Лекция 9. Регулирование расхода воздуха в горных выработках

1 Регулирование расхода воздуха с помощью вентиляционных окон

2 Регулирование расхода воздуха путем изменения сопротивления горных выработок

3 Регулирование расхода воздуха с помощью вспомогательного вентилятора-усилителя

4 Принципы автоматического регулирования расхода воздуха

1. Общие сведения

Воздух, поступающий в рудник с поверхности под действием вентилятора или естественной тяги, распределяется по выработкам обратно пропорционально корню квадратному из аэродинамического сопротивления выработок. Такое распределение называется естественным. Оно редко удовлетворяет фактической потребности в воздухе отдельных забоев и блоков. Гораздо чаще приходится воздух перераспределять или, что то же, регулировать его распределение. Могут быть и случаи, когда возникает необходимость в изменении общего количества воздуха, поступающего в рудник.

Под регулированием количества воздуха при разработке полезных ископаемых понимают:

1)изменение общего количества воздуха, поступающего в рудник;

2)перераспределение поступающего в рудник воздуха между различными участками.

К изменению общего количества воздуха прибегают в случае, когда:

1)при вскрытии месторождения и начале его эксплуатации оказывается, что заложенные в проект исходные величины не отвечают действительности;

2)изменяется план добычи полезного ископаемого;

3)переходят на другую систему разработки, в результате чего изменяется расход ВВ.

Перераспределение воздуха между горизонтами, участками и блоками осуществляют:

1)когда на одни участки воздух поступает в избыточном количестве, а на другие в недостаточном;

2)при изменении добычи отдельных горизонтов и участков;

3)при изменении расхода взрывчатых материалов на участках или горизонтах в течение суток;

4)при изменении схемы проветривания.

2. Изменение общего количества воздуха, подаваемого в рудник

Причины, вызывающие изменение общего количества воздуха, подаваемого в рудник: неудовлетворительное состояние проветри­вания и недостаточное количество воздуха, подаваемого к рабочим местам. Прежде всего, необходимо выяснить, чем вызывается плохое состояние проветривания рудников. Для этого следует выполнить воздушную и депрессионную съемку рудника. Результаты этой съемки укажут на причины, вызывающие неудовлетворительное состояние проветривания:

1) большие утечки воздуха на пути его следования от воздухоподающего ствола к рабочим блокам (в том числе и утечки воздуха в пределах околоствольного двора);

2) неправильное распределение воздуха между участками и блоками; в этом случае необходимо выяснить возможность перераспределения воздуха;

3) большое аэродинамическое сопротивление горных выработок. Только после того как будут должным образом проанализированы все три основные причины недостачи воздуха и часть из них ликвидирована или хотя бы смягчена и выяснится, что состояние проветривания все еще нуждается в улучшении, можно рассматривать вопрос об увеличении подачи воздуха в рудник.

Все это относится к длительным изменениям общего количества воздуха. Но на рудниках могут быть кратковременные изменения общего количества воздуха, вызванные различным расходом ВВ в течение суток или при массовых взрывах. Для экономии электроэнергии желательно и в этих случаях регулировать поступление общего количества воздуха. Поэтому рудники можно подразделить на группы:

1) рудники, в которых взрывные работы приурочены к концу смены;

2) рудники, в которых в определенные сроки производятся массовые взрывы.

На рудниках первой группы число необходимых режимов проветривания два — усиленный на время проветривания после взрывных работ (обычно около 2 ч) и нормальный в остальное время. На рудниках с массовыми взрывами добавляется третий режим — при проветривании после массового взрыва.

На рудниках второй группы на их проветривание после массовых взрывов затрачивается около двух-трех смен. При этом количество воздуха, рассчитанное на усиленный режим, в ряде случаев бывает достаточным и для проветривания после массового взрыва.

Изменения общего количества подаваемого в рудник воздуха можно достигнуть следующими способами.

