Способы вентиляции шахт

На шахтах восточных бассейнов страны применяются нагне­тательный, всасывающий и нагнетательно-всасывающий способы проветривания. Все шахты Карагандинского, Донецкого и Пе­чорского бассейнов проветриваются только всасывающим спо­собом, 45 % всех шахт Кузнецкого бассейна проветривается всасывающим, 20 % — нагнетательным и 35 % — нагнетательно-всасывающим способами. Все три способа проветривания исполь­зуются также на шахтах ПО «Сахалинуголь» и «Приморскуголь». Разнообразие применяемых способов проветривания в большой степени зависит от горнотехнических условий.

На выбор способа проветривания влияют следующие факторы: порядок отработки шахтного поля, глубина разработки, действу­ющая депрессия на выемочных участках, склонность пластов к самовозгоранию, абсолютная величина внешних и внутренних утечек воздуха через выработанное пространство и вентиляцион­ные сооружения, интенсивность газовыделения (метана и угле­кислого газа), места установки регуляторов воздуха, соотношение аэродинамических сопротивлений крыльев, выемочных участков шахты, схема проветривания шахты и ряд других.

При проектировании нагнетательного и нагнетательно-всасывающего способов проветривания должно быть предусмотрено следующее основное требование: вентилятор, работающий на нагнетание, должен устанавливаться на специальных стволах, не оборудованных подъемом, либо, как исключение, оборудован­ных только людским подъемом без выхода клетей на поверхность. Только в этом случае можно достичь необходимой депрессии вен­тилятора.

При нагнетательном способе проветривания максимальная депрессия действует в районе подающего ствола и нулевая — у выдающего ствола,при всасывающем — наоборот, при нагнетательно-всасывающем способе место приложения нулевой депрессии рас­полагается между стволами.

При всасывающем способе проветривания увеличение сопротивле­ния выработок вентиляционного горизонта приводит к увеличе­нию депрессии только одного вентилятора,в то время как действующая депрессия участка остается неизменной. При нагнетательном способе про­ветривания увеличение сопротивления выработок вентиляцион­ного горизонта приводит к увеличению действующей депрессии участка. Следовательно, в случаях, когда общее сопротивление выработок вентиляционного горизонта значительно превышает сопротивление выработок откаточного горизонта, ре­комендуется применять всасывающий способ проветривания до тех пор, пока очистные работы не подойдут к фланговому стволу, где действующая депрессия может оказаться выше некоторого допустимого предела. В этом случае целесообразно (при опре­деленных конкретных для каждой шахты технических возмож­ностях) применять нагнетательно-всасывающий способ прове­тривания, при котором доработка этажа ведется с пониженной действующей депрессией участка. Применение этого способа может быть рекомендовано и для тех случаев, когда при всасыва­ющем способе проветривания на значительной части шахтного поля не обеспечивается действующая депрессия участка ниже предельно допустимой.

Для успешного применения нагнетательно-всасывающего спо­соба проветривания необходимо выполнение следующих условий: 1) компрессия нагнетательного вентилятора должна быть равна сумме потерь давления в калорифере, во всасывающем и нагне­тательном каналах вентилятора, по стволу и далее по горным выработкам до вентиляционного горизонта наиболее труднопро-ветриваемого участка; 2) резерв нагнетательного вентилятора (за вычетом внешних утечек) должен быть не менее суммарного резерва всех всасыва­ющих вентиляторов, работающих с ним на одну сеть; 3) производительность всасывающих вентиляторов следует уве­личивать в строгом соответствии с возможностью повышения производительности нагнетательного вентилятора.

Нагнетательно-всасывающий способ не рекомендуется приме­нять:

1) при центральной схеме проветривания, особенно при цен­трально-сдвоенном расположении стволов, так как в этом случае будут иметь место большие утечки через вентиляционные сооруже­ния, изолирующие стволы друг от друга;

2) при недостаточной гер­метизации подающего ствола, так как малая компрессия, разви­ваемая нагнетательным вентилятором, существенно не меняет действующего напора участка по всей протяженности шахтного поля.

