Обоснование параметров теплового режима горных выработок с рельсовыми транспортными средствами в суровых климатических условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.20, кандидат наук Синявина Светлана Викторовна

• Синявина Светлана Викторовна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Синявина Светлана Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОПЫТ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАЛЕДЕЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ, РУДНИКОВ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1 Горные выработки с рельсовыми транспортными средствами

1.2 Горногеологические и климатические характеристики районов с суровыми климатическими условиями

1.3 Особенности проветривания различных типов горных выработок

1.3.1 Железнодорожные тоннели

1.3.1.1 Схемы вентиляции железнодорожных тоннелей

1.3.2 Транспортные штольни шахт и рудников

1.3.3 Тоннели метрополитенов

1.4 Факторы, определяющие процессы наледеобразования

1.5 Опыт борьбы с наледеобразованием в горных выработках в условиях сурового климата

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С РЕЛЬСОВЫМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАЛЕДЕЙ

2.1 Оценка условий образования наледей в горных выработках

2.2 Методика определения количества воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, за счет действия естественной тяги и поршневого эффекта подвижного состава

2.3 Исследование теплообмена воздуха с горным массивом, окружающим выработки, при скачкообразном изменении температуры воздуха и скорости его движения

2.4 Методика определения параметров системы подогрева наружного воздуха с помощью калориферов, установленных у устья выработки

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУШНЫМИ ПОТОКАМИ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ С РЕЛЬСОВЫМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ

3.1 Характеристика воздухообмена при эксплуатации железнодорожных тоннелей

3.2 Методы управления распределением воздуха в горных выработках шахт и рудников

3.3 Исследование эффективности снижения количества воздуха, поступающего в железнодорожные тоннели при помощи воздушных завес, расположенных на устьях выработок

3.4 Результаты определения аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот

3.5 Оценка эффективности использования струйных вентиляторов для сокращения количества воздуха, поступающего в тоннель под действием естественных и эксплуатационных факторов

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

4.1 Общее описание программного пакета

4.2 Математическое моделирование аэродинамики воздушных потоков при взаимодействии струй холодного наружного и подогретого воздуха

4.3 Математическое моделирование аэротермодинамики при различном расположении воздухоподающих устройств относительно портала тоннеля

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

115

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров теплового режима горных выработок с рельсовыми транспортными средствами в суровых климатических условиях»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Районы с экстремальными и суровыми климатическими условиями занимают более 2/3 территории России [1]. В этих районах сосредоточено большинство разведанных запасов полезных ископаемых, располагаются имеющие существенное значение для нашей страны культурные, научные и промышленные центры. Логистическая связь между этими центрами осуществляется, в основном, по железным дорогам, неотъемлемым элементом инфраструктуры которых являются железнодорожные тоннели. Один из аспектов обеспечения безопасности их эксплуатации состоит в создании необходимых условий, предотвращающих развитие негативных процессов при взаимодействии холодного наружного воздуха, поступающего в тоннели, с их конструктивными элементами (крепь, контактный провод, водоотводные лотки и т.п.). К числу вышеупомянутых негативных процессов следует отнести образование наледей [2]. Возможность их появления связана, главным образом, с наличием воды, поступающей в выработки, контакт которой с холодным наружным воздухом в конечном итоге и приводит к развитию процессов наледеобразования. Аналогичные процессы характерны и при разработке месторождений полезных ископаемых, когда для транспортировки на поверхность добываемой горнорудной массы используются штольни. На формирование теплового режима как железнодорожных тоннелей, так и транспортных штолен, в отличие от горных выработок других типов, оказывает влияние переменная величина расхода поступающего в них наружного воздуха. Его динамика определяется поршневым действием подвижного состава, зависящего от горнотехнических параметров выработок, характеристик подвижного состава, скорости и интенсивности его движения [3, 4].

Имеющийся в России опыт свидетельствует о том, что радикальным средством для предотвращения образования наледей следует считать создание в горных выработках в зимний период положительного теплового режима за счет подогрева холодного наружного воздуха на устьях выработок

[5]. Методики для определения параметров систем подогрева, используемые на горнодобывающих предприятиях, не учитывают переменный характер расхода воздуха, зависящий от нахождения или отсутствия в тоннеле подвижного состава, и сложную пространственную динамику скоростных и температурных полей, сопровождающую процесс смешения холодного наружного и подогретого воздуха у устья выработок [6].

Анализ имеющегося опыта эксплуатации систем подогрева наружного воздуха [7], поступающего в железнодорожные тоннели и транспортные горные выработки, показал их сравнительно невысокую энергетическую эффективность, нерациональность использования в условиях выделения из пород вредных газообразных веществ (например, радона), сложность применения при организации аварийных вентиляционных режимов.

Переход к системам подогрева воздуха нового поколения, свободных от вышеперечисленных недостатков, возможен только при разработке научно-методических основ выбора параметров тепловентиляционых систем, которые должны базироваться не только на имеющемся опыте, но и на современных методах математического моделирования, позволяющих изучить сложные процессы теплопереноса в системе воздушная среда -горный массив.

Таким образом, необходимость решения данной проблемы для горных выработок с рельсовыми транспортными средствами, расположенных в сложных климатических и горно-геологических условиях, является актуальной задачей.

