CC BY
406
------------------------------- © Д.Н. Алыменко, Н.И. Алыменко,
2005
УДК 622.44: 622.45
Д.Н. Алыменко, Н.И. Алыменко
ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ДЛЯ РУДНИКОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
~П настоящее время в эксплуатации находится значительное
-Я-М количество нагорных рудников и шахт малой производственной мощности с эквивалентным отверстием вентиляционной сети много больше 2 м2. В таких рудниках, как правило, воздухоподающие и вентиляционные стволы имеют большие диаметры и малые глубины или их вообще нет (штольневое вскрытие месторождения). Наиболее важными характеристиками таких вентиляционных сетей являются малое аэродинамическое сопротивление и сложная топология. Исследование, проводимые в таких шахтах и рудниках, показали, что в вентиляционной сети могут образовываться труднопроветриваемые зоны (ТПЗ). Сотрудниками Горного института УрО РАН в 1993 году была разработана «Методика проведения экспериментальных исследований по вентиляции трудно проветриваемых рабочих зон (ТПЗ) рудников Верхнекамского месторождения калийных солей». За последние 10 лет был накоплен и обобщен статистический материал не только по калийным рудникам, но и по золото и серебро добывающим горным предприятиям Дальнего Востока, алмазным рудникам Якутии и гипсовому руднику. На основе проведенных исследований были обобщены характерные признаки ТПЗ [2]:
• участок вентиляционной сети входит в сложную вентиляционную сеть, которая имеет параллельные и диагональные участки;
• горные выработки, по которым подается (отводится) воздух из участка вентиляционной сети, имеют более высокое аэродинамическое сопротивление чем смежные (параллельные, диагональные) выработки;
• аэродинамическое сопротивление участка вентиляционной сети является соизмеримым с аэродинамическими сопротивлениями смежных (параллельных, диагональных) участков;
• депрессия участка вентиляционной сети, приложенная вентиляторной установкой главного проветривания (ВУГП) к этому участку, соизмерима с тепловой депрессией от работающего оборудования, как в этом участке вентиляционной сети, так и в смежных (параллельные, диагональные) с ним;
• увеличение расхода воздуха по участку вентиляционной сети за счет положительного регулирования ВУГП и использования отрицательных средств регулирования не целесообразно - экономически не выгодно.
Кроме признаков, перечисленных выше, во многих шахтах и рудниках существуют большие внутренние утечки воздуха. Распределение воздуха в таких вентиляционных сетях при помощи только поверхностной ВУГП проблематично и, как правило, неудовлетворительно.
Следующим важным фактором шахт и рудников малой мощности является срок их эксплуатации. Срок эксплуатации таких горных предприятий бывает значительно меньше срока службы ВУГП (20 лет для центробежных вентиляторов и 15 - для осевых). После окончания срока эксплуатации рудника вентиляторы ВУГП необходимо демонтировать и переносить на новое место, строить ВУГП со всем необходимым комплексом помещений, вентиляционных каналов, ляд переключения и т.д. Это обусловливает значительные затраты, особенно в условиях крайнего севера.
Выше нами акцентированы основные проблемы проветривания рудников малой мощности, имеющих вентиляционные сети с эквивалентным отверстием более 2 м2. Теперь рассмотрим работу общеизвестных типовых источников тяги - вентиляторов.
Вентиляторы, применяемые на рудниках, по своему назначению можно разделить на следующие виды:
• вентиляторные установки главного проветривания (ВУГП) -вентиляция всего рудника;
• подземные вспомогательные вентиляторные установки главного проветривания (ПВВУГП) - вентиляция горизонта рудника;
• участковые вентиляторные установки (УВУ) - проветривание крыла рудника;
• вентиляторные установки частичного проветривания (ВУЧП)
- вентиляция участка вентиляционной сети внутри одного крыла рудника;
• вентиляторы местного проветривания (ВМП) - проветривание локальных участков вентиляционной сети рудника.
Способ проветривания шахт и рудников может быть нагнетательным, всасывающим или комбинированным [8]. Основным узлом в системе проветривания подземных горных выработок шахт и рудников являются ВУГП, расположенные, как правило, на дневной поверхности вблизи вентиляционного ствола. Подземные выработки должны проветриваться при помощи непрерывно действующих ВУГП, к которым предъявляется жесткие требования по их составу, месту расположения, приборам контроля подачи и давления, реверсированию вентиляционной струи, мерам, исключающим поступление в них опасных газов.