Выбираемый способ проветривания должен обеспечить дей­ствующий напор на пожароопасных участках в любой период их совместной отработки, не превышающий допустимый. В противном случае рекомендуется переходить на схему с вентиляционными областями, устанавливая способы проветривания в каждой об­ласти в соответствии с вышеизложенным.

1.4. Аэродинамические сопротивления горных выработок

Шахтная вентиляционная система состоит из сети, вентиляционных соору­жений и источника механической энергии движения воздуха (вентиляторных установок). Элементы вентиляционных сетей шахт (горные выработки) отли­чаются от воздухопроводов общепромышленного назначения большой сложно­стью и разнообразием условий движения в них воздушных потоков. Сложность эта в основном обусловливается следующим:

1) большой шероховатостью, т. е. крупномасштабностью естественной и ис­кусственной шероховатости стенок горных выработок, которая соответственно образуется самой породой, полезными ископаемыми или создается элементами крепи различной формы;

2) загромождением поперечного сечения выработки различными телами слож- ^: ной формы (крепью, оборудованием, армировкой стволов);

3) сложностью конфигурации выработок и других каналов вентиляционной системы, включающих участки с различными изгибами, внезапными сужениями и расширениями, ответвлениями и т. д.; часто эти участки с различной конфигу­рацией следуют близко друг за другом, что еще более усложняет условия проте­кания по ним воздуха.

В соответствии с указанной спецификой горных выработок как элементов вентиляционных сетей шахт при движении воздуха в них возникает аэродинами­ческое (гидравлическое) сопротивление, связанное с трением о стенки вырабо­ток, обтеканием воздухом естественных или искусственных выступов и шерохо­ватостей стенок и различных тел, расположенных в выработках, а также с изме­нением скорости и направления движения потока.

Сопротивление движению воздуха при ламинарном режиме обусловлено силами внутреннего трения (молекулярной вязкостью). Это приводит к тому, что скорость потока устанавливается переменной по сечению: с приближением к стенкам выработки она уменьшается, а на самой поверхности стенок стано­вится равной нулю. Тонкий слой заторможенного воздуха вблизи стенок выра­ботки называется пограничным слоем. Структура пограничного слоя и физиче­ские процессы, происходящие в нем, определяют величину силы трения.

При увеличении скорости потока к вязким напряжениям добавляются во мно­го раз превышающие их по своей величине турбулентные напряжения, обусло­вленные обменом количеством движения беспорядочно перемешиваемого воздуха во всем потоке. Доминирующее значение начинают приобретать силы инерции, сопротивление трения становится пропорциональным квадрату скорости.

Сопротивления движению воздуха по горным выработкам условно подразделяют на три вида: сопротивление трения о стенки выработок, лобовые сопротивления и местные сопротивления.

Сопротивление трения о стенки выработок. Потеря давления воздуха в вы­работках зависит в основном от шероховатости их поверхности, характер ко­торой оценивается высотой, шириной, формой, вторичными неровностями по­верхности, частотой расположения и степенью неравномерности выступов. С уче­том шероховатости депрессия выработки, т.е. разность давлений (энергий) в двух точках потока h (или р=р_ст+р_дин), выраженная в различных системах давления, в кгс/м², мм вод. ст., мм рт. ст., бар или Н/м²= Па (причём следует помнить соотношения между ними: 1 бар = 10 ⁵ Па; 1 мм рт. ст. = 133,322 Па; 1 мм вод. ст. = 9,80665 Па; 1 ат = 1 кг/см ² = 9,80665 10⁴ Па; кгс/м² = даПа = 10 Па) определяется по формуле

h= ,

где — безразмерный коэффициент трения, зависящий от степени и типа шеро­ховатости поверхности выработки; — удельный вес воздуха, кгс/м³; g — ус­корение свободного падения, м/с²; Р, S — периметр и площадь поперечного се­чения, м, м²; L — длина выработки, м; v — средняя скорость движения воздуха, м/с.

