе горного массива могут содержаться водород, тяжелые углеводороды, сероводород, азот, углекислый газ и другие газы. Таким образом, газовая смесь находится под некоторым избыточным давлением в порах и трещинах горного массива и выделяется в атмосферу тоннеля в режиме фильтрации. При этом следует отметить низкое значение газовой проницаемости горных массивов, что является причиной ламинарного режима фильтрации. Следовательно, поле давлений газовой смеси (газа) можно приближенно описывать следующим линеаризованным уравнением:
др2 г д2р2
К
д* Г М дх2
где КГ М - пьезопроводность горного массива; ю - параметр интенсивности десорбции газа; т, к - пористость и газовая проницаемость горного массива соответственно; ц - динамическая вязкость газа; ар - параметр линеаризации уравнения фильтрации; в - константа скорости процесса десорбции газа; ах - сорбционная емкость вещества горного массива по отношению к рассматриваемому газу; ра - плотность газа при атмосферном давлении; р - давление свободного газа в произвольной точке горного массива и в произвольный момент времени; х - пространственная координата с началом координат, совмещенным с поверхностью обнажения гор-
■ + ю- ехр (-в*),
(9)
ного массива; КГМ = к(тцар) ; ю = 2враах(ратар) .
Решение уравнения (9) для граничных условий первого рода получено в виде
(
х
р2 (х, * ) = рс2 + (Ро2 - р2) ей"
2,/К
Л
+
КГ \ 4 *
+ -
ю
К
Г М
I
ехр
чк г м у
(кгМ* -п)
ег1е
г м1 у 0,5 х
¿п,
(10)
где р0 - начальное давление газовой смеси (или газа) в горном массиве; рс - давление газовой смеси на поверхности обнажения горного массива.
Тогда, вычисляя производную функции (10) для х = 0, можно записать, что
Iyd (t ) = 0,282 ц-05 (kma p )0,5
t
M + ffl. exp (-ß t , z
(11)
где Iyd - объем газа или газовой смеси, поступающей в атмосферу тоннеля
с единичной площади обнажения горного массива в единицу времени.
Следовательно, общий дебит газовой смеси в тоннель с поверхности обнажения горного массива IT определяется по формуле
It (t) = 1,128 ц-05 (kmaр)0,5 hTVn.3 [(р2 - р2)t0'5 + ß0,5®^д (т)], (12) где hT - высота тоннеля; Vn3 - средняя скорость подвигания подготовительного забоя тоннеля; Тд (т) = т0,77- интегральная функция динамики десорбции газа.
После окончания проходческих работ в тоннеле его абсолютная газообильность будет постоянно снижаться до практически нулевых значений, что необходимо учитывать при расчете обособленного проветривания тоннелей. Используя зависимости (11) и (12), инженерный прогноз газовыделений с поверхности обнажения горного массива также следует осуществлять для момента времени t = TT.
Процессы низкотемпературного окисления и другие реакции могут вызвать образование различных газов в пористой структуре вещества полезного ископаемого в горном массиве. Образовавшиеся газообразные продукты реакции будут мигрировать в сторону меньшей концентрации, будет происходить выделение вредных газов в рудничную атмосферу в режиме диффузии. Результаты исследований диффузионного переноса газов в пористых сорбирующих средах, выполненные Э.М. Соколовым, показывают, что математическую модель выделения /-го газа в атмосферу тоннеля можно записать следующим образом [9]:
^ = Д ^ + ßiqi , (13)
dt dx
Ct (x,0) = Ct (0,t) = 0, lim Ci *да, (14)
х^да
где Ci - концентрация i-го газа в трещиновато-пористом горном массиве; Dl - коэффициент эффективной диффузии для i-го газа в горном массиве;
ß i - кинетические коэффициенты диффузионного массообмена в веществе горного массива; qi - источник образования i-го газа, обусловленный процессом низкотемпературного окисления и другими химическим реакциями.