В качестве ВУГП используются вентилятрные установки, как с центробежными, так и с осевыми вентиляторами. Применение того или иного вентилятора определяется давлением, которое он может развивать для преодоления сопротивления вентиляционной сети и обеспечения расчетной производительности. На рис. 1-3 приведены сводные графики областей промышленного использования шахтных вентиляторных установок главного и местного проветривания [8, 12].
Область промышленного использования каждого вентилятора ограничена максимально-возможной аэродинамической характеристикой и изолинией к.п.д. 60 %. Рабочий режим не должен быть ниже изолинии к.п.д. 0,6, так как, в этом случае, будет не экономичным. На приведенных (рис. 1-3) сводных графиках бросается в глаза общая закономерность - отсутствие зон экономичной эксплуатации (промышленного использования) в пределах 0-500 Па у вентиляторов по аэродинамической схеме АМ-25 и 0-1000 Па у остальных ВУГП.
При работе многих ВУГП низкий к.п.д. обусловлен так же значительной величиной внешних утечек воздуха, достигающей в отдельных случаях до 60 % и более от производительности вентилятора [1]. Кроме этого на утечки расходуется значительная часть электроэнергии, затрачиваемой на работу ВУГП, а ВУГП являются одним из основных потребителей электроэнергии на горных предприятиях. Борьба с внешними утечками воздуха затруднительна как
Рис. 1. Сводные графики областей промышленного использования шахтных вентиляторных установок главного проветривания с центробежными вентиляторами
г з ь 5 61 в /л й го щф
Рис. 2. Сводные графики областей промышленного использования шахтных вентиляторных установок с осевыми вентиляторами типа ВОД и шахтных вспомогательных установок с центробежными и осевыми вентиляторами
на вентиляционных стволах, используемых для выдачи полезного ископаемого, спуска-подъема грузов, так и на чисто вентиляционных. [7]. Важность решения этой задачи возрастает, если учитывать, что на ряде шахт и рудников на ВУГП используются одни из самых мощных в мире вентиляторов: ВРЦД-4,5, ВОД-50, ВОД-40, ВЦД-47 "Север", ВЦД-47У с мощностью приводного двигателя до 6000 кВт. Поэтому актуальной задачей сегодняшнего дня является эффективное сокращение внешних утечек воздуха.
Таким образом, нами выделены основные недостатки в работе ВУГП. Теперь сопоставим проблемы вентиляции, оговоренные выше, с недостатками работы вентиляторных установок. Видно, что
О 100 200 300 400 500 600 700 &00 О.ЬгУс
Рис. 3. Поля вентиляционных режимов при использовании аэродинамических схем АМ-17А и АМ-25 одиночной (ВО-21ВК, ВО-30ВК, ВО-35ВК) и совместной работе двух (ВО-30ВК, ВО-35ВК) вентиляторов
существующие вентиляторные установки, а так же их расположение и работа не смогут решить существующих проблем проветривания. Необходимо создание новых ВУГП для шахт и рудников с вентиляционными сетями, имеющими малые аэродинамические сопротивления. Для таких рудников необходимы ВУГП, способные подавать в рудник большое количество воздуха при не значительном давлении 0-1000 Па и КПД более 60 %.
На первый взгляд, поставленную задачу, можно было бы решить с использованием вентиляторов-эжекторов. Однако вентиляторы эжекторы решить задачу необходимого распределения воздуха по рабочим местам однозначно не могут, так как не имеют постоянных, стабильных аэродинамических характеристик. Аэродинамические характеристики вентилятора-эжек-тора зависят от места и способа его размещения в горной выработке [10]. Поэтому новая вентиляторная установка должна обладать преимуществами вентилятора-эжектора, но иметь постоянные аэродинамические характеристики. Конструктивно, это, возможно, решить при наличии камеры смешения для эжектирующего и эжектируемого воздуха, которая в комплексе с вентилятором устанавливается в горной выработке любого сечения. Для исключения циркуляции потока воздуха в горной выработке между камерой смешения и стенками горной выработки устанавливают перемычку. Таким образом, мы будем иметь аэродинамическую схему вентиляторной эжекторной уста-
Рис. 4. Принципиальная аэродинамическая схема ВЭУ
новки (ВЭУ) (рис. 4) с постоянными аэродинамическими характеристиками [3, 4].
