Моделирование влияния угла наклона выработки на распространение и стратификацию продуктов горения при пожаре в угольной шахте

Исследовано влияние продольного угла наклона шахтной выработки на газодинамические процессы распространения продуктов горения при подземных пожарах. Целью исследования является количественная оценка изменения кинематики движения теплового и газового фронтов, а также параметров вертикальной стратификации атмо-
сферы в наклонных выработках. Исследование выполнено с использованием программного комплекса Fire Dynamics Simulator для сценария пожара с пиковой мощностью 3 МВт при скорости вентиляционного потока 1,5 м/с. В рамках работы проведена оценка сеточной чувствительности и обоснован выбор параметров дискретизации, обеспечивающих баланс точности и вычислительных затрат. В ходе параметрического анализа в диапазоне углов наклона от –20° до +20° выявлен нелинейный характер взаимодействия сил вентиляционной тяги и термогравитационной плавучести. Установлена выраженная кинематическая асимметрия процесса: отрицательный уклон при нисходящем проветривании приводит к существенному замедлению фронта опасных факторов (до 11% при угле –20°), тогда как положительный уклон оказывает лишь умеренное ускоряющее воздействие в пределах 3–4%. Также обнаружен эффект дивергенции условий стратификации, при котором максимум вертикальной неоднородности температуры достигается при угле +5°, а концентрации оксида углерода – при –5°. Показано, что при больших отрицательных углах наклона (–20°) наблюдается резкое ослабление температурной стратификации.

Федоткин И. О., Скопинцева О. В., Баловцев С. В. Моделирование влияния угла наклона выработки на распространение и стратификацию продуктов горения при пожаре в угольной шахте // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 4. – С. 169–180. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_4_0_169.

Федоткин Илия Олегович¹ — аспирант, e-mail: fedotkin.iliya@gmail.com, ORCID ID: 0009-0004-2399-480X, 
Скопинцева Ольга Васильевна¹ — д-р техн. наук, профессор, профессор, e-mail: skopintseva54@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-7257-8720, 
Баловцев Сергей Владимирович¹ — д-р техн. наук, доцент, профессор, e-mail: balovcev@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0002-0961-6050,
¹ Университет науки и технологий МИСИС.

Федоткин И.О., e-mail: fedotkin.iliya@gmail.com.

1. Кабанов Е. И. Анализ риска аварий на угольных шахтах с учетом человеческого фактора // Горный журнал. — 2023. — № 9. — C. 48—54. DOI: 10.17580/gzh.2023.09.07.

2. Босиков И. И., Клюев Р. В., Аймбетова И. О., Махошева С. А. Оценка и анализ аэродинамических параметров воздушных потоков для эффективного выбора схем воздухообеспечения в угольных шахтах // Устойчивое развитие горных территорий. — 2021. — Т. 13. — № 3. — C. 397—405. DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-3-397-405.

3. Bosikov I. I., Martyushev N. V., Klyuev R. V., Savchenko I. A., Kukartsev V. V., Kukartsev V. A., Tynchenko Y. A. Modeling and complex analysis of the topology parameters of ventilation networks when ensuring fire safety while developing coal and gas deposits // Fire. 2023, vol. 6, no. 3, article 95. DOI: 10.3390/fire6030095.

4. Zhu Y., Wang D., Shao Z., Xu C., Zhu X., Qi X., Liu F. A statistical analysis of coalmine fires and explosions in China // Process Safety and Environmental Protection. 2019, vol. 121, pp. 357—366. DOI: 10.1016/j.psep.2018.11.013.

5. Nematollahi Sarvestani A., Oreste P., Gennaro S. Fire scenarios inside a room-and-pillar underground quarry using numerical modeling to define emergency plans // Applied Sciences. 2023, vol. 13, no. 7, article 4607. DOI: 10.3390/app13074607.

6. Попов М. Д., Кормщиков Д. С., Семин М. А., Левин Л. Ю. Расчет устойчивости воздушных потоков в горных выработках по фактору тепловой депрессии в аналитическом комплексе «Аэросеть» // Безопасность труда в промышленности. — 2020. — № 10. — С. 24—32. DOI: 10.24000/0409-2961-2020-10-24-32.

