CC BY
37
СЕМИНАР 8
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________
С.Г. Гендлер, проф.,
СПГГИ
ПРОБЛЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Традиционно, при выборе способов и схем проветривания, а также определении необходимого количества воздуха для вентиляции любых подземных объектов решающим моментом является количественная и качественная характеристика факторов, оказывающим негативное воздействие на климатические параметры внутреннего воздуха. Однако, по сравнению с горнодобывающими предприятиями, где требования к системам вентиляции детально регламентированы соответствующими Правилами безопасности [11], в железнодорожных тоннелях единственным нормативным документом являются Строительные нормы и правила, которые используются в процессе проектирования [12]. Несмотря на то, что этот СНиП в определенной степени аккумулирует опыт эксплуатации большого числа транспортных тоннелей, в том числе и железнодорожных тоннелей, он не может претендовать на универсальность в выработке технических решений для любых климатических, горногеологических и эксплуатационных условий.
Например, так как значительная часть железнодорожных тоннелей России эксплуатируется на электрической тяге, а вышеупомянутый СНиП регламентирует лишь ПДК выхлопных газов, то, на первый взгляд, отсутствует критерий для вычисления минимальных расходов воздуха. Если для сравнительно коротких тоннелей ( длина не превышает 1000 м ) это не является принципиально важным, т.к. воздухообмен будет происходить спонтанно за счет поршневого действия поездов, то в более протяженных тоннелях воздух может находится в них достаточно длительный промежуток времени. При этом, очевидно, что его качество будет постоянно ухудшаться за счет непрерывного выделения вредных веществ, продуцируемых движущимися поездами и перевозимыми ими грузами. Естественно, что «точное» установление количественного и качественного состава этих веществ сопряжено с определенными трудностями, т.к. зависит от графика движения поездов и вида перевозимых грузов. То есть для расчета величин потребного количества воздуха необходимо, в первую очередь, иметь достоверную информацию о среднеинтегральных значениях частоты движения транспортных средств и номенклатуре перевозимых грузов.
Задача правильного выбора схемы проветривания и определения количества воздуха становится ещё более актуальной в случае выделения вредных веществ из горных пород, окружающих тоннельные выработки. В транспортных тоннелях такими веществами могут
являться метан, сероводород, радон и т.п. Следует отметить, что имеющиеся нормативные материалы по проектированию не дают ни каких рекомендаций относительно величин предельно-допустимых концентраций упомянутых вредных веществ в воздушной среде тоннелей. В этой связи следует ориентироваться на ПДК, установленные соответствующими санитарно-гигиеническими нормами. В частности, предельнодопустимые концентрации радона ( допустимые объемные активности), приведенные в НРБ-96 в величинах эквивалентной равновесной объемной активности радона ( ЭРОА радона), в зависимости от того к какой категории будут относиться лица, обслуживающие тоннели, составляют: для персонала ( группа А)- 1240 Бк/м3, для группы Б - 310 Бк/м3[10]. При этом обязательным является определение топологии источников радона по длине выработок и нахождение абсолютных значений дебита каждого источника. Необходимость последнего обусловлена тем, что радон, попадая в тоннельный воздух, начинает распадаться, образуя дочерние продукты, которые в следствии малого полупе-риода распада наиболее вредны для человеческого организма. Причем, чем ближе источник выделения радона расположен к месту подачи в выработку свежего воздуха, тем более длительный промежуток времени воздух будет находится в выработке и тем большее количество дочерних продуктов распада радона будет содержаться в воздухе. Минимально-допустимые расходы воздуха и их распределение по участкам вентиляционной сети устанавливаются на основании вентиляционных расчетов, осуществляемых по специальным программам, учитывающим как аэродинамические параметры выработок, так и закономерности накопления и распада радона при движении воздуха по вентиляционной сети [16]. На рисунке приведен пример установления минимально- допустимых расходов воздуха для условий разведочно-дренажной штольни (РДШ) строящегося Северомуйского тоннеля Восточно-Сибирской железной дороги. Данный тоннель, имея длину 15,3 км, по-видимому, будет являться самым протяженным в Российской Федерации. Выбор количеств воздуха при этом осуществлен для схемы проветривания РДШ, предусматривающей подачу наружного воздуха в один из порталов основного тоннеля, расположенного параллельно РДШ и соединенного с ней сбойками, последующий перепуск воздуха по сбойкам на каждый из участков РДШ, расположенных между стволами, и выброс загрязненного воздуха через стволы и противоположенный портал. Анализ
3 і 1999
215
км
Рис. Распределение воздуха ^, м3/с) и ЭРОА радона (Бк/м3) в РДШ при раздельном проветривании участков штольни между стволами .