1. При изменении количества воздуха на более или менее длительный срок:

- изменением передаточного числа между шестернями двигателя и рабочего колеса вентилятора (если вентилятор работает через зубчатую передачу);

- заменой двигателя с другим числом оборотов; изменением угла установки лопаток рабочего колеса осевых вентиляторов или лопаток направляющего аппарата центробежного вентилятора.

Первые два способа требуют затрат большего количества времени для своего осуществления, третий способ — несколько часов. Кроме того, созданы устройства, позволяющие поворачивать лопатки на ходу. При регулировании по первым двум способам следует проверить, не превышает ли окружная скорость допустимый предел для данного вентилятора; при регулировании по третьему способу следует проверять мощность двигателя во избежание его перегрузки.

2. При регулировании на короткий срок применением:

- гидромуфты, работающей достаточно экономично при не очень глубоком регулировании; двухскоростного двигателя; двух вентиляторов различной производительности, работающих поочередно;

- двух вентиляторов одинаковой производительности, включаемых последовательно или параллельно (в зависимости от величины эквивалентного отверстия рудника), при необходимости увеличить количество подаваемого в рудник воздуха.

Регулирование иногда осуществляется шибером путем опускания его при необходимости уменьшения подачи воздуха. Этот способ неэкономичный. Возможны также и комбинированные способы регулирования подачи воздуха в рудник.

В практике проветривания могут быть еще случаи регулирования общего количества воздуха, подаваемого в рудник, когда необходимо:

1) обеспечить подачу постоянного количества воздуха при возросшем сопротивлении рудника; это достигается увеличением угла установки лопаток рабочего колеса вентилятора;

2) увеличить подачу воздуха при неизменном аэродинамическом сопротивлении рудника; это достигается тем же поворотом лопаток. В обоих случаях вентилятор должен иметь резерв производительности;

3) снижение подачи воздуха при том же эквивалентном отверстии путем уменьшения угла установки лопаток;

4) сохранение поступления воздуха при уменьшении сопротивления рудника тем же способом.

При увеличении количества воздуха экономически выгоднее уменьшить сопротивление рудника (если это возможно), а не увеличивать обороты рабочего колеса или поворачивать лопатки колеса вентилятора на больший угол; при уменьшении количества воздуха выгоднее снижать обороты вентилятора или уменьшать угол установки лопаток, но не увеличивать сопротивление рудника опусканием шибера в канале вентилятора.

3. Изменение количества воздуха, протекающего в отдельных вентиляционных струях

Правильное распределение воздуха по участкам (в соответствии с потребностью в нем) для удаления ядовитых продуктов взрыва и пыли на рудниках и метана на угольных шахтах — одна из основных задач проветривания. В настоящее время вентиляторы по своей производительности и депрессии удовлетворяют фактически любым требованиям как в отношении производительности, так и депрессии. Обследование же проветривания₁ рудников и шахт показывает, что поступающий в подземные выработки воздух распределяется по добычным участкам, лавам и блокам не в соответствии с их потребностями по расходу ВВ на рудных шахтах и по выделению газа на угольных шахтах. Если на шахтах с небольшой производственной мощностью и с несложной схемой проветривания удается установкой нескольких дверей добиться правильного распределения воздуха по выработкам, то на шахтах с большой производственной мощностью эта задача весьма сложна и бывает часто непосильна для начальника вентиляции.

Ниже рассмотрены простые способы регулирования распределения воздуха по выработкам и кратко изложены новые, более сложные способы регулирования с использованием электромоделирующих машин и электронной техники.

Прежде всего, необходимо остановиться на понятии регулирования. При этом различают: необходимую, допустимую и возможную глубину регулирования.

Под необходимой глубиной регулирования понимают отношение нормальной подачи воздуха к усиленной, вызванной той или другой причиной. На угольных шахтах, опасных по газу, глубина регулирования зависит от коэффициента неравномерности газовыделения, равного отношению среднего газовыделения за сутки к среднему в добычную смену. На рудниках глубина регулирования может зависеть от неравномерности расхода ВВ и, следовательно, от разной потребности в воздухе для разбавления продуктов взрывания, а также от неравномерности пылеобразования.