Решение уравнения (13) для условий (14) позволило получить формулу для расчета объема i-го газа Iydj, поступающего в рудничную атмо-
сферу из вещества горного массива через единичную площадь поверхности его контакта с воздухом: (г) = 2,257 ц1 ^ 1)11 /т .
Моделирование аэрогазодинамических процессов при проветривании выработок большого поперечного сечения основывается в общем случае на системе уравнений Рейнольдса, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке, которая состоит из основных уравнений сохранения:
др д / \ — + -(рм.)
дг дхк 7
д
0.
(15)
_д_ дг
, ч д / * * \ дР
(рм,) + -(рм ,м, ) =--+ $>,п +
^ 1' Дг- Vй 7 1 ) ^ м
дР
дх
+ -
_д_
дх,.
Ц ей'
дм, дх,.
д
( и\ дР дг(рЯ )-¥ +
+
дх
дм.
дх,.
О М-ейй Л
3 дх,
дх,.
дм7 2 7 у - 3 рЗ7К
(16)
(рм.Я ) =
д
/
дх.
дх.
дк
л
Рг дх
1 , У
+
+-
_д_
дх,.
м.
ейй
дм дм,
дх,
V 7
дх,.
дм7 2
7 З,-, -ТР8»К
Цейй =^ + ^1, Я
' 0 Л
3 дх7
, 1 * * « + — мм +ЕК
2 7 г К
дК
дх,.
(17)
(18)
где р - плотность воздуха; м, - компоненты средней скорости воздуха (, = 1, 2, 3); х, - пространственные координаты; м*- пульсационные скорости(, = 1, 2, 3); Р - статическое давление воздуха; £ - энтропия; - эффективная вязкость; ц - динамическая вязкость; цг - турбулентная вязкость; 5, -дельта Кронекера; ЕК - кинетическая энергия турбулентности; Н - полная энтальпия; к - статическая энтальпия.
Для замыкания данной системы уравнений используется полуэмпирическая модель турбулентности, состоящая из двух уравнений - кинетической энергии турбулентности и скорости диссипации этой энергии. Были рассмотрены различные способы подачи воздуха в подготовительные забои. Нагнетательный способ подачи воздуха в тупиковый забой осуществляли по вентиляционному трубопроводу, расположенному параллельно оси выработки на различных расстояниях от забоя. Примеры результатов моделирования представлены на рисунке.
Видно, что этот алгоритм позволяет эффективно воспроизводить картину течения воздуха при различных схемах вентиляции тоннелей с большой площадью поперечного сечения. Таким образом, рассмотрены аэродинамические процессы при проветривании тоннелей большого попе-
речного сечения. Обоснованы математические модели движения воздуха в тоннелях, имеющих большую площадь поперечного сечения.
Моделирование в системе Flow Simulation (1з=50 м) при нагнетательном способе проветривания тоннеля: а - линии тока (скорость); б - траектории потока; в - линии тока (завихренность)
Прогноз газовой ситуации в тоннеле при проходке буровзрывным способом основывался на следующем решении уравнения конвективно-турбулентной диффузии:
c (х, t) = 0,5c0 exp (-Kt)
+ exp
х
X
D,
exp
erfc
- х
D,
erfc
T J
х
2yfD~t
-ylXt
+
T J
х
2y[D~t
+
4X
(19)
где с (х, ?) - содержание газовой примеси в атмосфере тоннеля. х - параметр массопереноса газовой примеси в объеме выработки.
Таким образом, получено физическое обоснование возможных аэродинамических процессов при проветривании тоннелей и разработана математическая модель аэрогазодинамики тоннелей при их проходке буровзрывным способом. Математические модели аэрогазодинамики тоннелей позволят провести цикл вычислительных экспериментов и в каждом конкретном случае строительства тоннеля оценить газовые ситуации на различных этапах строительства. Следует отметить, что предлагаемые модели можно использовать как на стадии проектирования, так и непосредственно в период проведения тоннеля.