Сплошными линиями показано распределение ЭРОА радо-на( жирные линии) и количество воздуха при обеспечении категории А, а пунктирными - для условий категории Б. Нулевая отметка относится к наиболее высокой относительно порталов части тоннеля.
результатов расчета, приведенных на рисунке, свидетельствует о том, что минимально-допустимые количества воздуха на каждом из участков зависят от их длины, величины радоновыделения и обеспечиваемой категории радиационного режима (значение ЭРОА радона).
Для железнодорожных тоннелей, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, безопасность эксплуатации в значительной степени связана с возможностью предотвращения процессов наледеобразования [4].
В работах [3, 15] нами показано, что при слабой обводнённости тоннелей (дебит воды в тоннеле не превышает 5 л/час) борьба с наледеобразованием может быть осуществлена вентиляционными средствами, т.е. организацией такого вентиляционного режима, который в зимний период обеспечит на всем протяжении тоннеля отрицательную температуру воздуха. Необходимое для этого количество воздуха легко устанавливается в результате расчетов по методике, изложенной в работах [2,9]. Вместе с тем, очевидно, что при достаточно большой протяженности выработок организация отрицательного теплового режима будет сопряжена с необходимостью подачи в тоннель значительного количества воздуха, что приведет к повышенным затратам на вентиляцию. Например, для тоннеля длиной 6700 м отрицательная температура воздуха в -15°С^-20°С на всем его протяжении может быть достигнута лишь при непрерывной, попеременной подачи с одного и другого порталов не менее 150 м3/с наружного воздуха. Вместе с тем, даже в этом случае процессы наледеобразования могут развиваться в переходные периоды, что связано с недельными и суточными перепадами температур наружного воздуха и, следовательно, с периодическим оттаиванием пород.
Для локализации процессов наледеобразования в переходные периоды необходимо ограничить поступление в тоннель наружного воздуха при его отрицательной температуре в весенний период и положительной в осенний, и, напротив, обеспечить интенсивное проветривание вы-
работок весной при положительной температуре воздуха, а осенью при отрицательной [7].
Найдем зависимости, определяющие количество воздуха, которое необходимо подавать в тоннель для того, чтобы избежать в переходные периоды появления наледей. Рассмотрим весенний период, в течение которого температура наружного воздуха может принимать как положительное (время Т1), так и отрицательное значения (время т2). Если предположить, что теплота ^т) вносится в тоннель только при движении по нему транспортных средств (в остальное время воздухообмен в тоннеле или отсутствует, или снижается до минимального значения средствами вентиляции), то ее количество будет равно:
Qт Gср.1cвPв(t н - £ ц)^1, (1)
где £'ц - средние температуры наружного воздуха и воздуха в центре тоннеля за период т1; GсpJ - среднее количество воздуха в тоннеле за период т1, м3/с. Величина Gсp.1 определяется средним количеством воздуха, перемещающимся по тоннелю под действием движущегося поезда Gи.ср, и суммарной продолжительностью поршневого действия поездов (т'П) за период Т{.
Gcp.l = G
п.срТА П' (2)
В период времени с отрицательной температурой (т2) количество воздуха G, которое необходимо подать в тоннель, должно быть достаточным для компенсации теплоты Qт. При этом количество холода, вносимого в тоннель за период т2, составляет:
Qх Gсp'2cвPв(t ц - £ н)^2, (3)
где £ '' н и £ '' ц - средние температуры наружного воздуха и воздуха в центре тоннеля в период т2, GсP'2 - среднее количество воздуха в тоннеле за период т2:
^ Сп.срхп'+ £(т2 _хп')
0ср.2 = " , (4)
2
где т"П - длительность поршневого эффекта в период т2.