Под допустимой глубиной регулирования понимают следующее: всякое регулирование количества воздуха в руднике означает его перераспределение между участками, но при таком перераспределении, как будет показано дальше, усиление одной из струй неизбежно сопровождается большим или меньшим ослаблением параллельных струй. Это ослабление, естественно, возможно только до какого-то предела. Отношение первоначального количества воздуха в ослабляемой струе к предельно допустимому после регулирования называется коэффициентом допустимой глубины регулирования. Так, если по характеру работ можно допустить уменьшение количества воздуха в ослабляемой струе на 30%, то коэффициент допустимой глубины регулирования составит 1,3.

Возможная глубина регулирования, т. е. множитель, показывающий во сколько раз (или на сколько процентов) можно усилить вентиляционную струю, зависит от способа регулирования. При одних способах регулирования эта глубина небольшая, при других значительная.

На практике обычно исходят из необходимой глубины регулирования, выбирают способ регулирования по его возможной глубине и проверяют по допустимой глубине.

3.1 Отрицательное регулирование

Регулирование при помощи окон заключается в том, что на одной из двух параллельных выработок устанавливается перемычка с окном; количество воздуха в ней уменьшается и за счет этого увели­чивается количество воздуха в другой струе. Однако увеличение количества воздуха всегда меньше снижения количества воздуха в выработке с окном, т. е. выигрыш в воздухе в одной струе всегда меньше его проигрыша в другой.

Для определения размеров окна предложены различные формулы. При этом заданными величинами являются: сопротивления выработок; размеры выработки, где устанавливается окно; требуемое соотношение между количествами воздуха в обеих струях.

Возможная глубина регулирования окнами небольшая. На практике размеры окна обычно не рассчитываются по формулам, а поступают следующим образом. После установления того, какую струю необходимо ослабить, чтобы усилить параллельную, сооружают на ослабляемой струе перемычку с окном, размеры которого находят опытным путем, увеличивая или уменьшая первоначальные ориентировочные размеры окна в зависимости от полученных результатов. Недостатки регулирования окнами: перемычки с окнами затрудняют транспортные операции в выработке; случайно оставленная открытой дверь с окном может привести к опрокидыванию вентиляционной струи в диагональных соединениях.

Регулирование воздушными завесами заключается в том, что сбоку выработки устанавливают вертикальную трубу с продольной щелью. В эту трубу небольшим вентилятором подают воздух, который, выходя из щели, создает завесу. Эта завеса действует на воздушный поток, так же как и окно, притормаживая струю. Этот способ успешно применяют на рудниках Средней Азии.

3.2 Положительное регулирование

Регулирование при помощи участковых вентиляторов. При этом применяют две разновидности этого способа регулирования: вентиляторы работают через перемычку и вентиляторы работают без перемычки. По Правилам безопасности установка подземных вспомогательных вентиляторов допускается в отдельных случаях на действующих шахтах с разрешения органов Госгортехнадзора. Такое ограничение установки вентиляторов в подземных условиях объясняется тем, что:

1) надзор за ними обычно менее строг, чем за вентиляторами на поверхности; бывают случаи, когда они по той или другой причине бездействуют;

2) в случае пожара вспомогательные вентиляторы подвергаются опасности быть выведенными из строя; доступ к ним может оказаться затрудненным;

3) в ряде случаев их устанавливают без предварительного расчета. Это приводит в некоторых случаях даже к ухудшению состояния проветривания на смежных участках, а также к опрокидыванию вентиляционных струй на этих участках.

Вместо установки вспомогательного участкового вентилятора иногда устанавливают несколько вентиляторов местного проветривания (СВМ-6), работающих через перемычку. Бывают случаи, когда устанавливают восемь вентиляторов местного проветривания в одной перемычке, что существенно повышает количество воздуха в усиливаемой струе.