Рассмотрим возможные варианты использования ВЭУ, как в качестве ВУГП, так и в качестве ПВВУГП и УВУ или ВУЧП. Одним из путей является использование ВЭУ в качестве ВУГП, расположенной на поверхности. Вторым направлением может быть использование ВЭУ в качестве ПВВУГП (одной или нескольких), работающих совместно с ВУГП, расположенной на поверхности, и обеспечивающих необходимое воздухораспределение в сложных масштабных вентиляционных сетях. Производительность ПВВУГП в этом случае должна быть ниже производительности ВУГП. Третье направление - использование ВЭУ в качестве УВУ или ВУЧП, работающих совместно с ВУГП, расположенной на поверхности, и обеспечивающих необходимое воздухораспределение в локальных сетях (в пределах крыла, панели, блока и т.п.), то есть производительность ВЭУ в этом случае должна быть достаточной для проветривания части горных выработок. Четвертым может быть комбинирование второго и третьего направлений использования ВЭУ. Пятым направлением, использования ВЭУ, позволяющим сократить внутрирудничные утечек воздуха и исключить внешние - использование ВЭУ в качестве ВУГП, расположенной в подземных условиях.
Необходимо рассмотреть вопрос о месте установки ВЭУ в вентиляционной сети. Согласно ЕПБ [9] ВУГП должна располагается
на поверхности земли у устья герметически закрытых шахт, штолен. Расчеты вентиляционных сетей подтверждают, что расположение ВУГП на поверхности не всегда рационально. В отечественной и зарубежной практике все чаще встречается установка ВУГП под землей, что, как показывают расчеты и опыт эксплуатации, является более экономичным и надежным средством проветривания для горного предприятия с многих точек зрения [11]. Таким образом, ВЭУ, работающая в качестве ВУГП, может располагаться как на поверхности земли, так и в подземных горных выработках. При расположении ВЭУ в подземных условиях требуется меньший объем строительных работ (капитальное здание не нужно, можно обойтись без вентиляционных каналов и ляд переключения), возможность расположения ВЭУ в оптимальном месте с точки зрения распределения воздуха в вентиляционной сети. Для рудников с небольшими расходами воздуха (50-120 м3/с) возможно изготовление передвижной ВЭУ. Это позволит изменять ее местоположение при развитии горных работ, а при закрытии рудника легко переустанавливать ее на другое место эксплуатации.
Размещение вентиляторных установок в подземных условиях имеет особенности их пространственного размещения и компоновки составных частей. Это положительно сказывается на их аэродинамических схемах и технико-экономических показателях при доставке свежего воздуха на рабочие места [5, 6]. В отличие от вентиляторной установки, расположенной на дневной поверхности, подземная вентиляторная установка является горнотехническим сооружением со специфическими особенностями, поэтому немаловажным является принцип подхода к выбору места ее расположения в руднике. Факторы, влияющие на выбор места сооружения подземной вентиляторной установки, неоднозначны и в разных ситуациях преобладающее значение может быть отдано одному или совокупности факторов, определяющих как эффективность работы вентиляторной установки, так и надежность ее эксплуатации. Факторы, влияющие на выбор места расположения подземной вентиляторной установки:
• горно-геологические условия, обеспечивающие устойчивость сооружений на весь срок службы;
• изготовление некоторых элементов вентиляторной установки из массива окружающих горных пород;
• расположение в вентиляционной сети с максимальной эффективностью проветривания рабочих зон на весь срок службы рудника;
• адаптация к различным условиям с учетом развития горных работ;
• условия эксплуатации (пылевой, тепловой и влажностный режимы);
• устойчивость сооружений при ведении горных работ в непосредственной близости от подземной вентиляторной установки;
• потери полезного ископаемого, связанные с оставлением защитных целиков или с выполнением в массиве горных пород непродуктивной толщи;
• моделирование нештатных и аварийных ситуаций с точки зрения надежности выполнения основных функций.
