Аэрология горных предприятий

АЭРОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

 

Конспект лекций

 

 

Санкт-Петербург
2010

ВВЕДЕНИЕ

Аэрология горных предприятий (вентиляция) – отрасль горной науки, изучающая свойства атмосферы, законы движения воздуха, перенос его газообразных примесей, пыли и тепла в горных выработках и производственных помещениях, а также технику проветривания.

Вентиляция является основным средством создания благоприятных санитарно-гигиенических условий, повышения уровня безопасности работ на предприятиях по добыче и переработке полезных ископаемых.

В связи с углублением горных работ, интенсификацией производственных процессов увеличивается количество вредностей, поступающих в атмосферу, повышается температура воздуха. В этих условиях роль вентиляции постоянно растет.

Системы вентиляции современных шахт характеризуются большой протяженностью выработок, сложностью вентиляционных сетей, большой мощностью главных вентиляторов.

Число выработок в современных шахтах достигает многих сотен, а общая их протяженность – до 120 км. В шахты подается до 40 тыс. м³/мин воздуха (до 15 т воздуха на 1 т добываемого полезного ископаемого). Главные вентиляторы с диаметром рабочего колеса ≈ 5 м имеют производительность до 600 м³/с, депрессию – до 9000 Па, мощность двигателя – до 4000 кВт.

Горные инженеры-обогатители должны знать нормативные требования к составу и состоянию атмосферы горных предприятий, уметь производить инженерные расчеты по вентиляции, иметь представление об основных законах аэромеханики и основах аэрогазопылединамики. Именно эту цель и преследует курс "Аэрология горных предприятий".

Основоположниками отечественной рудничной аэрологии являются А.А. Скочинский, В.Б. Комаров. Большой вклад в ее развитие внесли А.Н. Щербань, В.Н. Воронин, А.И. Ксенофонтова, П.И. Мустель, К.З. Ушаков, И.И. Медведев.

Проблемам проветривания карьеров посвящены работы В.С. Никитина, В.А. Михайлова, К.З. Ушакова, С.С. Филатова, Н.З. Битколова и др.

В области промышленной вентиляции работали В.В. Батурин, А.В. Калмыков, М.П. Калинушкин и др.

Курс "Аэрология горных предприятий" содержит следующие разделы:

1. Атмосфера горных предприятий.

2. Аэромеханика горных предприятий.

3. Вентиляция горных предприятий.

 

Раздел I. АТМОСФЕРА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

 

Атмосферный воздух

Атмосферный воздух – это оболочка из смеси газов и паров, окружающая Землю. До высоты около 20 км над уровнем моря он практически постоянен и состоит (%): О₂ – 20,95; N₂ – 78,08; СО₂ – 0,03; аргон – 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон, озон и др. - 0,01.

Кислород – газ без цвета, запаха и вкуса, его относительная плотность - 1,11. В состоянии покоя человек потребляет 350 см³/мин кислорода. При 17% О₂ наблюдается одышка, при 12% - обморочное состояние, 9% - смертельно опасная концентрация. Для человека имеет значение не процентное содержание О₂, а его количество в единице объема воздуха, которое, в свою очередь, определяется его парциальным давлением.

Парциальное давление кислорода снижается при снижении давления и уменьшении концентрации.

Причины снижения концентрации: окислительные процессы, ведение взрывных и сварочных работ, пожары, взрывы, вытеснение выделяющимися газами.

Согласно ГОСТ содержание О₂ в воздухе рабочей зоны должно быть не менее 20%.

Углекислый газ – без цвета, запаха, имеет слабокислый вкус. Его относительная плотность – 1,52. При 6% СО₂ появляется одышка, при 10% - обморочное состояние, 20 – 25% - смертельно опасная концентрация.

Источники увеличения содержания СО₂ в воздухе: окисление древесины и угля, выделение в чистом виде из горных пород, взрывные работы, пожары, дыхание людей.

Допустимое содержание СО₂ в воздухе рабочей зоны – 0,5%, на исходящей из шахты – 0,75%, при работах по завалу – 1,0%.

Азот – инертный газ, без цвета, запаха и вкуса, с относительной плотностью 0,97. Может выделяться из угля и пород (азотоносность угольных пластов до 2 м³/т). Его содержание в воздухе не регламентировано.