Участковые вентиляторы имеют ряд преимуществ. Они позволяют в ряде случаев быстрее всего и, возможно, экономичнее всего перераспределить воздух и обеспечить им плохо проветриваемые участки и блоки. Хотя при установке участковых вентиляторов также имеет место уменьшение количества воздуха в параллельной струе или струях, это уменьшение меньше, чем при отрицательном регулировании. Установкой участкового вентилятора можно достигнуть значительно большего усиления параллельных струй, чем при отрицательном регулировании.

Регулирование вентилятором, работающим без перемычки. В некоторых случаях при регулировании количества воздуха или для усиления подачи воздуха на какой-нибудь участок применяют вентиляторы, работающие без перемычки, т. е. установленные в выработке и присоединенные к небольшому нагнетательному воздухопроводу. Иногда имеется и перемычка с дверью, которые оставляют открытыми при работе вентилятора. Так как при работе таких вентиляторов количество воздуха в выработках, где они установлены, увеличивается, их можно рассматривать как устройства, служащие для перераспределения воздуха или, что то же, для регулирования количества воздуха.

Работа вентиляторов без перемычки не создает той разницы давления, которая характерна для вентиляторов, работающих через перемычку. Увеличение количества воздуха при работе вентиляторов без перемычки является результатом:

1) действия скоростного напора на выходе воздуха из кожуха вентилятора или диффузора;

2)эжекторного действия воздушной струи.

Эти вентиляторы называют иногда «толкачами», так как они как бы подталкивают воздух. Поскольку величина скоростного напора на выходе из вентилятора невелика (при скорости движения воздуха 10 м/сек она составляет 6 мм вод. ст., а при скорости 20 м/сек — 24 мм вод. ст.), то такие вентиляторы могут работать эффективно только на сеть с небольшим аэродинамическим сопротивлением.

Преимущества регулирования количества воздуха вентиляторами, работающими без перемычки:

1) не загромождается перемычкой выработка;

2) всегда достигается увеличение количества воздуха; при необходимости можно установить последовательно несколько вентиляторов и они не будут мешать друг другу (при усло­вии:, что они установлены не слишком близко один от другого).

Недостатки:

1) низкий к. п. д., режим их работы расположен внизу характеристики; этот недостаток малосущественный, учитывая малую мощность этих установок;

2) их производительность невелика.

Вентиляторы-толкачи работают одновременно:

- как вентиляторы-машины, и в этом случае их производитель­ность не зависит от сопротивления той выработки, в которой они установлены; на производительность влияет только сопротивление диффузора или конфузора;

- как эжектирующая установка, и в этом случае их производительность зависит от производительности вентилятора Q, сопротивления R, площади сечения выработки S, а также площади S _си, где происходит смешивание подсасываемого воздуха с воздухом, выходящим из диффузора, и площади выходного отверстия диффузора. За сопротивление R можно принимать сопротивление всей выработки, где устанавливается вентилятор-толкач, до места слияния с параллельной выработкой.

Исследованиями установлено, что выгодно:

1) вместо диффузора применять конфузор, причем наивыгоднейшая степень сужения колеблется от 0,25 до 0,6;

2) для повышения эффекта эжекции несколько сужать сечение выработки в месте смешивания выходящей из конфузора струи с подсасываемым воздухом.

Регулирование воздуха расширением выработки или уменьшением ее аэродинамического сопротивления. На практике могут быть случаи, когда целесообразно усилить какую-нибудь струю снижением сопротивления выработки, по которой эта струя движется.

Этот способ требует для своего осуществления затрат большого количества времени, весьма трудоемок и дорогостоящ.

Регулирование воздуха возможно в двух вариантах:

1) уменьшением сопротивления выработок при обшивке их деревянной крепью или с применением разных плит и т. д.;

2) расширением сечения выработки или ее расчисткой и перекреплением.

По своей эффективности данный способ аналогичен способу регулирования участковыми вентиляторами. При этом исключено опрокидывание воздуха в параллельной струе.

Регулирование предварительным подтормаживанием струи заключается в том, что на участках, которым по плану развития горных работ предполагается подавать большее количество воздуха или сопротивление которых должно существенно возрасти, устраивают перемычки. Перемычки устраивают такой конструкции, что при надобности размер окон в них можно увеличивать и,таким образом, подавать на участки больше воздуха или поддерживать его подачу в прежнем количестве.