7. Копин С. В., Зырянов И. В. Адаптация объемных моделей вентиляционных сетей подземных рудников для задач математического моделирования при использовании аналитического комплекса «АэроСеть» // Горная промышленность. — 2025. — № 6. — С. 82—87. DOI: 10.30686/1609-9192-2025-6-82-87.

8. Du T., Li P., Wei H., Yang D. On the backlayering length of the buoyant smoke in inclined tunnel fires under natural ventilation // Case Studies in Thermal Engineering. 2022, vol. 39, article 102455. DOI: 10.1016/j.csite.2022.102455.

9. Жихарев С. Я., Цыганков В. Д., Родионов В. А., Исаевич А. Г. Оптимизация процессов пылеподавления при ведении подземных горных работ на основе данных натурных экспериментов и моделирования в программе ANSYS Fluent // Горный журнал. — 2023. — № 11. — С. 70—75. DOI: 10.17580/gzh.2023.11.11.

10. Weisenpacher P., Glasa J., Valasek L. Investigation of various fire dynamics simulator approaches to modelling airflow in road tunnel induced by longitudinal ventilation // Fire. 2025, vol. 8, no. 2, article 74. DOI: 10.3390/fire8020074.

11. Fernández-Alaiz F., Castañón A. M., Gómez-Fernández F., Bascompta M. Mine fire behavior under different ventilation conditions: Real-scale tests and CFD modeling // Applied Sciences. 2020, vol. 10, no. 10, article 3380. DOI: 10.3390/app10103380.

12. Haghighat A., Luxbacher K. Tenability analysis for improvement of firefighters’ performance in a methane fire event at a coal mine working face // Journal of Fire Sciences. 2018, vol. 36, no. 3, pp. 256—274. DOI: 10.1177/0734904118767066.

13. Ang C. D., Rein G., Peiró J., Harrison R. Simulating longitudinal ventilation flows in long tunnels: Comparison of full CFD and multi-scale modelling approaches in FDS6 // Tunnelling and Underground Space Technology. 2016, vol. 52, pp. 119—126. DOI: 10.1016/j.tust.2015.11.003.

14. Yuan L., Mainiero R. J., Rowland J. H., Thomas R. A., Smith A. C. Numerical and experimental study on flame spread over conveyor belts in a large-scale tunnel // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2014, vol. 30, pp. 55—62. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.05.001.

15. Tan P., Zhang C., Xia J., Fang Q.-Y., Chen G. Estimation of higher heating value of coal based on proximate analysis using support vector regression // Fuel Processing Technology. 2015, vol. 138, pp. 298—304. DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.06.013.

16. Yuan L., Zhou L., Smith A. C. Modeling carbon monoxide spread in underground mine fires // Applied Thermal Engineering. 2016, vol. 100, pp. 1319—1326. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.03.007.

17. Chen F., Leong J. C. Smoke flow phenomena and turbulence characteristics of tunnel fires // Applied Mathematical Modelling. 2011, vol. 35, no. 9, pp. 4554—4566. DOI: 10.1016/j.apm.2011.03.033.

18. Zhang H., Dai F., Miao B., Wu Z., Ou J. Thermal characteristics of multiple blockages with various sizes in longitudinal ventilated tunnel fire // Fire. 2024, vol. 7, no. 8, article 269. DOI: 10.3390/fire7080269.

19. Salami O. B., Kumar A. R., Aamir I., Pushparaj R. I., Xu G. Enhancing fire safety in underground mines: Experimental and large eddy simulation of temperature attenuation, gas evolution, and bifurcation influence for improved emergency response // Process Safety and Environmental Protection. 2024, vol. 183, pp. 260—273. DOI: 10.1016/j.psep.2023.12.056.

20. Dehghani P., Chaudhari D. M., Di Domizio M. J., Floyd J. E. Toward grid-independent modeling of natural convection with fire dynamics simulator // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2025, vol. 250, article 127190. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127190.

21. Сидоренко А. А., Дмитриев П. Н., Алексеев В. Ю., Сидоренко С. А. Совершенствование технологических схем отработки склонных к самовозгоранию пластов угля, опасных по горным ударам // Записки Горного института. — 2023. — Т. 264. — С. 949—961.

22. Petrov A. Mathematical method of rational placement of gas fire sensors // Sensors. 2023, vol. 23, no. 20, article 8349. DOI: 10.3390/s23208349.