Теоретическое обоснование динамического метода расчета количества воздуха, необходимого для проветривания тоннелей, основывается на решении стационарных задач диффузии газов в вентиляционных струях. Для прогноза газовой опасности протяженного тоннеля математическая модель стационарной диффузии имеет следующий вид [9]:
С (х)-со = 1 - ехР
0,5 д
Лт
- 0,25
Яг
л 3
V г'-Т у
+ ■
лт от
х
(20)
где С (х) = с - с0 - объемная концентрация рассматриваемой газовой примеси в воздухе тоннеля; с0 - объемная концентрация газовой примеси на свежей струе; Ят - среднее количество воздуха, протекающего по тоннелю; Sт - площадь поперечного сечения тоннеля в свету; с0 - объемная концентрация газовой примеси на свежей струе, поступающей в тоннель.
Откуда следует, что формула для расчета количества воздуха, необходимого для проветривания подготовительной выработки с учетом конвективного переноса газа, имеет следующий вид:
1Т [1 - ехр (-Х11п Х2)]
а
ВМП
(1 + аЬТ)[ПДК - ст ехр(-Х11п Х2)] - с0 [1 - ехр(-Х11п Х2)] '
(21)
\-1
где X = (1 + аЬТ) Ь-; X 2 = (1 - аЬтр) .
Воздухообмен в призабойном пространстве тоннеля по фактору возможных выделений газообразных продуктов реакций в веществе горного массива целесообразно определять для всего объема рабочей зоны при-забойного пространства по величине кратности подаваемого воздуха.
В данном случае баланс массы /-го газа, поступающего в рабочую зону призабойного пространства, можно записать следующим образом:
ОЖс1 = PiSgr.lt уд (/)Ж + С,(0)0^ - с1 Яф, где р1 - плотность /-го газа;
11уд (/) - газовыделение в призабойное пространство тоннеля, м3/м2-мин;
Я - количество воздуха, поступающего в объем О рабочей зоны призабой-ного пространства тоннеля, м /мин. Поучена расчетная формула для определения воздухообмена, имеющая следующий вид:
о. = к.п = о
ПДК/ -с.))'
аТЬр р, 3, „. Б,
1
Ь-1,5
(22)
где Я. - количество воздуха, необходимое для проветривания рабочей зоны очистной камеры по /-му токсичному газу, м3/мин; ПДК{ - предельно-допустимая концентрация в воздухе подземных сооружений по токсично-
му 1-му газу, мг/м3; Тх р - длительность химической реакции; а, Ь - коэффициенты аппроксимации.
Таким образом, на основе экспериментальных и теоретических исследований уточнены существующие закономерности газообмена горного массива с атмосферой тоннелей и закономерности аэрогазодинамических процессов переноса газовых примесей атмосфере тоннелей большого поперечного сечения, что позволило усовершенствовать методику расчета количества воздуха и прогноза газовых ситуаций для строящихся подземных тоннелей.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Коновалов О.В., Качурин А.Н. Аэрологическое обоснование и математические модели вентиляции тоннелей при их строительстве // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5 (113). С. 6-12.
2. Качурин А.Н., Афанасьев О.А., Стась В.П. Теоретические принципы обеспечения аэрологической безопасности подготовительных выработок // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 2. С. 350-362.
3. Математические модели аэрогазодинамики тоннелей при их строительстве / Н.М. Качурин, Р.А. Ковалев, О.В. Коновалов, А.Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2010. № 1. С. 246-258.
4. Качурин Н.М., Коновалов О.В., Качурин А.Н. Математическое моделирование аэрогазодинамики тоннелей при проходке буровзрывным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № Б7. С. 304-314.
5. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Качурин А.Н. Прогноз метановыде-ления с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. № 4. С. 70-73.