Размещение и компоновка узлов и устройств подземных вентиляторных установок выполняются применительно к конкретным горно-геологическим условиям и условиям данной вентиляционной сети, и могут быть следующие:
1. ПВВУГП для общешахтной вентиляционной сети, либо для горизонта или УВУ для крыла шахтного поля:
• из двух вентиляторов - рабочего и резервного;
• с возможностью запуска одновременно двух вентиляторов в аварийных режимах;
• с подачей не менее 60 % воздуха в реверсивном режиме;
• с обводным каналом для реверсирования воздушной струи;
• с камерой для осаждения пыли и повышения статического давления в вентиляционной сети;
• с камерой вентиляторов в разрыве вентиляционных выработок;
• с камерой вентиляторов, расположенной в наиболее приемлемом месте и подключенной к вентиляционной сети посредством соединяющих выработок.
2. ВУЧП, работающие совместно с другими вентиляторными установками в участке вентиляционной сети и проветривающие панели, блоки, лавы и т.п.:
• устанавливается в воздухоподводящих или вентиляционных выработках;
• работает с эжектирующим эффектом;
• работает без перемычки;
• работает с камерой смешения, размещенной в перемычке, полностью перекрывающей поперечное сечение горной выработки.
Каждая из этих компоновок может иметь значительное количество вариантов, причем в каждом конкретном случае должен решаться вопрос о применении той или иной компоновки, а затем и варианта.
Пример принципиальной аэродинамической схемы ВЭУ показан на рис. 4. На этом рисунке показана камера смешения, состоящая из цилиндрической части диаметром D, конфузора - длинной Lк и диффузора - длинной Цд. Со стороны конфузора размещен рабочий вентилятор с соплом, а со стороны диффузора - резервный вентилятор с соплом.
Реверсирование воздушной струи ВЭУ может осуществляться не только за счет специального реверсивного вентилятора, но и за счет рабочего, посредством изменения направления вращения ротора вентилятора или за счет поворотных на ходу лопаток рабочего колеса, а также с помощью обводных каналов и переключающих устройств. Контроль параметров работы ЭВУ осуществляется аппаратурой аналогичной устанавливаемой на ГВУ, а также аппаратура может быть специально подобрана.
В настоящее время на калийных рудниках для перераспределения воздуха в труднопроветриваемых зонах используются ВЭУ, которые на производстве получили название передвижная подземная вентиляторная установка (ІІІІВУ) [7]. В работе [13] сказано, что ППВУ предназначена для перераспределения воздуха в участках вентиляционных сетей шахт, рудников, тоннелей, метрополитенов с эквивалентным отверстием свыше 2 м2. Изначально ППВУ применялись только для перераспределения воздуха в участках вентиляционных сетей со сложной топологией калийных рудников Верхнекамского месторождения. Характерной особенностью этих установок является наличие постоянных аэродинамических характеристик (рис. 5). Принципиальная аэродинамическая схема ППВУ аналогична, приведенной на рис. 4.
Рис. 5. Поля вентиляционных режимов при использовании аэродинамических схем ВЭУ с вентиляторами местного проветривания
В качестве вентиляторов для ВЭУ могут быть использованы любые типоразмеры вентиляторов как осевых, так и центробежных. Применение того или иного типоразмера вентилятора определяется характеристикой вентиляционной сети и необходимым количеством воздуха для проветривания рудника. Следует отметить, что для проветривания конкретной вентиляционной сети может быть использована как одна ВЭУ, так и комплекс ВЭУ с разными по производительности и давлению вентиляторами, которые будут однозначно выполнять функции необходимого воздухораспределения в вентиляционной сети любой сложности.
В 2000 году на руднике «Многовершинный» ЗАО «Многовершинное» были проведены промышленные испытания ВЭУ с вентиляторами ВМЭ-6 и ВМЭ-8. Установки размещались в руднике на штольнях 11 и 11-бис (в разных точках вентиляционной сети) и работали параллельно. С их помощью проветривались рудные тела Промежуточное и Южное. Две ВЭУ выступили альтернативой для ВУГП с вентилятором ВОД-16. Суммарная производительность двух ВЭУ составляла 58,7 м3/с, а статическое давление 130 Па. Количество воздуха на проветривание горных работ составляло 44,8 м3/с, при потребности 34,7 м3/с.
