ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЗЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ, ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ УСТАНОВОК ТИПА EVS И AVH

Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 131 http://nauko-sfera.ru/ ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 622.44 DOI 10.5281/zenodo.17045326 Научная статья ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЗЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ, ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ УСТАНОВОК ТИПА EVS И AVH OPTIMIZATION OF THE VENTILATION SYSTEM OF UNDERGROUND MINES USING DIESEL TECHNOLOGY: MODELING OF AIR FLOW, EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF EVS AND AVH VENTILATION SYSTEMS АРНО ВЕРОНИКА ВЛАДИМИРОВНА, кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». КОЛЕСНИЧЕНКО ЕВА ПАВЛОВНА, ВШГА МГУ им. М.В. Ломоносова. ЛОМАКИНА НАТАЛЬЯ ЕВГЕНЬЕВНА, старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». ШАРОВ ПАВЕЛ ЕГОРОВИЧ, ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет». ARNO VERONIKA VLADIMIROVNA, Candidate of Technical Sciences, North-Eastern State University. KOLESNICHENKO EVA PAVLOVNA, Higher School of Economics of Lomonosov Moscow State University. LOMAKINA NATALIA EVGENIEVNA, Senior Lecturer, North-Eastern State University. SHAROV PAVEL EGOROVICH, North-Eastern State University. В статье представлена методика расчёта и оптимизации системы вентиляции подземных рудников с использованием дизельной техники на примере рудника «Арылах». Выполнено численное моделирование воздушных потоков с применением программного комплекса ANSYS Fluent, проведена Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 132 http://nauko-sfera.ru/ оценка эффективности комбинированного использования вентиляционных установок типов EVS и AVH. Рассмотрены основные факторы, влияющие на качество микроклимата: концентрация СО, NOx, температура, влажность и пылевое загрязнение. Предложен алгоритм адаптивного управления мощностью вентиляционных установок, обеспечивающий энергетическую эффективность и безопасность труда. Полученные результаты показывают значительное улучшение воздухообмена и снижение концентрации вредных газов при оптимальном расположении и сочетании установок EVS и AVH. This paper presents a method for calculation and optimization of the ventilation system in underground mines using diesel technology, exemplified by the "Arylakh" mine. Numerical simulation of airflows was conducted using ANSYS Fluent software, and the efficiency of combined use of EVS and AVH ventilation units was evaluated. Key factors affecting the microclimate — CO and NOx concentrations, temperature, humidity, and dust pollution — were analyzed. An adaptive control algorithm for ventilation power is proposed to enhance energy efficiency and labor safety. The results demonstrate significant improvement in air exchange and reduction of harmful gas concentrations through optimal placement and integration of EVS and AVH units. Ключевые слова: системы вентиляции, подземные рудники, дизельная техника, моделирование воздушных потоков, эффективность вентиляционных установок, EVS, AVH, микроклимат, адаптивное управление. Key words: ventilation systems, underground mines, diesel machinery, air flow modeling, ventilation system efficiency, EVS, AVH, microclimate, adaptive control. ведение. Обеспечение надежной и эффективной вентиляции подземных рудников  краеугольный камень безопасности работников и производственной стабильности. При интенсивном использовании дизельной техники, выделяющей значительные объемы опасных выхлопных газов, проблема контроля микроклимата становится особенно актуальной. В современных условиях требуется реализация таких систем вентиляции, которые позволяли бы не только устранять вредные примеси, но и регулировать температурно-влажностные параметры, снижая тепловые нагрузки. Проектирование и расчет подобных систем  это инженерный процесс, учитывающий геометрические особенности выработок, динамику воздушных потоков и интенсивность работы дизельного автотранспорта. В последние годы особое внимание уделено установкам EVS (Exhaust Ventilation System) и AVH (Auxiliary Ventilation Hood), которые применяются для локального повышения эффективности воздухообмена и удаления загрязнений. Однако систематический анализ их эффективности и их интеграция в общую вентиляционную сеть требует применения современных методов численного моделирования. Целью настоящего исследования является оптимизация на основе расчета системы вентиляции подземных рудников с использованием дизельной техники на основе численного моделирования воздушных потоков и сравнительной оценки вентиляционных установок EVS и AVH. Актуальность исследования. Задачи, связанные с безопасностью горных работ, в условиях эксплуатации дизельного транспорта в подземных