Степень разработанности исследуемого направления

Исследованиям тепломассообменных процессов при создании положительного теплового режима, применительно к железнодорожным тоннелям, были посвящены работы ученых Национального минерально -сырьевого университета «Горный» (Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г.), в которых разработаны основные принципы управления тепловым режимом горных выработок при периодическом движении транспортных средств и подогреве

наружного воздуха. Определённый вклад в решение проблемы минимизации процессов наледеобразования внесли ученые Славин Б.Е., Молчанов В.С. [2, 8], в работах которых предложены методы тепловой пассивной и активной защиты конструкций транспортных выработок от воздействия сурового климата. Обоснование способов предотвращения обледенения осуществлено Ковалевым А.В., Деминым В.И. и др. За рубежом подобные исследования осуществлялись учеными из Австрии, Финляндии (Лангнер В., Хагенах Б., Гронвел Т.), а также Японии и Канады [9, 10, 11,12].

Эффективность реализации технических решений по созданию положительного теплового режима в железнодорожных тоннелях была оценена по результатам изучения опыта эксплуатации Байкальского, Северо-Муйского тоннелей и тоннеля под рекой Амур, что позволило обосновать принципы использования для решения этих вопросов, так называемых рециркуляционных схем вентиляции. Вместе с тем, оказалось, что область применения рециркуляционных схем вентиляции ограничена условиями, предполагающими отсутствие в горных выработках источников выделения вредностей (метан, сероводород, радон и т.п.). Во всех остальных случаях использование рециркуляционных схем приводит к необходимости значительного повышения количества воздуха, подаваемого в горные выработки, и, как следствие, к повышению энергетических затрат на его подогрев.

Более рациональными, c точки зрения минимизации энергетических затрат, являются так называемые прямоточные схемы, при которых наружный воздух подогревается в калориферных установках у одного из порталов тоннелей, и далее движется по тоннелям, удаляясь на поверхность или через противоположенный портал, или через ствол (штольню).

Цель работы. Повышение эффективности систем подогрева воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, при одновременном сокращении энергетических затрат.

Идея работы. Обеспечение параметров теплового режима горных выработок с рельсовыми транспортными средствами, требуемых для предотвращения или минимизации процессов наледеобразования, на основе сокращения количества поступающего наружного воздуха и достижения максимальной эффективности использования тепловой энергии калориферных установок.

Основные задачи исследований:

1. Анализ и обобщение отечественного и мирового опыта обеспечения безопасности транспортных горных выработок, расположенных в суровых климатических условиях.

2. Определение основных факторов, оказывающих влияние на процессы образования наледей и разрушения крепи транспортных горных выработок.

3. Теоретические исследования процессов тепломассопереноса в системе воздушная среда - горный массив при изменяющихся во времени температуре и расходе поступающего воздуха.

4. Теоретические исследования динамики скоростных и температурных полей при смещении холодного наружного воздуха и теплого воздуха по длине транспортной выработки.

5. Исследования эффективности предлагаемых устройств для снижения количества холодного наружного воздуха, поступающего в выработки.

6. Разработка методики расчета параметров теплового режима, обеспечивающего безопасность эксплуатации транспортных горных выработок.

Научная новизна:

- Установлена зависимость, определяющая изменение числа Эйлера, характеризующего потери давления при движении вентиляционной струи через устье выработки, перекрытое воротами, от площади открытого проема для прохода воздуха, позволяющая определять положение ворот, при котором в выработки поступает требуемое количество воздуха;

- Определены закономерности динамики скоростных и температурных полей, формирующихся на участке выработки, прилегающем к ее устью, при смешении струй холодного наружного воздуха, поступающей через ворота, и подогретого воздуха, выпускаемой из проемов, расположенных по высоте боковых поверхностей выработок, при различном расположении проемов относительно устья выработки и скоростях выпускаемой воздушной струи.

Основные защищаемые положения

1. Выбор параметров системы подогрева воздуха для горных выработок с рельсовыми транспортными средствами следует осуществлять с учетом совокупного изменения в течение зимнего периода температуры и количества атмосферного воздуха, поступающего в устья выработок, во время движения подвижного состава по выработкам и при его отсутствии в них.

2. Снижение энергетических затрат на подогрев наружного воздуха, поступающего в горные выработки с рельсовыми транспортными средствами, достигается в результате увеличения ее аэродинамического сопротивления за счет установки на противоположных устьях вентиляционных ворот, которых открываются при движении через них подвижного состава и закрываются после его прохода.

3. Повышение эффективности системы подогрева воздуха достигается за счет выбора места выпуска в выработку подогретого в калориферах воздуха относительно ее устья и скорости его движения, обеспечивающих максимальное использование теплосодержания теплой воздушной, струи за счет организации смешения воздушных потоков с отрицательной и положительной температурой.

Методы исследований. Работа выполнена на основе комплексного метода исследований, включающего обобщение и анализ литературных данных о проветривании горных выработок с рельсовыми транспортными средствами, а также способах и средствах, способствующих предотвращению образования наледей; статистическую обработку экспериментальных

данных, экспериментальные исследования в натурных условиях, математическое моделирование с использованием современных программных продуктов, обработку и интерпретацию результатов математического моделирования.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современной аппаратуры и методов исследований, поддерживаемых соответствующим метрологическим обеспечением с верификацией качества проведения измерений, значительным объемом численных расчетов по обоснованным математическим моделям, удовлетворительной сходимостью результатов натурных измерений и математического моделирования, апробацией полученных результатов в периодической печати.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе научно-методические основы позволяют определять параметры системы подогрева воздуха в горных выработках с рельсовыми транспортными средствами для предотвращения образования наледей.

