АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТА ВОДЯНОЙ ПРОБКИ В ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТВОЛАХ ШАХТ

Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения дополнительной нагрузки на главные вентиляторные установки, связанной с возникновением обратной тяги при капеже в вентиляционных стволах шахт и рудников. Наиболее остро проблема нормализации работы вентилятора возникает в случае возможного перехода его в режим неустойчивой работы, что сопряжено с необходимостью не только энергосбережения, но и предотвращения его аварийного останова. Цель: выяснение причин и механизма возникновения эффекта «водяной пробки» в вентиляционных стволах с получением качественных и количественных оценок величины обратной тяги в зависимости от скорости движения воздуха, глубины и интенсивности источника выделения влаги. Объекты: вентиляционные стволы шахт. Методы: аналитическое моделирование процессов конденсации влаги и движения капель в восходящем воздушном потоке; сравнительный анализ экспериментальных и модельных данных. Результаты. Проведён анализ экспериментальных данных по образованию и движению капельной влаги в вентиляционных стволах различных рудников. Отмечено, что эффект водяной пробки наблюдается в ограниченном диапазоне скоростей движения воздуха от 7 до 12 м/с, но в некоторых случаях эффект отсутствует, даже несмотря на наличие густого тумана и обильной конденсации влаги на поверхности крепи и армировки ствола. Рассмотрены три возможных сценария возникновения эффекта: накопление большого количества зависающих в воздухе капель определённого размера; падение капель крупных размеров по всей глубине ствола с источником выделения влаги в его верхней части и разнонаправленное движение капель в зависимости от их размера с источником влаговыделения, расположенным на произвольной глубине. Установлено, что первые две модели не позволяют получить количественную оценку величины эффекта ввиду неопределённости фракционного состава капель, критический размер зависания которых увеличивает обратную тягу до бесконечности. Этот недостаток устранён в третьей модели введением функции распределения капель по размерам, что дало возможность получить количественные результаты. Доказано, что выделение влаги из воздуха не может являться причиной возникновения эффекта «водяной пробки», а причиной являются водопритоки в ствол с интенсивностью, на порядок превышающей конденсацию. По результатам численного моделирования показано, что максимальная обратная тяга возникает при проникновении в ствол поверхностных грунтовых вод.