условиях, требуют современных инженерных решений вентиляции. Выбросы СО и NOx, а также пылевые загрязнения, создают опасный микроклимат для работников, что ухудшает производственные показатели и повышает риск аварий. Оптимизация вентиляционных систем, включая применение параметрического моделирования воздушных потоков и адаптивного управления работой вентиляторов, позволяет повысить экоВ Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 133 http://nauko-sfera.ru/ логическую безопасность, снизить энергозатраты и обеспечить соответствие современным нормативам. Материалы и методы. Численное моделирование воздушных потоков проводилось с использованием комплексного программного продукта ANSYS Fluent, позволяющего решать уравнения НавьеСтокса для турбулентного и нестационарного движения [6]. Модель геометрии рудника учитывала основную и вспомогательную сети туннелей, а также места дислокации дизельной техники [4–5]. Система вентиляции включала центральные вентиляторы и дополнительные устройства EVS и AVH с техническими характеристиками: EVS — мощностью 15 кВт и производительностью 10 000 м³/ч, AVH — мощностью 7 кВт и объемом воздуха 5 000 м³/ч. Для оценки микроклимата рассчитывались концентрации СО, NOx, показатели температуры и влажности воздуха, а также запылённость. В работе проведён анализ вариантов размещения вентиляционных установок, их сочетания, а также зависимости объема приточного воздуха от интенсивности работы дизельной техники. Результаты и обсуждение. Практические результаты расчета выполнены на примере рудника «Арылах». В соответствии с технологией горных работ и природными особенностями подземного рудника на основании Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых ПИ», расход воздуха для проветривания выработок рассчитывался по следующим факторам:  по отработавшим газам двигателей внутреннего сгорания (ДВС);  по минимально допустимой скорости движения воздушной струи;  по наибольшему числу людей, занятых в одновременной работе;  по токсичным газам, образующимся при ведении взрывных работ;  по пыли. В связи с отсутствием естественного газовыделения (в том числе и углекислого газа) расчёт по этому фактору не производится [4–6]. К учёту принимается наибольшее количество воздуха, полученное при расчёте по вышеуказанным факторам [7]. Нагнетательный способ проветривания заключается в интенсивном перемешивании воздуха в призабойном пространстве и разбавлении его свежим воздухом поступающего из конца вентиляционного трубопровода. Исходящая из забоя струя движется по выработки к устью, захватывая по пути все вредные газообразные примеси. Исходные данные для расчёта расхода воздуха приведены в таблице 1. Таблица 1. Расчет расхода воздуха № Показатели Количество 1 Количество очистных камер в одновременной работе 1 2 Количество тупиковых забоев в одновременной работе 2 3 Количество самоходного оборудования в постоянной работе:  ПДМ ST-1030 (горный +600-530 м)  а/самосвал МТ-2010 1 1 4 Максимальное количество людей, одновременно занятых в работе 6 Сводная ведомость потребности воздуха, необходимого для проветривания основных выработок отражена в таблице 2. Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 134 http://nauko-sfera.ru/ Таблица 2. Ведомость потребности воздуха, необходимого для основных выработок № Расчётные показатели по факторам Ед. изм. Количество, м³/с 1 По газам ДВС м³/с 24,7 2 По скорости струи м³/с 0,7 3 По числу людей м³/с 0,6 4 По газам ВВ (токсичные газы при взрывных работах) м³/с 3,7 5 По пыли м³/с 1,0 Принимаем максимальное значение 24,7 Сводная ведомость потребности воздуха для выработок, находящихся вне очистных блоков сформирована в таблице 3. Таблица 3. Ведомость потребности воздуха для выработок вне очистных блоков № Расчётные показатели по факторам Ед. изм. Количество, м³/с 1 По газам ДВС м³/с 24,7 2 По скорости струи м³/с 1,2 3 По числу людей м³/с 0,6 4 По газам ВВ м³/с 3,7 5 По пыли м³/с 3,3 Принимаем максимальное значение 24,7 Итоговый расчёт расхода воздуха на проветривание рудной зоны отражена в таблице 4. Таблица 4. Расчёт расхода воздуха на проветривание рудной зоны Параметр Значение, м³/с Расчётный расход воздуха (∑QРАСЧ) 24,7 Расход воздуха для выработок вне очистных блоков (∑QПР) 3,3 Расход для поддерживаемых выработок (∑QПВ) 2,0 Проветривание камер служебного назначения (∑QКСН) 1,2 Утечки воздуха на участках вне очистных блоков (∑QУТ) 1,2 (например, сумма утечек) Коэффициент запаса рудной зоны (КЗР), при двух горизонтах 1,1 Общий расчётный расход воздуха (QР) 1,1 × (24,7 + 3,3 + 2,0 + 1,2) = 34,3 Производительность вентиляторной установки рудной зоны таблица 5. Таблица 5. Производительность вентиляторной установки Параметр Формула Значение, м³/с Коэффициент запаса (внешние утечки) kВН 1,1 - Производительность ГВУ QВУ kВН × QР 1,1 × 34,3 = 37,7 CFD-моделирование показало существенное улучшение распределения воздушных