Реализация результатов работы.

- Результаты исследований использованы в проектных работах ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» при разработке проекта вентиляции и подогрева воздуха на Байкальском железнодорожном тоннеле;

- Научные и практические результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Аэрология горных предприятий» студентам Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора:

- анализ факторов, определяющих вентиляционный и тепловой режимы выработок с рельсовыми транспортными средствами при движении воздуха за счет естественной тяги и принудительном проветривании с одновременным подогревом воздуха в зимний период времени;

- изучение способов и методов предотвращения или минимизации образования наледей;

- постановка и решение задачи о теплообмене воздушного потока с горным массивом при скачкообразном изменении температуры воздуха и коэффициента теплоотдачи;

- разработка методики расчета параметров калориферного оборудования для подогрева воздуха;

- статистическая обработка экспериментальных данных по определению потерь давления при движении вентиляционной струи через открытый проем вентиляционных ворот на устье выработки;

- сопоставление данных по величинам количества воздуха, поступающего в Байкальский тоннель, рассчитанных по результатам математического моделирования, и вычисленных с учетом экспериментально определённой величины местного сопротивления ворот;

- участие в разработке математической модели для исследования закономерностей формирования скоростных и температурных полей при смещении воздушных струи холодного наружного и подогретого воздуха;

- обработка и интерпретация результатов математического моделирования.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы, как в целом, так и результаты отдельных этапов, обсуждались и одобрены научной общественностью на международных научно-практических конференциях «Аэрология и безопасность горных предприятий» и «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (СПб, 2012 г, 2014 г.), а также семинарах кафедры безопасности производств ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержаться в 2 научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 83 наименований.

ГЛАВА 1 ОПЫТ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАЛЕДЕЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ, РУДНИКОВ И ПОДЗЕМНЫХ

СООРУЖЕНИЙ

1.1 Горные выработки с рельсовыми транспортными

средствами

Рельсовые транспортные средства предназначаются для передвижения груза или людей по специальным дорогам с направляющими, в совокупности с которыми образуют транспортную систему - железную дорогу [13].

Старейшие железные дороги относятся к VI веку до н. э., с XVI века стала применяться фуникулёрная рельсовая дорога, которая передвигалась по деревянным рельсам с пеньковой веревкой. К XVII веку распространились деревянные гужевые рельсовые дороги для транспортировки угля из шахт к причалам на каналах.

Первая железная дорога была сделана из чугунных листов, укрепленных поверх деревянных рельс, была запущена в 1768 году. Использования этого нововведения позволило иметь различную ширину колеи. В России первая железная дорога появилась в 1788 году в Петрозаводске, ее назвали «Чугунный колесопровод» [14].

После изобретения паровой машины, ставшей важным источником энергии в XVIII и XIX веках, наступил расцвет железных дорог. С паровым двигателем стало возможным строить железные дороги большой протяженности.

В 1880-х появились электровозы, а также первые трамваи и метрополитен. В 1960-х высокоскоростные электрифицированные железные дороги появились в Японии и других странах [13].

1.2 Горногеологические и климатические характеристики районов с суровыми климатическими условиями

Основную часть грузовых перевозок в России осуществляют по железным дорогам, включая железнодорожные транспортные тоннели. Без проходки тоннелей в гористой местности северных и восточных регионов страны с суровым климатом обеспечение безопасного движения в труднодоступных районах было бы затруднено. При выборе трассы железных дорог определение места сооружения тоннеля, как правило, имеет подчиненное значение.

Вследствие этого, тоннели строятся в скальных породах (граниты) с многочисленными тектоническими зонами разломов (мощность до 100 м и более), в сейсмически опасных зонах (8-9 баллов). Крепость пород по Протодьяконову колеблется в пределах от 2 до 10, а в зонах тектонических разломов породы нарушены до состояния дресвы и щебня. Неустойчивые горные пород являются причиной высоких дебитов подземных вод (приток воды на забой до 200 м3/ч), порой содержащими вредные и радиоактивные вещества [15]. Перепады высот между порталами (35-80 м) приводят к появлению естественной тяги, определяющей сложный характер воздухообмена в тоннелях (рисунок 3.2) [16].

Особенностью горных выработок с рельсовыми транспортными средствами в суровых климатических условиях является низкая температура наружного воздуха. В таблицах 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 представлены среднемесячные температуры воздуха для условий Амурского тоннеля, Байкальского тоннеля, Северо-Муйского тоннеля и Кузнецовского тоннеля. Значения среднемесячных температур атмосферного воздуха приняты по данным Гидрометеорологического комитета РФ по данным метеостанции Даван. Среднемесячные величины метеорологических параметров атмосферного воздуха у порталов тоннеля, полученные на основе анализа результатов натурных наблюдений.

Таблица 1.1 - Среднемесячные значения термодинамических параметров атмосферного воздуха в районе расположения Амурского тоннеля

^■^Мес. П-р 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ср.год Н.х.п.