 

Ядовитые газообразные примеси воздуха

Наиболее часто встречающимися в горных выработках и в производственных помещениях обогатительных фабрик ядовитыми газами являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО_х), сернистый газ (SO₂), сероводород (Н₂S), аммиак (NН₃), формальдегид (НСОН), акролеин (СН₂СНСОН).

(1.1.)

Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией, равной отношению количества данного газа ко всему количеству газовоздушной смеси. Различают объемную (%) и массовую (мг/л, мг/м³) концентрации. При известной объемной концентрации (С_об,%) его массовая концентрация
(С_м, мг/л) определяется по формуле:

С_м=0,446·М·С_об,

где М – относительная молекулярная масса газа.

Краткая характеристика ядовитых газообразных примесей и их предельно допустимые концентрации (ПДК) в воздухе приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Ядовитые газы

Газ	Относительная плотность	Цвет	Запах	Вкус	Действие на человека	Смертельная концентрация, %	ПДК % (мг/м^3)	Источники
СО	0,97	-	-	-	Отравляющее вытесняет О2	0,4	0,0017 (20)	Взрывные работы, пожары, взрывы, ДВС
NO2	1,59	бурый	резкий	-	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, отек легких	0,025	0,00026 (5)	Взрывные работы
SO2	2,22	-	раздражающий	кислый	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, отек гортани	0,05	0,00038 (10)	Выделения из пород, взрывные работы в серосодержащих породах, пожары
Н2S	1,19	-	тухлых яиц	сладковатый	Слизистые оболочки дыхательных путей и глаз	0,1	0,00071 (10)	Выделения из пород, взрывные работы в серосодержащих породах, пожары
NН3	0,596	-	резкий	-	Слизистые оболочки, отек гортани	-	0,0025 (20)	Выделения из аппатито-нефелиновых пород, пожары
НСОН	1,04	-	-	-	Слизистые оболочки, центральная нервная система	-	0,00004 (0,5)	ДВС
СН2СНСОН	1,9	-	пригорелых жиров	-	Слизистые оболочки, центральная нервная система	0,014	0,000009 (0,2)	Разложение дизельного топлива

 

При одновременном наличии в воздухе нескольких газов однонаправленного действия их содержание должно удовлетворять условию:

(1.2.)

С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂+··········+С_н/ПДК_н≤1,

где С₁, С₂, ··········, С_н – фактическая концентрация газов; ПДК₁, ПДК₂,··········, ПДК_н – предельно допустимые концентрации соответствующих газов.

 

Взрывчатые газы

В воздухе подземных горных выработок и помещений обогатительных фабрик кроме ядовитых могут быть также взрывчатые газы, среди которых наиболее опасными и часто встречающимися являются метан и водород.

Метан (СН₄) – газ без цвета, запаха и вкуса, при обычных условиях весьма инертен. Его относительная плотность 0,5539, вследствие чего он скапливается в верхних частях выработок и помещений.

Метан образует с воздухом горючие и взрывчатые смеси, горит бледным голубоватым пламенем. Реакция горения метана - СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О. В подземных выработках горение метана происходит в условиях недостатка кислорода, что приводит к образованию оксида углерода и водорода (СН₄+О₂=СО+Н₂+Н₂О).

При содержании метана в воздухе до 5-6% (при нормальном содержании кислорода) он горит около источника тепла (открытого огня), от 5-6% до 14-16% взрывается, свыше 14-16% не взрывается, но может гореть при притоке кислорода извне. Сила взрыва зависит от абсолютного количества участвующего в нем метана. Наибольшей силы взрыв достигает при содержании в воздухе 9,5% СН₄.

Температура воспламенения метана 650-750^оС; температура продуктов взрыва в неограниченном объеме достигает 1875^оС, а внутри замкнутого объема 2150-2650^оС. Давление в месте взрыва в среднем в 8 раз превосходит начальное давление газовоздушной смеси до взрыва. Наиболее часто метан выделяется в каменноугольных и нефтяных месторождениях. Он встречается также в каменносоляных, калийных и железорудных бассейнах.