Средние температуры наружного воздуха (у порталов тоннеля) и его температура в центре тоннеля за период (т! + т2) будут равны t н т1 +1 н'т 2
tн = н 1 н 2, (5)
Т1 ^ Т 2
X' т + X "т
1ц 4 ^ 1ц 12
ц т1 +т 2 . (6)
Выразив из равенств (5), (6) температуры Х'н и Хц и подставив их в уравнение ( 3 ), получим:
Qх =Gсp'2pвCв[(1 + ЪЫРц - ^ - (т/Т2)(Г'ц - £ 'н)]Т2 (7)
Приравняв соотношения (1) и (7), найдем величину G:
£ = £п.ср тп
_ -ГГ
т 2 ~тп
т,
\ — X т
‘■ц 1'н 11
+ "
х:—хт,
т2 — тп
2 н ц 2
(8)
Выразив тп и т"п через длительность поршневого эффекта, создаваемого одним поездом тп и среднее количе-
ство поездов Пп, следующих за периоды XI и т2 по тоннелю в обоих направлениях, окончательно получим:
G = ——
1 + ^ I + !i
Х2 ) tH - Ц Х2_,
(9)
где Gn - среднее количество воздуха, перемещающегося по тоннелю под действием движущихся поездов (Gn — ^Сп.срХ
Количество воздуха, которое необходимо подавать вентиляторами в тоннель весной при его положительной температуре, определяется аналогичным путем.
Например, для организации эффективной борьбы с развитием процессов наледеобразования осенью при температурах наружного воздуха и в центре тоннеля в теплый период (т1 = 10 суток) t'n = 3°С, t„ = +1°С, количестве воздуха, перемещающегося по тоннелю под действием движущихся поездов Gn = 32000 м3/с (пп = 400, Оцср = 80 м3/с) и длительности поршневого эффекта от одного поезда тп = 1200 сек, в холодный период (т2 = 6 суток) при t'a = -3°С (для достижения t”ц = -2°С) в тоннель необходимо обеспечить подачу 80 м3 /с воздуха. При тех же исходных данных, но относящихся соответственно к холодному и теплому периодам весной, для обеспечения Гц = +2°С (t"H = 4°С) при t'K = -4°С и t'u = -1°С в тоннель необходимо подавать около 40 м3/с воздуха.
Особое значение имеет выбор схемы проветривания и определение минимально-допустимого расхода воздуха при создании в тоннелях в зимний период года положительного теплового режима, гарантирующего отсутствие наледеобразования при любых горногеологических условиях. Основным требованием при этом является минимизация энергетических затрат на вентиляцию и подогрев воздуха. Выполнение данного требования осложняется невозможностью полного исключения затекания в тоннели холодного наружного воздуха вследствие влияния поршневых эффектов от проходящих поездов. В связи с этим предложено систему обеспечения положительного теплового режима осуществлять на основе компенсационного принци-па”[1,4,14]. Он предусматривает, что количество теплоты (Qt), подаваемое в тоннель в интервалы между поездами, должны быть не меньше количества холода (Q*), вносимого в него транспортными средствами (Qt > Q). Для выполнения данного соотношения необходимо удовлетворить, по крайней мере, два условия. Первое связано с подачей в тоннель после прохождения по нему транспортного средства подогретого воздуха в количестве, достаточном для заполнения участка тоннеля, длиной, равной расстоянию (1отр), на которое проникает в него холодный наружный воздух от поршневого эффекта к моменту подхода следующего транспортного средства. Второе же условие должно определять величину подогрева наружного воздуха ^од, обеспечивающую за интервал времени между следующими друг за другом транспортными средствами полную или частичную компенсацию холода, передаваемого ими породам.
Формулы для вычисления 1отр и tпод получены в работах [14]. Здесь же осуществлен их численный анализ для условий Байкальского и Северо-Муйского тоннеля.
На основе выше сформулированных принципов предложен способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей, реализуемый с помощью рециркуляционной схемы вентиляции [4,5]. Он предусматривает отбор воздуха с положительной температурой из сечения тоннеля, отстоящего на расстояние 1отр от портала, в который поступает холодный воздух, подачу его по штольне в направлении, обратном действию естественной тяги в тоннеле, дополнительном подогреве в калориферных установках и последующей подаче в тоннель в зоне поступления наружного воздуха. Установлено, что основными параметрами, определяющими работу рециркуляционной схемы, являются расход рециркуляционного воздуха и его температура. Для вычисления этих величин получены соответствующие аналитические формулы [6].