1, °с -22,3 -17,2 - 8,5 3,1 11,1 17,4 21,1 20 13,9 4,7 -8,1 -18,5 1.4 -33

ф, % 75 71 67 62 67 72 78 81 77 68 68 74 71 74

Таблица 1.2 - Термодинамические параметры наружного воздуха в течение зимнего периода на Байкальском тоннеле

"Мес. январь февраль март апрель октябрь ноябрь декабрь Ср.год. Н.х.п.

1, 0с -29,1 -24,8 -16,5 -5,4 -5,9 -19,6 -27,2 -6,6 -35

Ф, % 74 70 62 54 67 74 77 66,2 74

Таблица 1.3 - Климатические параметры атмосферного воздуха у порталов Северо-Муйского тоннеля

^месяцы параметр I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Среднее за год н.х.п

Температура воздуха, оС -31,1 -27,3 -19,5 -6,6 8,4 12,1 15,1 14,8 6,8 -5 -18,4 -26,4 -6,4 -35

Относительная влажность воздуха,% 73 67 67 79 74 70 77 70 82 94 88 77 77 77

Таблица 1.4- Климатические параметры атмосферного воздуха у одного из порталов Кузнецовского тоннеля

—--месяцы параметр ———__ I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Среднее за год

Температура воздуха, оС -26,2 -20,8 -10,7 0,0 9,2 16,7 19,3 18,8 11,1 1,2 -9,8 -22,9 -14,1

Относительная влажность воздуха, % 77 73 72 72 71 78 80 85 84 74 80 80 77,2

1.3 Особенности проветривания различных типов горных

выработок

Вентиляция выработок является важным процессом, позволяющим выполнять работы по строительству и эксплуатации шахт, рудников и подземных сооружений различного назначения, в том числе с применением рельсовых транспортных средств.

Главной задачей вентиляции является создание безопасных условий при строительстве и дальнейшей эксплуатации подземных объектов различного назначения. К основным задачам, которые должна обеспечивать вентиляция, также относится:

1. создание нормативных санитарно-гигиенических условий для работы людей;

2. обеспечение нормальной работы оборудования и конструктивных элементов горных выработок;

3. предотвращение возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций;

4. минимизация потерь (материальных и людских) при развитии аварийных ситуаций, а также при ее и ликвидации.

Основные требования к вентиляции, вытекающие из необходимости решения задач, описанных выше, сформулированы в Правилах безопасности при строительстве подземных сооружений [17].

Горные выработки с применением рельсовых транспортных средств подразделяют на три основных вида:

- железнодорожные тоннели;

- транспортные штольни шахт и рудников;

- тоннели метрополитенов.

1.3.1 Железнодорожные тоннели

Железнодорожный тоннель — капитальная подземная горная выработка для движения железнодорожного транспорта. Сооружается в горах, пересекая горные

хребты (горный железнодорожный тоннель), подводой (подводный железнодорожный тоннель), в черте городской застройки (глубокие железнодорожные вводы — городской железнодорожный тоннель).

Первые железнодорожные тоннели запущены в Великобритании в 1830-х г.г. В то же время строились железнодорожные тоннели во Франции, Бельгии и Германии, а позднее в США, Австрии, Италии. В России строительство железнодорожных тоннелей началось в 1859 — Ковенский (1280 м) и Виленский (427 м) железнодорожный тоннель. В конце 19 в. железнодорожные тоннели сооружены в горных районах Урала, Сибири, Дальнего Востока, Кавказа и Крыма. Наиболее крупный среди них — Сурамский железнодорожный тоннель длиной около 4 км — построен в 1886-1890. Интенсивное строительство железнодорожных тоннелей проходило в 50-е годы 20 века в связи с развитием сети железных дорог, в том числе в труднодоступных горных районах, а также при строительстве скоростных магистралей. В таблице 1.5 приведены основные железные дороги с указанием протяженности железнодорожных тоннелей (жирным текстом выделены железные дороги, расположенные в районах с суровым климатом). В Российской Федерации находится 111 действующих железнодорожных тоннелей, в том числе 76 тоннелей расположены «за Уралом» в условиях сурового климата. Общая протяженность железных дорог достигает 109 км. Протяженность тоннелей в районах суровым климатом около 77 км [18].

Вентиляционный режим железнодорожных тоннелей в значительной степени зависит от метеорологических условий на поверхности. Важной является связь вентиляционного режима со скоростью ветра и его направлением, а также играет роль особенность рельефа местности расположения тоннеля [19]. В общем случае вентиляционный поток имеет различные направления движения, он определяется направлением естественной тяги, длительностью периодов ее стабильного действия и количества поступающего воздуха в тоннель (которые достаточно высоки).

В 60 - 80-х годах прошлого века проектирование тоннельной вентиляции выполнялось в основном для железнодорожных тоннелей длиной от 1 до 3 км.