Метан образовался в результате разложения клетчатки органической массы под влиянием сложных химических процессов без доступа кислорода. Существенную роль при этом играет жизнедеятельность микроорганизмов (анаэробных бактерий).

Установлено, что на 1 т угля образуется 100-200 м³ метана.

В породах метан находится в свободном (заполняет поровое пространство) и связанном состоянии. На современных глубинах основное количество метана находится в связанном состоянии. При этом различают три формы связи СН₄ с твердым веществом: адсорбция, абсорбция и хемосорбция. Основное количество связанного метана находится в адсорбированном состоянии.

Количество метана, содержащегося в единице массы угля (породы) в естественных условиях, называется газоносностью.

Газоносность зависит от газоемкости угля (породы), под которой понимается максимальное количество метана, которое может содержаться в единице массы угля (породы) при определенных давлении и температуре.

Газоносность угольных пластов может определяться прямым способом при разведке месторождений (исследование керна) или путем определения газоемкости в лабораторных условиях.

Различают три вида выделения метана в горные выработки угольных шахт: обыкновенное, суфлярное, внезапные выбросы.

Обыкновенные выделения метана происходят с обнаженных поверхностей угольного массива через мелкие, невидимые поры и трещины. Интенсивность газовыделения в первые моменты после обнажения составляет от 5-7 до 50 л/мин с 1 м² обнаженной поверхности. Затем интенсивность газовыделения быстро падает и практически прекращается через 6-12 месяцев.

Суфлярным называется выделение метана из крупных видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах. Дебит суфляров достигает десятков тысяч м³ в сутки, продолжительность выделений – от нескольких часов до нескольких лет.

Внезапный выброс – выделение большого количества газа (от сотен до сотен тысяч м³) в выработку с одновременным выбросом значительного количества (от одной до нескольких тысяч тонн) угля за короткий промежуток времени.

Данные о газоносности служат исходным материалом для прогноза газообильности шахт. Различают абсолютную и относительную газообильности.

Абсолютная газообильность шахты (выработки) – количество метана, выделяющегося в единицу времени (м³/мин, м³/сутки). Относительная газообильность – количество метана, выделяющегося в шахте на 1 т добываемого угля или в руднике на 1 м³ горной массы.

В зависимости от относительной газообильности угольные шахты и рудники делятся на категории (табл. 1.2.).

Таблица 1.2.

Категории шахт (рудников) по газу

Категория	Относительная газообильность
Шахта, м^3/т	Рудник, м^3/м^3
I	<5	<7
II	5-10	7-14
III	10-15	14-21
Сверхкатегорная	>15, опасные по суфлярам	>21, опасные по суфлярам
Опасные по внезапным выбросам	Шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля и газа	-

 

Для борьбы со взрывами метана в горных выработках проводится комплекс мероприятий по предупреждению опасных скоплений метана в выработках, по предупреждению воспламенения метана, по ограничению последствий взрыва.

Основной мерой предотвращения опасных скоплений метана является вентиляция выработок, обеспечивающая поддержание допустимых концентраций газа. По правилам безопасности содержание метана в шахтном воздухе не должно превышать значений, приведенных в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Допустимое содержание метана в горных выработках

Выработки	Содержание СН4, %
Исходящая из очистной или тупиковой выработки, выемочного участка	≤1
Исходящая крыла или шахты	≤0,75
Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры	≤0,5
Местные скопления метана	<2

 

При невозможности обеспечить допустимое содержание метана средствами вентиляции применяется дегазация шахт.

Для предупреждения воспламенения метана запрещается применение в горных выработках открытого огня, курение. Электрооборудование, применяемое в опасных по газу выработках, должно иметь взрывобезопасное исполнение. Для ведения взрывных работ должны применяться только предохранительные взрывчатые вещества и средства взрывания.

Основные меры по ограничению вредных последствий взрыва: разделение шахты на независимо проветриваемые участки; четкая организация спасательной службы; ознакомление всех работников со свойствами метана и мерами предосторожности.

Водород (Н₂) – газ без цвета, запаха и вкуса с относительной плотностью 0,07. Горит и взрывается при содержании его в воздухе от 4 до 74%. Температура воспламенения Н₂ на 100-200^оС ниже температуры воспламенения метана.

