CC BY
108
© B.B. Смирняков, A.A. Мешков, 2014
УДК 622.4
В.В. Смирняков, A.A. Мешков
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТОК ВЕНТИЛЯТОРАМИ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
Рассмотрены основные способы и особенности схем проветривания тупиковых выработок с помощью вентиляторов местного проветривания. Приведены признаки классификации схем проветривания тупиковых выработок: в зависимости от источника и способа проветривания, от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух. Показаны особенности различия схем проветривания. По источнику проветривания схемы подразделяются на две группы: за счет общешахтной депрессии и с помощью вентиляторов местного проветривания. В зависимости от средств проветривания схемы подразделяются на три группы: с помощью вентиляционных сооружений; с использованием вспомогательных выработок и скважин; с использованием источников тяги. Произведен сравнительный анализ способов и схем вентиляции, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также приведены основные направления совершенствования способов и схем проветривания тупиковых выработок. Ключевые слова: аэродинамика тупиковых выработок, способы проветривания, схемы проветривания, проведение выработок, призабойное пространство, вентиляторы местного проветривания.
Понимание особенностей проветривания тупиковых выработок способствует решению проблемы безопасности при их проведении. Основная задача при решении данной проблемы заключается в необходимости разработки научно обоснованных методов расчета количества воздуха для проветривания тупиковых выработок. Эти методы должны иметь практическое значение, позволяя получить достоверные результаты, не задаваясь большим объемом исходных данных и не прибегая к длинным вычислениям. В призабойные пространства тупиковых выработок не должно подаваться недостаточное или необоснованно большое количество воздуха, так как это может в значительной степени влиять на безопасность ведения работ.
Исследованию теории распространения воздушных потоков и способов проветривания тупиковых выработок посвящен ряд фундаментальных работ таких ученых, как Абрамович Г.Н., Комаров В.Б., Кирин Б.Ф., Колесниченко Е.А., Скочинский А.А., Ушаков К.З. и др. [1-6].
Наибольшее значение эта проблема имеет при разработке газоносных угольных пластов. Здесь основные требования предъявляются к схемам проветривания тупиковых выработок. Согласно требованиям ПБ применяется проветривание нагнетательным способом с помощью ВМП. Традиционно этот способ применяется и в большинстве негазовых выработок.
Схемы проветривания тупиковых выработок классифицируются в зависимости от источника и способа проветривания, а также от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух. Схема проветривания обычно принимается на весь период проведения выработки.
Схемы вентиляции тупиковых выработок должны обеспечивать: безопасность ведения горных работ путем обеспечения в любой точке выработки допустимых концентраций вредных, взрывоопасных и радиоактивных газов; легкость управления режимами проветривания при штатной и аварийной ситуациях.
Основными показателями схем являются: источник и способ проветривания, количество воздухоподающих и воздуховы-дающих выработок, а также их конфигурация. Схемы проветривания по источнику проветривания подразделяются на две группы: за счет общешахтной депрессии и с помощью вентиляторов местного проветривания. Схемы проветривания по средствам проветривания подразделяются на три группы: с помощью вентиляционных сооружений; с использованием вспомогательных выработок и скважин; с использованием источников тяги.
Способы проветривания с использованием источника тяги подразделяются на нагнетательный, всасывающий и комбинированный.
Механизм проветривания при нагнетательном способе заключается в разбавлении вредностей в призабойном пространстве свободной струей из вентиляционного трубопровода до допустимых значений и дальнейший вынос по выработке на сквозную струю. Основная характеристика, используемая при оценке эффективности механизма проветривания - дальнобойность свободной струи. Схема проветривания и структура свободной струи при нагнетательном способе представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема структуры свободной струи
Схема проветривания при всасывающем способе представлена на рис. 2. Динамика проветривания призабойной зоны существенно отличается от нагнетательного способа. Механизм проветривания при всасывающем способе заключается в удалении вредностей из призабойного пространства через вентиляционный трубопровод и дальнейший вынос в выработку, проветриваемую сквозной струей. Основная особенность механизма проветривания - удаление вредностей со всех 0севые расс10ЯННЯ
СТОрОН ОТНОСИТеЛЬНО рис. 2. Схема структуры всасывающего факела
конца трубопровода и ограниченные размеры зоны действия всасывающего факела.
Динамика проветривания при комбинированном способе существенно зависит от схемы подачи и удаления воздуха из призабойной зоны, и сочетает в себе особенности, присущие нагнетательному и всасывающему способам.
Основные достоинства и недостатки способов проветривания представлены в табл. 1-3.