Таблица 1.5 - Общая протяженность железнодорожных тоннелей в России

№ п/п Наименование дороги* Число тоннелей Общая протяженность (м)

1 Московская 1 914

2 Калининградская 1 126

3 Горьковская 7 4292

4 Северо-Кавказская 23 24474

5 Юго-Восточная 2 1542

6 Куйбышевская 1 420

7 Свердловская 3 2080

8 Южно-Уральская 1 336

9 Западно-Сибирская 3 1554

10 Красноярская 21 21532

11 Восточно-Сибирская 14 19710

12 Забайкальская 4 1496

13 Дальневосточная 22 28250

14 Сахалинская 8 2897

Всего 111 109 623

В случаях, когда необходимость принудительной вентиляции тоннелей протяженностью до 3,0 км продиктована влиянием дополнительных усложняющих факторов (например, выделением в тоннеле из пород, вредных или горючих газов, туманообразованием и т.п.) рационально применение струйных вентиляторов, расположенных у порталов тоннелей или непосредственно в транспортном отсеке за пределами габарита, в нише. Такая система вентиляции была спроектирована для реконструкции Лысогорского тоннеля (длина 3020 м) и Амурского тоннеля (длина более 7000 м) [20]. Горнотехнические характеристики некоторых железнодорожных тоннелей России, расположенных в суровых климатических условиях, представлены в таблице 1.6.

Железнодорожный тоннель сооружают под один или два пути, определяя это технико-экономическим анализом в зависимости от грузонапряжённости линии на перспективу эксплуатации железных дорог, а также от горногеологических условий проходки. Размеры поперечного сечения железнодорожных тоннелей определяются с учётом габарита приближения строений [21], размещения эксплуатационных устройств и норм уширения пути на кривых радиусом 2000 м. При организации двухпутного движения на железных дорогах предпочтение отдаётся строительству двухпутного тоннеля вместо двух однопутных, так как при этом почти на 30% сокращаются объёмы и

стоимость работ, упрощаются системы вентиляции, водоотвода, ремонтные работы.

Таблица 1.6 - Характеристика железнодорожных тоннелей России и СНГ [20]

Название тоннеля Месторасположение Длина, м Рабочее сечение, м2 Перепад высот между порталами, м

Нанхчульский Хакасия 2397 34-38 5

Нагорный Якутия 1398 32-38 19

Байкальский Бурятия 6688 34-42 80,2

Северомуйский Бурятия 15343 34-42 49

Дуссе-Алиньский Амурская область 1804 28 25,3

Лысогорский Краснодарский край 3020 42-44 16,9

Кадарский Читинская область 1981 32-38 11,9

Мысовой №3 Бурятия 1777 76-97 12,4

Крольский Хакасия 2251 31-34 22

Тармунчуканский Амурская область 2030 32-34 25

Кузнецовский Хабаровский край 3890 50 6

Входы в железнодорожный тоннель, представляют собой архитектурно -

оформленные порталы, позволяющие обеспечить устойчивость лобового и боковых откосов, и отвод воды.

Для создания безопасных условий эксплуатации железнодорожные тоннели оснащают системами искусственной вентиляции, а также устройствами связи, сигнализации и противопожарной защиты [18].

1.3.1.1 Схемы вентиляции железнодорожных тоннелей

Схемы проветривания транспортных тоннелей подразделяются на продольные, поперечные и продольно-поперечные [22, 23]. Продольная и

поперечная схемы проветривания реализуются в случае, когда воздух движется только по одной выработке, а при отсутствии влияния естественных факторов.

В однопутных железнодорожных тоннелях проветривание осуществляется за счет естественных факторов (поршневое действие поездов [24]) или при помощи вентиляторов, которые располагаются по длине тоннеля (у кровли, стен или в специально сооруженных нишах) [25].

Несмотря на особенности (естественная, эксплуатационная, искусственная тяги [3, 26]), продольная схема проветривания распространена на большинстве железнодорожных тоннелей России [27], длиной не более 3000 м. Например, большинство из действующих железнодорожных тоннелей Байкало-Амурской магистрали и Красноярской железной дороги проветриваются по продольной схеме.

Продольно-поперечную схему используют на ряде железнодорожных тоннелей [28]. Для ее организации в тоннелях транспортного назначения могут использоваться дополнительные выработки (служебные тоннели, вентиляционные штольни и т.п.), пройденные параллельно основному тоннелю и соединенные с ним сбойками, специальные вентиляционные устройства [29], наклонные или вертикальные стволы (например, вентиляция в подводном железнодорожном тоннеле под Ла-Маншем [30, 31]).

В случаях однопутного тоннеля, но имеющим большую длину, и при организации попеременного движения транспортных средств, для проветривания используются стволы (шахтная схема вентиляции). Таким же способом осуществлено проветривание подводного железнодорожного тоннеля Сейкан (длина 53,9 км) [9]. В Байкальском тоннеле (длина 6723 м) в летний и переходные периоды для проветривания в рециркуляционную схему вентиляции периодически включается ствол, соединенный кроссингом с тоннелем (в зимний период ствол не применяется) (рисунок 1.1) [32]. Эта же схема была реализована в усовершенствованном варианте на Северо-Муйском тоннеле Восточно-Сибирской железной дороги.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Синявина Светлана Викторовна, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. / Ю.Д. Дядькин. - М.: Недра. - 1968. - 256 с.

2. Третьяков Ю.Н. Некоторые рекомендации по предотвращению промерзания дренажных и железнодорожных тоннелей в зимнее время. / Ю.Н. Третьяков, Б.Е. Славин, Н.Н. Протасов // Труды Всесоюзного совещания семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях. Т.7. -Вып.4. - Красноярск, 1970. - С.123-128.

3. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях. / С.Г. Гендлер // Транспортное строительство. - №11. -1991. - С.15-17.