6. Прогноз метановыделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку и подготовительный забой / А.Н. Качурин, Г.В. Стась, Р.А. Ковалев, А.Б. Копылов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 7. С. 295-300.
7. Качурин А.Н., Афанасьев О.А., Стась В.П. Динамика концентрации кислорода в подготовительных забоях угольных шахт // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2020. Вып. 1. С. 415-422.
8. Качурин А.Н., Афанасьев О.А., Стась В.П. Теоретические принципы обеспечения аэрологической безопасности подготовительных вырабо-
ток // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 2. С. 350-362.
9. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борще-вич, А.Н. Качурин. Кемерово - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 219 с.
10. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М. Качурин, В.И. Клишин, А.М. Борще-вич, А.Н. Качурин. Кемерово - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 219 с.
11. Газовыделение с поверхности обнажения горных пород при проведении подготовительной выработки / Д.Р. Каплунов, А.Н. Качурин, О.А. Афанасьев, В.П. Стась // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С. 239-249.
12. Прогноз радоновой опасности и расчет количества воздуха для проветривания очистных участков по радоновому фактору / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Г.В. Стась, А.Н. Качурин // Уголь. 2018. № 1 (1102). С. 40-43.
13. Выделения радона в атмосферу строящихся тоннелей / Г. В. Стась, В. И. Голик, Р. А. Ковалев, Г.Л. Апете // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. №5. С. 46 - 55.
14. Стась Г.В., Левашов С.П., Апете Г.Л. Физико-химические основы выделения радона при строительстве подземных сооружений и добыче полезных ископаемых // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 4. 2019. С. 46 - 55.
15. Качурин Н.М., Фатуев В.А., Качурина О.Н. Системный подход и обеспечение безопасности процесса использования минерально-сырьевых ресурсов // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. Тула: Гриф и Ко, 2007. С. 106-110.
Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, зам. директора, ecology _tsu_tula@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Афанасьев Олег Александрович, канд. техн. наук, инж., ecology_ tsu_tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Апете Гоку Ландри, асп., ecology_ tsu_tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Виктор Павлович, асп., ecology_ tsu_tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AEROGAS DYNAMIC REGULATIONS VENTILATION OF CONSTRUCTION TUNNELS A.N. Kachurin, O.A. Afanasyev, Apte Goku Landry, V.P. Stas
The study of aerogasdynamics of long tunnels during the period of their construction is an urgent scientific and technical problem. On the basis of experimental and theoretical studies, the existing regularities of gas exchange of the rock mass with the atmosphere of the
tunnels and the regularities of the air-gas-dynamic processes of the transfer of gas impurities to the atmosphere of tunnels of large cross-section were clarified, which made it possible to improve the methodology for calculating the amount of air and predicting gas situations for underground tunnels under construction.
Key words: tunnel, gas emission, filtration, diffusion, rock massif, mathematical model, computational experiment.
Kachurin Alexander Nikolaevich, candidate of technical sciences, vice director, ecology_tsu_tula@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Afanasiev Oleg Alexandrovich, candidate of technical sciences, engineer, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Apete Goku Landry, postgraduate, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Victor Pavlovich, postgraduate, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1 Kachurin N. M., Konovalov O. V., Kachurin A. N. aerological justification and mathematical models of tunnel ventilation during their construction // life Safety. 2010. No. 5 (113). Pp. 6-12.
2 Kachurin A. N., Afanasiev O. A., Stas V. P. Theoretical principles of ensuring aerological safety of preparatory workings // Izvestiya of the Tula state University. earth science.
2019. Vol. 2. Pp. 350-362.
3 Mathematical models of aerogasodynamics of tunnels during their construction / N. M. Kachurin, R. A. Kovalev, O. V. Konovalov, A. N. Kachurin // Izvestiya of the Tula state University. Natural science. 2010. no. 1. Pp. 246-258.
4 Kachurin N. M., Konovalov O. V., Kachurin A. N. Mathematical modeling of airgas dynamics of tunnels during drilling and blasting // Gorny information and analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2011. No. S7. Pp. 304-314.