Таблица 1
Характеристики особенностей нагнетательного способа проветривания
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРИМЕЧАНИЕ
ДОСТОИНСТВА 1) Призабойное пространство проветривается незагрязненной свободной струей с интенсивным перемешиванием воздуха Интенсивность перемешивания воздуха определяется эффективностью и дальнобойностью струи и расположением конца трубопровода относительно плоскости забоя и в площади сечения выработки Ьз > Ь - образование застойных зон Ьз < Ь - эффективное проветривание Для повышения дальнобойности струи используются насадки на конец трубопровода
2) Снижается газовыделение из массива и разрушенной горной массы за счет создания в выработке избыточного давления Величина депрессии, создаваемой ВМП при проветривании тупиковой выработки, расходуется на преодоление сопротивления трубопровода, призабойного пространства и тупиковой выработки
3) ВМП установлен на поступающей струе, поэтому через него движется чистый воздух, не содержащий газов и пыли Отсутствует опасность взрыва при прохождении воздуха через ВМП, увеличивается срок службы вентилятора. Удобство при регулировании подачи воздуха
4) Возможность быстрой подачи в призабойное пространство чистого воздуха при аварийных ситуациях в тупиковой выработке Необходимость при авариях, связанных с нарушением состава атмосферы.
Окончание табл. 1
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРИМЕЧАНИЕ
5) Возможность применения любых типов вентиляционных трубопроводов В вентиляционном трубопроводе создается избыточное давление
6) Возможность проветривания выработки по всей длине за счет утечек из вентиляционного трубопровода Количество воздуха определяется коэффициентом утечек, зависящим от длины звеньев, качества стыков, сопротивления трубопровода. При необходимости может быть организована поперечная схема проветривания выработки («труба равной раздачи», воздушная завеса)
НЕДОСТАТКИ 1) При большой площади сечения выработки или малой дальнобойности струи в призабойном пространстве образуются застойные зоны с повышенным содержанием примесей Необходимость применения более мощных ВМП Для повышения дальнобойности струи используются насадки на конец трубопровода
2) При малом сечении выработки в призабойном пространстве распространяется не свободная, а полуограниченная или ограниченная струя, поэтому к забою поступает меньшее, чем расчетное, количество воздуха Разработаны методы расчета количества воздуха при подобных условиях
3) Возможность рециркуляционных токов воздуха от устья выработки к ВМП Необходимость выполнения условий, регламентируемых ПБ
4) Удаляемые из забоя вредности при проветривании перемещаются по всей длине в сечении выработки, происходит загазирование всего объема выработки Вредности разбавляются в объеме выработки до концентрации ниже ПДК Необходимость применения более мощных ВМП
5) Взметывание осевшей пыли в призабойном пространстве и осаждение ее по длине выработки Происходит в зоне действия начального участка свободной струи. Необходимость применения в ряде случаев обеспыливающих установок.
6) Поступление свежего воздуха к очагу при пожаре в призабойной зоне и загазирование тупиковой выработки по всей длине Необходимость снижения подачи воздуха при пожаре в тупиковой выработке
Таблица 2
Характеристики особенностей всасывающего способа проветривания
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРИМЕЧАНИЕ
ДОСТОИНСТВА 1) Призабойное пространство проветривается незагрязненным потоком воздуха, поступающим по всему сечению выработки. Вредности удаляются по трубопроводу, не поступая в выработку Эффективность проветривания определяется удаленностью конца трубопровода относительно плоскости забоя и в площади сечения выработки Для увеличения зоны влияния струи используются насадки на конец трубопровода
2) Резкое уменьшение концентрации газов в призабойном пространстве в начальный период проветривания В начальный период проветривания газы с высокой концентрацией вредностей удаляются через вентиляционный трубопровод
3) Возможность быстрого удаления из призабойного пространства загрязненного воздуха при аварийных ситуациях в тупиковой выработке Необходимость при авариях, связанных с нарушением состава атмосферы. Вентилятор и жесткий трубопровод должны обеспечивать удаление пожарных газов с высокой температурой
4) Возможность применения менее мощных ВМП Меньшее количество застойных зон Сопротивление входа в вентиляционный трубопровод значительно меньше, чем сопротивление выхода в атмосферу (местные сопротивления выхода и входа имеют коэффициенты ^ вых= 1,0; ^ вх = 0,56)
5) Отсутствие взметывание осевшей пыли в призабойном пространстве Меньшие скорости движения воздуха у всасывающего трубопровода
НЕДОСТАТКИ 1) При большой площади сечения выработки или малой зоне влияния спектра струи в призабойном пространстве образуются застойные зоны с повышенным содержанием примесей Для повышения зоны влияния спектра струи используются насадки на конец трубопровода, что повышает сопротивление системы
2) Повышается газовыделение из массива и разрушенной горной массы за счет создания в выработке разрежения Величина разрежения, создаваемого ВМП для проветривания тупиковой выработки, ничтожно мала по сравнению с величиной депрессии для проветривания трубопровода
Окончание табл. 2
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРИМЕЧАНИЕ
3) ВМП установлен на исходящей струе, поэтому через него движется загрязненный воздух, содержащий газы и пыль Существует опасность взрыва при прохождении воздуха через ВМП, уменьшается срок службы вентилятора Для уменьшения воздействия применяются пыле- взрывозащищен-ные вентиляторы, вентиляторы с рабочим колесом с лопатками специальной формы с минимальной площадью контакта с пылевыми потоками
4) Необходимость применения жестких вентиляционных трубопроводов В вентиляционном трубопроводе создается разрежение. Гибкие трубопроводы могут применяться при наличии специальных спиральных вставок, обеспечивающих жесткость Большие утечки в стыках гибких труб Увеличение аэродинамического сопротивления гибких труб за счет их сжатия при разрежении Применение схем с установкой ВМП в тупиковой выработке и комбинированным трубопроводом
Таблица 3 Характеристики особенностей комбинированного способа проветривания
ДОСТОИНСТВА НЕДОСТАТКИ
1) Все достоинства всасывающего и нагнетательного способов 2) Возможность применения при сложных схемах проветривания 3) Возможность применения при скоростных темпах проведения выработок 4) Возможность применения при проветривании выработок большого объема 5) Использование в информационно-измерительных системах 1) Все недостатки всасывающего и нагнетательного способов 2) Относительная трудность управления проветриванием 3) Относительно большая стоимость вентиляционного оборудования
В заключение можно привести основные направления совершенствования способов проветривания тупиковых выработок:
1. Разработка новых пыле- взрывозащищенных вентиляторов с лучшими характеристиками и низким уровнем шума и вибрации, оптимизация параметров их работы. В качестве примера можно привести вентиляторы с вынесенным двигателем, применение композитных материалов, оптимизация угла лопаток и частоты вращения рабочего колеса.