4. Главатских В.А. К вопросу определения расчетных температур воздуха в железнодорожных тоннелях, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями. / В.А. Главатских // Исследование работы искусственных сооружений. Труды НИИЖТа, Новосибирск. - Вып.186. - 1977. -С.136-143.

5. Гендлер С.Г. Принципы создания теплового режима. / С.Г. Гендлер // Метрострой. - №5. - 1989. - С.19-20.

6. Гендлер С.Г. Особенности управления вентиляционным режимом нового Байкальского железнодорожного тоннеля / С.В. Синявина, С.Г. Гендлер // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Горная книга. - 2015. -Горный институт (МГИ) МИСиС. - № 11. - 2015 г. - с. 173-179.

7. Gendler S.G. Control for heat regime of the railway tunnels located in severe climatic condition. / S.G. Gendler // 9th International Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle of Vehicle Tunnels. - 1997. - ITALY. - pp. 397-411.

8. Молчанов Б.С. Проектирование промышленной вентиляции. / Б.С. Молчанов. - Л.: Стройиздат. - 1970. - 239 с.

9. Takeo I. Faceless of the Seikan Tunnel / I. Takeo, K. Shouichi, K. Tadoo. -Japanese Railway Eng. - 1988. - № 106.

10. Yano R. An experimental and numerical investigation of the duct flow with inclined jet injection / R.Yano, A. Mizitno, J. Sato. - Department of Mechanical Engineering, Kogakum University. - Japan. - 12 p.

11. Charlwood R.G. The Design ventilation system for longrailway tunnels - F case study for the Canadian National railway / R.G. Charlwood, J.R. Hugget, J.R. Pringle. - USA: American Railway Engineering Association, 1982. - t. 84. - 689 p.

12. Weiss H.H. An investigation of the atmospheric pressure differences affecting the longitudinal ventilation of road tunnels / H.H. Weiss, K. Dolejsky // Paper D1, 5th International Symposium on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. - Organised by BHRG. - France. - May 1985.- р.72-76.

13. Пономарев А.А. Подвижной состав и сооружения городского электротранспорта. / А.А. Пономарев, Б.К. Иеропольский. - Учебник для техникумов городского электротранспорта. - М.: Транспорт - 1981. - 274 с.

14. Железные дороги [Электронный ресурс] - Викитека. - 2014. - Режим доступа: https://ru.wikisource.org/wiki/ЭСБЕ/Железные_дороги.

15. Салопекин И. Тоннели БАМа. / И. Салопекин // Журнал «Метрострой». - № 8. - 1978. - c. 44 - 48.

16. Гендлер С.Г. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях. / С.Г. Гендлер, В.Х. Фомин, В.Н. Шабалин // Подземное пространство мира. - № 1-2. - 2003. - с. 43 - 48.

17. ПБ 03-482-02 Правила безопасности при строительстве подземных сооружений. Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадхора России. - М. - 2002. - 405 с.

18. Железнодорожный тоннель [Электронный ресурс] - Горная энциклопедия. - Режим доступа: http://www.mining-enc.ru/zh/zheleznodorozhnyj-tonnel/.

19. Дядькин Ю.Д., Гендлер С.Г. Процессы тепломассопереноса при извлечении геотермальной энергии. / Ю.Д. Дядькин, С.Г. Гендлер. - Уч. пособие. Л.: Изд. ЛГИ. - 1985. - 92 с.

20. Гендлер С.Г. Управление качеством воздуха при эксплуатации подземных сооружений транспортного назначения / С.Г. Гендлер // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -Вып.7. - 2000. - с. 132-136.

21. ГОСТ 9238-2013. Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений. - М.: Стандартинформ. - 2014. - 173 с.

22. Гришаев В.И. Вентиляция тоннелей на железных дорогах. / В.И. Гришаев. - М.: Трансжелдориздат. - 1961. - 121 с.

23. Фомичев В.И. Вентиляция тоннелей и подземных сооружений. / В.И. Фомичев. - Л.: Стройиздат. - 1991. - 164 с.

24. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. / В.Я. Цодиков. - М.: Недра. - 1975. - 568 с.

25. Martegani A.D. An experimental study on the longitudinal ventilation system. BHRg / A.D. Martegani, G. Pavesi, C. Barbetta // 8th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. - UK, 1993. - P. 3-16.

26. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях / С.Г. Гендлер и др. // Транспортное строительство. -1990. - № 4. - с. 18-22.

27. Плескунов В.А. Аэрогазодинамические процессы при проветривании железнодорожных тоннелей с транспортными средствами на дизельной тяге: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук: 25.00.20 / Плескунов Василий Анатольевич. - СПб., 2011. - 180 с.

28. Абрамов Ф.А. Расчёт вентиляционных сетей шахт и рудников / Ф.А. Абрамов, Р.Б. Тян, В.В. Потемкин. - М.: Недра. - 1978. - 232 с.

29. Фомичев В.И. Устройство для проветривания тоннелей / В.И. Фомичев, В.А. Рогалев // Авт. свид. № 1122823 СССР. № 41. - 1984.

30. Henson D.A. Transient flows in tunnel complexes of the type proposed for the Channel Tunnel / D.A. Henson, J.A. Fox // Proc. I.Mech.E., 1977. - № 15. - P. 153167.