Комбинированное регулирование. В некоторых случаях получить необходимую глубину регулирования одним из рассмотренных выше способов не удается; в других случаях увеличение количества воздуха на усиливаемой струе сопровождается недопустимым ослаблением параллельной струи. Тогда можно прибегнуть к комбинированному регулированию:

1) в дополнение к окну на одной из параллельных струй устанавливают вспомогательный вентилятор на другой струе;

2) в дополнение к окну, сооруженному на какой-нибудь второстепенной струе, сооружают окно на более важной струе, в состав которой входит первичная струя;

3) вместо установки вспомогательного вентилятора на первичной струе устанавливают более мощный вентилятор на струе, по которой поступает воздух в несколько участков;

4) в дополнение к окну или вспомогательному вентилятору прибегают к снижению сопротивления той струи, в которую необходимо усилить поступление воздуха;

5) проходят дополнительную выработку для поступления или выхода воздуха из участка, где необходимо усилить подачу воздуха;

6) увеличивают подачу воздуха вентилятором главного проветривания поворотом его лопаток и устанавливают окна на струях, не требующих усиления. Возможны и другие способы.

4. Автоматическое регулирование расхода воздуха

Во всяком руднике места очистных работ постоянно меняются, не постоянна при этом также и потребность в воздухе. Следовательно, возникает задача регулирования распределения воздуха во времени. Эту задачу можно осуществить взятием проб воздуха, их анализом и последующим перераспределением воздуха между участками, блоками и забоями. Однако на все это требуется значительное время. Поэтому в последние годы успешно развивается другое направление регулирования количества воздуха. На первом этапе — это дистанционный контроль за состоянием рудничной атмосферы. Это состояние можно контролировать по количеству воздуха (т. е. по скорости его движения), по содержанию кислорода или ядовитых газов, по содержанию пыли. В настоящее время, очевидно, наиболее перспективен контроль за скоростью (количеством) движения воздуха, хотя более правильно следить за показателями его чистоты.

Сигналы о неблагополучии в каком-нибудь участке поступают к диспетчеру, который принимает меры к перераспределению воздуха.

Второй этап состоит в автоматическом регулировании поступления воздуха на участок. В этом случае на поступающей струе устанавливается датчик скорости движения воздуха, который при уменьшении заданной ему скорости срабатывает и передает сигнал на регулирующее устройство. Это устройство автоматически увеличивает поступление воздуха на участок. Регулирующее устройство должно быть типа «предварительно подторможенной струи».

Третий этап заключается в автоматическом регулировании распределения воздуха по всему руднику. Роль диспетчера будет выполнять машина, в которой заложена схема проветривания рудника. Получив сигнал о плохом состоянии проветривания на каком-нибудь участке (по количеству воздуха или по его составу), на машине решается задача наиболее целесообразного перераспределения воздуха, после чего посылаются сигналы к регуляторам, которые автоматически перераспределяют воздух.

На рудниках неудовлетворительное состояние проветривания на каком-нибудь участке ликвидируется или улучшается увеличением подачи воздуха. Это сложнее сделать на угольных шахтах. Если на угольной шахте основным источником газа является разрабатываемый пласт и газ выделяется в призабойном пространстве, то его удаляют увеличением подачи воздуха в лаву. Если на шахте большее количество газа выделяется в выработанном пространстве за счет выделения из смежных пластов, то увеличение подачи воздуха в случае загазирования лавы не приводит к ожидаемым результатам — как количество газа, так и его содержание при этом возрастает. Это создает дополнительные трудности в управлении проветриванием.

Список литературы

1 М.Н. Бодягин. Рудничная вентиляция М., Недра, 1967

2 В.Б. Комаров, Ш.Х. Килькеев. Рудничная вентиляция М., Недра, 1969

3 К.З. Ушаков. Аэрология горных предприятий М., Недра, 1987