Предложенный способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей был испытан на Байкальском тоннеле [15]. При этом для повышения его эффективности использован вентиляционный затвор, специальной конструкции, установленный в центральной части тоннеля, и служащий для регулирования расхода воздуха в тоннеле [8]. Положительный опыт испытаний предлагаемого способа на Байкальском тоннеле позволил рекомендовать его для применения в более протяженном Северомуйском тоннеле. Проектными решениями предусматривается два основных режима проветривания: зимний и летний. В зимний период вентиляция и управление тепловым режимом тоннеля реализуется с помощью циркуляционной схемы проветривания, аналогично Байкальскому тоннелю. Для регулирования количества воздуха в тоннеле предполагается установка на его порталах специальных вентиляционных затворов [13]. В летний период для подачи воздуха в тоннель предлагается задействовать стволы, расположенные в центральной части тоннеля. Удаление загрязненного воздуха из тоннеля и штольни должно осуществляться через порталы. Количество воздуха, подаваемое в тоннель летом выбирается из условия не превышения его температуры максимально допустимого значения [12].
Для контроля и управления состоянием воздушной среды в тоннеле предусмотрено создание автоматизированной системы, которая должна фиксировать температуру, направление движения и скорость воздушного потока и при необходимости выдавать диспетчеру сигнал об изменении режима работы систем вентиляции и подогрева.
Таким образом, при эксплуатации железнодорожных тоннелей на электрической тяге при обосновании способа и схемы проветривания необходимо принимать во внимание количественный и качественный состав вредных веществ, выделяющихся от проходящих транспортных средств и перевозимых ими грузов, а также газовыделения из окружающих тоннельные вы-
3 i 1999
215
работки пород и воды. В районах с суровыми климатическими условиями схема проветривания должна обеспечивать возможность эффективного управления тепловым режимом для устранения или минимизации процесса наледеобразования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гендлер С.Г., Фисенко А.П. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей./Авт. свид. СССР №1090886. БИ № 17, 07.05.84.
2. Гендлер С.Г. Тепловой режим подземных сооруже-ний./Уч. пособие. Изд. ЛГИ, 1987. 101 с.
3. Гендлер С.Г. Оценка условий наледеобразования в транспортных тоннелях./Физические процессы горного производства. Всесоюзный межвуз. сб. Л.: Изд. ЛГИ, 1988. С.80-84.
4. Гендлер С.Г., Беспалов С.Е., Соколов В.А., Горшков Ю.М., Юшковский Э.М. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях. Транспортное строительство, №4, 1990. С.18-22.
5. Гендлер С.Г., Беспалов С.Е., Соколов В.А., Юшков-ский Э.М., Горшков Ю.М. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей в зимний период./Авт. свид. СССР № 1627723, БИ №6, 15.02.91.
6. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом тоннелей в суровых климатических условиях. Транспортное строительство, №11, 1991. С. 15-17.
7. Гендлер С.Г., Соколов В.А., Беспалов С.Е., Нам Л.А. Способ регулирования теплового режима железнодорожных тоннелей. /Авт. свид. СССР № 1716164. БИ №8, 29.02.92.
8. Гендлер С.Г., Горшков Ю.М.: Макаров В.А., Хо-минский В.А. Вентиляционный затвор железнодорожного тоннеля./Пат. № 2013559, БИ №10, 30.05.94
9. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. М.: Недра, 1968. 256 с.
10. Нормы радиационной безопасности (НРБ- 96). М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996, 126 с.
11. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986,447 с.
12. Тоннели железнодорожные и автодорожные. СНиП 32-04-97. М.: Госстрой России, 1997, 19 с.
13. Хоминский В.А., Макаров В.А., Соколов В.А., Горшков Ю.М., Гендлер С.Г., Покрывалов М.Л., Салан А.И. Вентиляционный затвор для железнодорожного тоннеля. Пат. РФ № 2029872, БИ №6, 27.02.95.
14. Diadkin Y.D., Gendler S.G. Calculation Methods and Experience of Using Energy Saving System for Controlling Local Climate in Mines, Tunnels and Underground Construction. Comprehensive rock engineering.Vol.5. Pergamon Press LTD, London, UK, 1993, pp.335-357.
15. Gendler S.G. Control for heat regime of the railway tunnels located in severe climatic condition. 9th International Conference on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, Italy, 6-8 October 1997, pp. 399-411.
16. A User’s Manual for MFIRE: A Computer Simulation Program for Mine Ventilation and Fire Modelling.-US Department of the Interior. Bureau of Mines. 1989, 42 p.
© С.Г. Гендлер