31. Henson D.A. The aerodynamics of Channel tunnel / D.A. Henson [et al.] // 7th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. - UK, 1991. - Р. 927-956.

32. Гендлер С.Г. Эффективная вентиляция — основное средство обеспечения безопасной эксплуатации подземных сооружений транспортного назначения. / С.Г. Гендлер, В.А. Соколов // Журнал «Метро-Инвест». - №3 (22). -Москва. - 2006. - с. 14-20.

33. Волков В.И. Тоннели и метрополитены / В.И. Волков и др. - М.: Транспорт. - 1975. - 552 с.

34. Проектирование транспортных тоннелей [Электронный ресурс]. -Электронная библиотека. - Режим доступа: http://kursak.net/lekciya-1-proektirovanie-transportnyx-tonnelej

35. Голинько В.И. Вентиляция шахт и рудников: учеб.пособие / В.И. Голинько, Я.Я. Лебедев, О.А. Муха. - Д.: Национальный горный университет. -2012. - 266 с.

36. Порцевский А.К. Вентиляция шахт. Аэрология карьеров (Аэрология горных предприятий) / А.К. Порцевский. - М.: Московский гос.открытый ун-т. -2004. - 71 с.

37. Вентиляция шахт и рудников (часть 1) [Электронный ресурс]. - Все о горном деле. Добывающая промышленность. - Режим доступа: http://industry-portal24.ru/osnovy-gornogo-dela/2021 -ventilyaciya-shaht-i-rudnikov-chast-1 .html

38. Ушаков К.З. Рудничная вентиляция: Справочник. / К.З. Ушаков. - М.: Недра. - 1988. - 440 с.

39. Вентиляция метрополитена. [Электронный ресурс]. - Оптово-Инжиниринговая компания «Первый мастер». Режим доступа: http: //www.pervyimaster.ru/blog-Ventilj acij a-metropolitena.html

40. Бартон А.Б. Человек в условиях холода. / А.Б. Бартон, О. Эндхолм. -М. - 1957. - 333 с.

41. Беляев Н.М. Методы нестационарной теплопроводности. / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. - М.: Высшая школа. - 1978. - 328 с.

42. Качурин Н.М. Радон в атмосфере угольных шахт. / Н.М. Качурин,

A.А. Поздеев, Н.И. Абрамкин, Г.В. Стась // Горный информационно -аналитический бюллетень (научно-технический журнал). №8. - 2012 - С. 88-93.

43. James L. Weeks. Вредности, связанные с горным делом и карьерными работами [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://base.safework.ru/iloenc?doc&nd=857200703&nh=0&ssect=0.

44. Гендлер С.Г. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей. / С.Г. Гендлер // Авт. свид. СССР №1090886. БИ № 17. - 07.05.84.

45. Гендлер С.Г. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период. / С.Г. Гендлер, С.Е. Беспалов,

B.А. Соколов, Э.М. Юшковский, Ю.М. Горшков // Авт. свид. СССР № 1627723. -БИ №6. - 15.02.91.

46. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера. / Ю.В. Шувалов. - Изд. ЛГУ. - 1988. - 192 с.

47. Авксентьев И.В. Теплоизоляция горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. / И.В. Авксентьев, В.Н. Скуба. - Новосибирск: Наука. -1983. - 175 с.

48. Шувалов Ю.В. Опыт тепловой защиты горных выработок в сложных геотермических условиях. / Ю.В. Шувалов, В.Н. Хуцишвили, В.Г. Петрусь // Колыма. - №12. - 1984. - С. 6-8.

49. Меркин B.E. Железнодорожный тоннель [Электронный ресурс] / B.E. Меркин // Геологическая энциклопедия. - Режим доступа: http://kavator.ru/dic/encgeo.php?dic_tid=1897.

50. Гендлер С.Г. Способ теплоизоляции обогреваемых горных выработок. / С.Г. Гендлер, Ю.В. Шувалов, Г.Б. Фрайман // Авт. свид. № 1168720, БИ № 27. -23.07.85.

51. Галкин А.Ф. Термоаккумулирующие выработки. / А.Ф. Галкин, Ю.А. Хохлов. - Новосибирск: Наука. - 1992. - 130 с.

52. Осодоев М.Т. Экономическая оценка эффективности регулирования теплового режима шахт Севера. / М.Т. Осодоев, В.А. Шерстов // Якутск. - 1974. -С.11-14.

53. Факторович Л.М. Тепловая изоляция. / Л.М. Факторович. - Л.: Недра.

- 1966. - 139 с.

54. Ковалев А.В. Способ предотвращения обледенения воздухоподающих выработок подземных рудников севера с помощью мониторинга термогигрометричеких параметров / А.В. Ковалев, В.И. Демин, Ю.Л. Зюзин, С.С. Пугачев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - № S3. - 2008. - с. 75-84.

55. Гендлер С.Г. Тепловой режим подземных сооружений. / С.Г. Гендлер.

- Л.: ЛГИ. - 1987. - 102 с.

56. Лыков А.В. Теория теплопроводности. / А.В. Лыков. - М.: Энергия. -1967. - 599 с.

57. Гендлер С.Г. Оценка условий наледеобразования в транспортных тоннелях. / С.Г. Гендлер // Физические процессы горного производства. Всесоюзный межвуз. сб. Л.: Изд. ЛГИ. - 1988. - С.80-84.