2. Использование новых материалов для вентиляционных труб, отличающихся малым весом, долговечностью и надежностью при эксплуатации, более совершенными эксплуатационными характеристиками.
3. Интеграция оборудования для проветривания тупиковых выработок в структуру информационно-измерительных систем по управлению всеми технологическими процессами.
4. Унификация выпускаемого вентиляционного оборудования.
5. Автоматизация комбинированных способов проветривания.
6. Разработка принципиально новых методов расчета, способов и средств проветривания тупиковых выработок. К ним можно отнести способы проветривания с помощью генератора импульсов давления, проветривание с применением перегородок.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. — Госэнергоатомиздат, 1948.
2. Кирин Б.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений (при строительстве). - Липецк: Липецкое издательство, 2000. -456 с.
3. Кирин Б.Ф., Ушаков К.З. Рудничная и промышленная аэрология. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1983. - 256 с.
4. Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Ткачук Р.В. Закономерности вентиляции призабойного пространства тупиковых выработок: новая концепция. // Уголь. — 2007. — №2. - С. 16-19.
5. Рудничная вентиляция: / Справочник под ред. К.З.Ушакова. — М.: Недра, 1988.
6. Харев А.А. Рудничная вентиляция и борьба с подземными пожарами. Изд. 2-е, переработанное и доп. - М.: Недра, 1978. - 253 с. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Смирняков В.В. — кандидат технических наук, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», [email protected],
Мешков Анатолий Алексеевич — кандидат технических наук, техническиq директор, ОАО «СУЭК-Кузбасс».
GAS CLEARING DETAILS OF BLIND DRIFTS WITH BOOSTER FANS
Smirniakov V.V., PhD in eng.sc.
National mineral resources university "Mining University", Russia MeshkovA.A., PhD in eng.sc. SUEK-Kuzbass, Russia
The main ways and details of gas clearing schemes with booster fans for blind drifts have been described. It has been adduced classification characteristics of gas clearing schemes for blind drifts: depending on producer and ventilation method, depending on amount and relative position of workings, in which air is given and contaminated air is carried away. The main characteristics of the schemes are the producer and ventilation method, the number of air-feed and air outlet workings and also their configuration. It has been shown the specific features of mine ventilation diagrams. Depending on the producer of ventilation schemes are divided into two groups: on mine depression and on booster fans. Depending on the ventilation facilities the schemes are divided into three groups: on ventilation structure, on false workings and wells, on sources of draft. The ventilation schemes of blind drifts must provide: mining safety by support of allowable concentration of dangerous, harmful, explosion and radioactive gases, easy operating by ventilation process in standard and emergency situations. The comparative analysis of ventilation ways and schemes has been carried out, their advantages and disadvantages have been examined, and also the main directions of ways of gas clearing updating have been set.
Key words: aerodynamics of blind drifts, ways of gas clearing, schemes of gas clearing, drifts construction, face area, booster fans.
REFERENCES
1. Abramovich G.N. Turbulent free streams of liquids and gases. Gosenergoatomizdat,
2. Kirin B.F., Dikolenko E.Ya., Ushakov K.Z. Aerology of substructures (in construction). Lipetsk: Lipetsk's publishing office, 2000, 456 p.
3. Kirin B.F., Ushakov K.Z. Mining and industrial aerology. Text-book for Univercites. Moscow, Nedra, 1983, 256 p.
4. Kolesnichenko E.A., Kolesnichenko I.E., Tkachuk R.V. Mechanisms of air clearing of working aria of blind drifts: new conception. Ugol', 2007, no. 2, p. 16-19.
5. Mining ventilation: / Guide under editing of K.Z. Ushakov. Moscow, Nedra, 1988.
6. Harev A.A. Mining ventilation and treatment with underground fires. The 2-nd edition, rewrite and add. Moscow, Nedra, 1978, 253 p.
1948.