В 2002 году на руднике «Дукат» ЗАО «Серебро Магадана» согласно проекта была введена в эксплуатацию ВЭУ с вентилятором ВМЭ-12АУ5, работающая в качестве ВУГП и обеспечивающая поступление в рудник 157,4-65,0 м3/с при статическом давлении 15051 Па. Регулирование производительности осуществлялось сменой рабочих колес вентилятора с углами установки лопаток +15, +25, +35 град. и изменением расстояния между поперечными сечениями
выхода из сопла вентилятора и входа в камеру смешения. Реверсирование вентиляционной струи осуществляется вентилятором ВМЭ12АУ5, расположенным зеркально рабочему относительно камеры смешения. Производительность ВЭУ при реверсии была практически равена ее дебиту в нормальном режиме работы. Первоначально ВЭУ была установлена в руднике в 530 м от устья воздухоподающего рудного штрека +980 м, а во второй половине 2003 года, в связи с приближением фронта горных работ к месту установки ЭВУ, перенесена на новое место в 15 м от устья штольни № 9. При проведении испытаний ВЭУ было показано, что рудник может проветриваться как нагнетательным, так и всасывающим способом. Каждый из способов проветривания имеет свои преимущества в разные периоды года в зависимости от действия естественной тяги. В настоящее время на руднике «Дукат» введена в эксплуатацию ВЭУ расположенная в устье штольни № 64 и являющаяся ПВВУГП, работающей совместно с главной ВЭУ, расположенной в устье штольни № 9.
Из вышеизложенного можно сделать вывод о возможности и целесообразности применения ВЭУ в качестве ВУГП. Конструктивные особенности аэродинамических схем ВЭУ и простота изготовления камер смешения позволяет располагать вентиляторные установки в оптимальной точке вентиляционной сети, а по мере необходимости переносить их на новое место. Для каждого конкретного рудника вопрос его проветривания при помощи ЭВУ решается проектом с согласованием проектных решений в установленном порядке.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алыменко Д.Н. Анализ вентиляционных сетей с большим эквивалентным отверстием. // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона. Выпуск 1. Березники, 1998. - С. 196-201.
2. Алыменко Д.Н. Признаки труднопроветриваемых зон. // Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона. Сборник научных трудов. Выпуск 3. Березники, 2003 .- С. 225-227.
3. Алыменко Д.Н. Эжекторная установка с жесткими аэродинамическими характеристиками. // Материалы международного симпозиума: SRM - 95: Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. - С. 234-237.
4. Алыменко Д.Н. Эжекторная вентиляторная установка, работающая через перемычку. // Сборник научных докладов конференции: «Научно-педагогическое
наследие профессора И.И. Медведева», Санкт-Петербург: Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы, 1999. - С 186-191.
5. Алыменко Н.И. Исследование и разработка методов управления динамическими системами «Главные вентиляторные установки - рудничная вентиляционная сеть» //Проблемы безопасной разработки калийных месторождений. Минск, 1990. -С. 135-136.
6. Алыменко Н.И., Минин В.В., Чекмасов А.И. Подземные вентиляторные установки // Проблемы безопасной разработки калийных месторождений. Минск, 1990. - С. 138-139.
7. Алыменко Н.И., Минин В.В. Вентиляторные установки и их применение. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. - С. 223.
8. БратченкоБ.Ф. Стационарные установки шахт. М.: Недра, 1977. - С. 440.
9. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. ПБ 03-553-03. М.: ГУП «НТЦ по БП Госгортехнадзора России», 2003. - с. 199.
10. Медведев И.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. - С. 250.
11. Мохирев Н.Н., Попов А.С., Шадрин М.А., Зилеев Г.П. Уменьшение подсосов воздуха в рудники с поверхности через выработанные пространства. // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 8. М.: МГГУ, 2004. - С. 264-267.
12. Петров Н.Н., Попов Н.А., Батяев Е.А. и др. Теория и проектирование реверсивных осевых вентиляторов с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса. // СО РАН, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Рудничная аэродинамика. Новосибирск, 2000. - С. 79-91.
13. Передвижная подземная вентиляторная установка (ППВУ) с вентиляторами ВМ-4, ВМ-5, ВМЭ-6, ВМЭ-8, ВМЭ-12, В-2М (Техническое описание и руководство по эксплуатации). Пермь-Березники-Соликамск, 1993. - С. 26.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Алыменко Д.Н. - кандидат технических наук, Березниковский филиал ПермГТУ.
Алыменко Н.И. - доктор технических наук, Горный институт УрО РАН.