Совокупное воздействие коэффициента трения и плотности воздуха = /g выражается одной величиной = /2g, кгс-с²/м⁴, называемой коэффи­циентом аэродинамического сопротивления. Используя этот коэффициент и выразив скорость потока v = Q!S, где Q — объемный расход воздуха, м³/с, получим формулу для расчета депрессии в виде

h= .

Величина R = PL/S ³ называется аэродинамическим сопротивлением тре­ния. Удельное сопротивление, т. е. сопротивление трения единицы длины вы­работки, будет R' = P/S ³. Коэффициент аэродинамического сопротивления выражает удельное сопротивление выработки при такой ее длине, для которой PL/S ³ = 1, и имеет следующую связь с безразмерным коэффициентом сопро­тивления трения единицы относительной длины, широко используемым в прак­тике инженерных гидравлических расчетов:

.

Соотношение между коэффициентами в нормальных условиях ( = 1,2 кгс/м³, g = 9,81 м/с²) равно: = , или откуда

Коэффициенты аэродинамического сопротивления в общем случае зависят от числа Re, геометрических параметров выработки (формы, площади попереч­ного сечения, периметра), степени и характера шероховатости стенок.

Местные сопротивления. Сопротивления участков или элементов вентиля­ционной сети, в которых возникают местные потери энергии, вызываемые локаль­ными изменениями формы внешних границ потока, называются местными сопро­тивлениями.

К местным сопротивлениям относятся: повороты, расширения и сужения выработок, слияния и разветвления струй, вентиляционные каналы, кроссинги, различные типы регуляторов, вентиляционные окна и т. п. с участками выравни­вания или стабилизации потока. Местные сопротивления изменяют конфигура­цию и характер потока на некотором расстоянии перед и за собой, приводят к отрыву потока от стенки и образованию вихревых зон течения, к смешиванию и разделению потока.

Депрессия, затрачиваемая на преодоление местного сопротивления, опреде­ляется по формуле h=

где — коэффициент местного сопротивления; v — средняя скорость потока до или после местного сопротивления, м/с.

При = 1,2 кгс/м³ и g = 9,81 м/с² h = 0,061 ².

Депрессия выработки h, кгс/м² (Па) определяется по формуле h=RQ²,

где R = PL/S /м⁸ —сопротивление выработки. Единица с такой размерностью носит название киломюрга (к ) или большой единицы сопротивления (б. е. с).

Сопротивлением в 1 к , обладает выработка, по которой под давлением в 1 кгс/м² (1 мм вод. ст.) проходит 1 м³/с воздуха.

На практике при подсчете депрессии выработки и определении аэродинами­ческого сопротивления часто используют единицу в тысячу раз меньше кило­мюрга — мюрг ().

Коэффициенты аэродинамического сопротивления определяют двумя мето­дами: экспериментальным и аналитическим.

При экспериментальном методе выбирают прямолинейный участок выработки длиной 80—120 м и опытным путем определяют депрессию h, площадь поперечного сечения выработки S, ее периметр Р, длину L и расход воздуха Q, а затем вычисляют

= .

Длину и периметр измеряют рулеткой с точностью до 0,01 м, площадь сече­ния определяют через каждые 3—5 м длины участка.

Депрессию выработки определяют путем измерения разности давлений с помощью воздухомерных трубок, установленных в начале и в конце участка и соединенных с микроманометром резиновыми шлангами. Последние в наклон­ной или вертикальной выработке прокладывают за 10—12 ч до начала работ.

Расход воздуха в выработке рассчитывают путем умножения скорости движе­ния воздуха на площадь поперечного сечения выработки в месте замера. Скорость воздушного потока можно измерять анемометром или воздухомерными труб­ками в сочетании с микроманометрами.

Выбор вентилятора для случая, когда заданный расход воздуха и депрессии обеспечиваются несколькими различны­ми вентиляторами, можно производить по следующей мето­дике.