58. Брайчева Н.А. Методы расчета температуры вентиляционного воздуха подземных сооружений. / Н.А. Брайчева, В.П. Черняк, А.Н. Щербань. - Киев: Наукова думка. - 1981. - 184 с.

59. Будыко М.И. Климат и жизнь. / М.И. Будыко. - Л.: Гидрометеоиздат. -1971. - 472 с.

60. Гендлер С.Г., Плескунов В.А. Влияние поршневого эффекта подвижного состава на проветривание тоннелей / С.Г. Гендлер, В.А. Плескунов // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: Материалы 6 - ой Международной Конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. - Тула: ТулГУ.

- 2010. - Т.1. - с. 85-88.

61. Теплофизические расчеты объектов народного хозяйства, размещаемых в горных выработках. Справочное пособие к СНиП / Ин-т техн.

теплофизики АН УССР. Ленингр. горный ин-т им. Г.В. Плеханова. - М.: Стройиздат. - 1989. - 80 с.

62. Кремнев О.А. Тепло- и массообмен в горном массиве и подземных сооружениях / О.А. Кремнев, В.Я. Журавленко. - Киев: Наукова думка. - 1980. -379 с.

63. Венгеров И.Р. Метод пересчета для задач горной теплофизики / И.Р. Венгеров // Создание безопасных условий труда в угольных шахтах. -Макеевка-Донбасс. - 1985. - С.50-52.

64. Щербань А.Н. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт / А.Н. Щербань, О.А. Кремнев. - Т.1. Киев: Изд-во АН СССР. - 1959. - 431 с.

65. Корн Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн - М.: Изд. Наука. - 1970. - 720 с.

66. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в суровых климатических условиях / С.Г. Гендлер, С.В. Синявина. - Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: Горная книга. - 2015. - № 2 (специальный выпуск 7). - с.32-38.

67. Алексин К.К. Подогрев воздуха, поступающего в шахту, в зимнее время, за счет теплоты шахтной воды и скрытой теплоты ее замерзания / К.К. Алексин. - Тр.ЦНИГРИ, вып.28. - 1959. - С.51-58.

68. Алехичев С.П. Естественная тяга и тепловой режим рудников / С.П. Алехичев, Г.В. Калабин. - Л.: Наука. - 1974. - 110 с.

69. Абрамович Г.Н. К расчету воздушного сопротивления поезда на открытой трассе и в тоннеле / Г.Н. Абрамович. - Труды ЦАГИ им.проф. И.Е. Жуковского, вып.400. - М. - 1939. - 15 с.

70. Шепелев С.Ф. Перераспределение воздуха по выработкам с помощью воздушных завес / С.Ф. Шепелев, С. Цой. - Алма-Ата. - 1959. - 87 с.

71. Эльтерман В.М. Воздушные завесы / В.М. Эльтерман. - М.: Машиностроение. - 1966. - 253 с.

72. Вассель Р.Д. Расчет воздушных завес для регулирования распределения воздуха в подземных выработках / Р.Д. Вассель // Журн.: Технология и экономика угледобычи. - №3. - 1965. - С.16-21.

73. Медведев И.И. Расчет воздушной завесы для горных выработок по траектории ее оси / И.И. Медведев, Б.П. Казаков // Изв. вузов, горный журнал. -№3. - 1970. - С.72-75.

74. Мустель П.И. Рудничная аэрология / П.И. Мустель. - М.: Изд. Недра. -1970. - 215 с.

75. Дядькин Ю.Д. Теплофизические аспекты освоения недр / Ю.Д. Дядькин, В.Ж. Аренс, А.П. Дмитриев, Ю.В. Шувалов и др. - Л.: Недра. - 1988. -335 с.

76. ANSYS CFD. Решатели гидрогазодинамики общего назначения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cae-expert.ru/product/ansys-cfd

77. Вычислительная гидродинамика [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.cadfemcis.ru/products/ansys/simulation/fluid-dynamics/cfd-post/.

78. Ansys Fluent | Часть 1 | Приложение для моделирования течений жидкостей и газов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www.techgidravlika.ru/view_post.php? id=62.

79. Болдырев Ю.Я. Моделирование турбулентности в инженерных расчетах на основе суперкомпьютеров [Электронный ресурс] / Ю.Я. Болдырев, А.О. Рубцов // Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - 2013. - С. 52-56. - Режим доступа: http://hpc-education.unn.ru/files/conference_hpc/2013/files/13.pdf.

80. Авраменко М.И. О K-s модели турбулентности [Электронный ресурс] / М.И. Авраменко // РФЯЦ - ВНИИ технической физики им.акад. Е.И.Забабахина. - 2005. - с.1-21. - Режим доступа: http://www.vniitf.ru/rig/konfer/8zst/s4/4-1.pdf.

81. Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур - СПб: Изд-во Политехн. Ун-та. - 2012. - 88 с.

82. Михеев Н.И. Метод и результаты оценки параметров модели турбулентности k-s на основе экспериментальных полей скоростей / Н.И. Михеев, И.И. Саушин. - Труды Академэнерго. - 2013. - №3.

83. ANSYS Fluent Tutorial Guide. - ANSYS, Inc. - 2013. - pp. 1162.