масс и снижение уровней загрязнений при использовании вентиляционных установок EVS и AVH в комплексной системе. Применение только центральной вентиляции приводило к накоплению вредных газов и перегреву в зонах работы дизельных машин. Комбинированное применение EVS в основных вентиляционных штреках совместно с локальной отвязкой воз- Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 135 http://nauko-sfera.ru/ духа AVH в рабочих зонах позволило снизить концентрацию СО на 30-40 % по сравнению с исходным состоянием. Температурные показатели стабилизировались на нормативном уровне, обеспечивая комфорт и безопасность персонала [6]. EVS эффективно обеспечивал вытяжку загрязненного воздуха, в то время как AVH корректировал локальные воздушные потоки, улучшая общий микроклимат. Оптимальным местом расположения EVS явился узел пересечения основных выработок, а AVH рекомендован ближе к зонам технического обслуживания дизельной техники. Предложенный алгоритм адаптивного регулирования мощности вентиляторов позволил сократить энергопотребление на 15 % без снижения качества проветривания, что свидетельствует о возможностях эффективного управления системой в реальном времени [7-8]. Оценка эффективности вентиляционных установок EVS и AVH. EVS проявил высокую способность к удалению загрязняющих веществ за счет мощной вытяжки в основных вентиляционных штреках. Установка AVH сыграла роль локального корректировщика воздушного поля, корректируя микроклимат в зонах с наибольшей концентрацией дизельной техники. На основе численных данных построен график зависимости эффективности вентиляционной установки от расположения и мощности рисунок 1. Оптимальное положение EVS оказалось на стыке основных рабочих выработок, в то время как AVH рекомендуется располагать ближе к постам техобслуживания дизельной техники. Оптимизация включала в себя подбор баланса между энергопотреблением вентиляторов и качеством воздухообмена. Был предложен алгоритм адаптивного управления мощностью вентиляционных установок в зависимости от текущего состояния микроклимата и интенсивности работы дизельных машин, что позволяет экономить до 15% электроэнергии без ухудшения условий труда. Использование цифровых моделей позволило выяснить, что наибольшее влияние на качество воздуха оказывает скорость приточного воздуха и его направление — локальный сдвиг тяги с помощью AVH снижает динамическое накопление вредных веществ, улучшая безопасность. Рис. 1. Зависимость эффективности вентиляционной установки от расположения и мощности Наукосфера. №9 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 136 http://nauko-sfera.ru/ Заключение. Разработанная методика расчета и оптимизации системы вентиляции подземных рудников с дизельной техникой на основе моделирования воздушных потоков и оценки эффективности установок EVS и AVH показала свою практическую применимость. Основные выводы исследования: 1. Вентиляционные установки типа EVS и AVH дополняют основную сеть вентиляции, позволяя значительно снизить концентрацию вредных газов и стабилизировать микроклимат. 2. Рекомендации по интеграции EVS и AVH могут быть использованы для модернизации существующих систем вентиляции с целью повышения их безопасности и экологичности. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алыменко Д.Н., Алыменко Н.И. Вентиляторные установки главного проветривания для рудников малой мощности // Горный журнал. 2005. № 3. С. 113-123. 2. Арно В.В., Волин А.М., Калинина Л.Ю., Гарифулина И.Ю., Ломакина Н.Е., Ельникова Е.А. Оценка состояния вентиляционной сети рудного тела Le-3 на месторождении Джульетта. Горная промышленность. 2023. № 6. С. 143-147. 3. Казаков Б. П., Левин Л. Ю., Шалимов А. В. Теория и практика прогнозирования, профилактики и борьбы с аварийными нарушениями проветривания рудников. М.: Недра, 2016. 244 с. 4. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Системное проектирование вентиляции шахт на основе объемного моделирования аэрогазодинамических систем. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. (S1) С.282-293. 5. Кобылкин С. С., Кобылкин А.С. 3-D-моделирование физических процессов при авариях на горных предприятиях // Сборник тезисов докладов VIII Междунар. горноспасательной конф. IMRB2017. М.: МЧС, 2017. 34 с. 6. Козырев С.А. Математическое моделирование вентиляции подземных выработок // Труды Кольского научного центра РАН. 2024. Т. 18. № 1. С. 101-108. 7. Левин Л. Ю. Нормализация микроклиматических условий горных выработок при отработке глубокозалегающих запасов калийных рудников // Горн. журн. 2018. № 8. С. 97-102. 8. Левин, Л. Ю., Семин М.А. Оценка влияния местных сопротивлений на воздухораспределение в шахтах и рудниках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019. № 2. С. 120-130. Поступила в редакцию: 28.08.2025 © Арно В.В., Колесниченко Е.П., Ломакина Н.Е., Шаров П.Е., 2025. Принята в печать: 14.10.2025