5 Kachurin N. M., Vorobyov S. A., Kachurin A. N. Forecast of methane release from the surface of the coal seam outcrop to the preparatory development at a high rate of sinking // Gorny Zhurnal. 2014. no. 4. Pp. 70-73.
6 Forecast of methane release from the surface of the coal seam outcrop in the preparatory development and the preparatory face / A. N. Kachurin, G. V. Stas, R. A. Kovalev, A. B. Kopylov // Izvestiya of the Tula state University. Technical science. 2019. No. 7. Pp. 295-300.
7 Kachurin A. N., Afanasiev O. A., Stas V. P. Dynamics of oxygen concentration in the preparatory faces of coal mines // Izvestiya of the Tula state University. earth science.
2020. Issue 1. Pp. 415-422.
8 Kachurin A. N., Afanasiev O. A., Stas V. P. Theoretical principles of ensuring aerological safety of preparatory workings // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2019. Vol. 2. Pp. 350-362.
9 Forecast of methane hazard of coal mines during intensive mining of coal seams / N. M. Kachurin, V. I. KLISHIN, a.m. Borshche-vich, A. N. Kachurin // Tula-Kemerovo. Publishing House Of The TSU. 2013. 219 p.
10 Forecast of methane hazard of coal mines during intensive mining of coal seams / N. M. Kachurin, V. I. KLISHIN, a.m. Borshche-vich, A. N. Kachurin // Tula-Kemerovo. Publishing House Of The TSU. 2013. 219 p.
11 gas Release from the surface of rock outcrop during preparatory development / D. R. Kaplunov, A. N. Kachurin, O. A. Afanasiev, V. P. Stas // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2019. Issue 4. Pp. 239-249.
12 Forecast of radon hazard and calculation of the amount of air for airing treatment sites by radon factor / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, G. V. Stas, A. N. Kachurin // Coal. 2018. No. 1 (1102). Pp. 40-43.
13 radon Release into the atmosphere of tunnels under construction / G. V. Stas, V. I. Golik, R. A. Kovalev, G. L. Apete // News of Tula state University. Technical science. 2019. № 5. P. 46 - 55.
14 Stas G. V., Levashov S. P., Apete G. L. Physical and chemical bases of radon isolation in the construction of underground structures and mining // Izvestiya of the Tula state University. earth science. Issue 4. 2019. P. 46 - 55.
15 Kachurin N. M., Fatuev V. A., Kachurina O. N. System approach and ensuring the safety of the process of using mineral resources / Izvestiya Tulsu. Natural science. Earth Sciences series, Vol. 2. Tula. Grif and K. 2007. Pp. 106-110.
УДК 622.2
АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА В АТМОСФЕРЕ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
А.Н. Качурин, О.А. Афанасьев, В.П. Стась
Отмечено, что вопросы безопасности являются важнейшим критерием эффективности процесса подземной угледобычи, причем вопрос аэрологической безопасности остается по-прежнему актуальным. Обоснованы расчетные схемы процесса поглощения кислорода углем в очистных и подготовительных забоях. Обоснована математическая модель процесса поглощения кислорода и получены аналитические решения уравнения Кнудсеновской диффузии кислорода в угле. Получены асимптотические значения концентраций кислорода, показывающие, на каком уровне стабилизируется содержание кислорода при его разбавлении другими газами и при поглощении кислорода углем.
Ключевые слова: аэрогазодинамический процесс, кислород, уголь, атмосфера, количество воздуха, математическая модель.
Вопросы безопасности являются важнейшим критерием эффективности процесса подземной угледобычи, причем вопрос аэрологической безопасности остается по-прежнему актуальным. В балансе топливно-энергетического комплекса доля использования угля занимает важное место, это положение сохранится и в перспективе, при этом около 50 % угля планируется добывать подземным способом. До настоящего времени при-