Водород может выделяться из пород, калийных пластов и из углей средней степени метаморфизма. Он образуется также при зарядке аккумуляторных батарей.

Максимально допустимое содержание водорода в воздухе 0,5%.

Кроме метана и водорода в воздухе подземных горных выработках могут присутствовать также тяжелые углеводороды (табл. 1.4.).

Таблица 1.4.

Взрывчатая пыль

Многие твердые вещества, не воспламеняющиеся в обычном состоянии, становятся взрывчатыми в состоянии тонкой пыли. Это объясняется двумя основными факторами: большая поверхность соприкосновения пылинок с кислородом воздуха; выделение горючих газов при нагревании пыли.

При добыче и обогащении полезных ископаемых возможны взрывы угольной, сульфидной и серной пыли.

Наиболее опасной является угольная пыль, поэтому и взрывчатые свойства изучены наиболее полно.

Нижний и верхний концентрационные пределы взрываемости угольной пыли соответственно составляют (10-50) г/м³ и 2000-3000 г/м³. Температура воспламенения – 700-900^оС.

При взрыве угольной пыли образуется большое количество оксида углерода.

На взрывчатость угольной пыли оказывают влияние следующие факторы: химический состав пыли (выход летучих веществ); дисперсность пыли; влажность; зольность; состав атмосферы.

С увеличением выхода летучих веществ взрывчатость пыли увеличивается: до 10% - не взрывается; 10-15% - слабо взрывается; >15% - сильно взрывается.

Наиболее взрывчатая пыль размером 60-100 мкм.

При влажности >40% пыль практически не взрывается. Наличие золы снижает взрываемость пыли, при 60-90% зольности угольная пыль не взрывается.

Наличие метана в атмосфере снижает нижний концентрационный предел взрываемости пыли.

Для борьбы со взрывами пыли проводится комплекс мероприятий: предупреждение опасных скоплений пыли; предупреждение воспламенения пыли; локализация взрывов и снижение вредных последствий.

Снижение запыленности воздуха достигается путем:

1. применения механизмов, при работе которых образуется минимальное количество пыли;

2. предварительного увлажнения угольных пластов;

3. орошения мест пылеобразования;

4. эффективного проветривания;

5. периодической очистки от пыли выработок;

6. расположения скиповых подъемов в стволах с исходящей струей;

7. расположения сортировок и фабрик с сухим обогащением, таким образом, чтобы пыль не заносилась в шахты.

К мерам препятствующим воспламенению пыли относятся все меры газового режима.

Для локализации или подавления возникающих взрывов пыли осуществляется осланцевание выработок и устанавливаются сланцевые или водяные заслоны.

При разработке медных и серно-колчеданных руд большую опасность представляют взрывы сульфидной пыли, в результате которых образуется большое количество сернистого газа. К категории взрывоопасных отнесены все шахты, разрабатывающие сульфидные руды с содержанием серы более 35%. Наиболее опасна сульфидная пыль, имеющая в своем составе фракции крупностью 10-100 мкм. При влажности 9-9,5% сульфидная пыль становится не взрывчатой. Пределы взрываемости сульфидной пыли – 250-1500 г/м³, температура воспламенения – 430-460^оС.

Серная пыль более опасна, чем сульфидная. Пределы взрываемости серной пыли – от 5-15% г/м³ (нижний предел) до 600-1000 г/м³.

Все шахты, опасные по взрыву серной пыли, в зависимости от содержания серы в руде, делятся на две группы: I группа – от 12 до 18%; II группа - >18%.

Для борьбы со взрывами сульфидной и серной пыли предусматривается выполнение мероприятий, препятствующих образованию пыли (бурение с промывкой, орошение, смыв пыли), а также препятствующих воспламенению (применение предохранительных ВВ, электрическое взрывание, взрывобезопасное электрооборудование, запрещение открытого огня).

 

Климатические условия

Климатические условия (тепловой режим) горных предприятий оказывают большое влияние на самочувствие человека, его производительность труда, на уровень травматизма. Кроме того, они оказывают влияние на работу оборудования, поддержание выработок, состояние вентиляционных сооружений.

Температура и влажность воздуха в подземных выработках зависят от таковых на поверхности.

При движении воздуха по подземным выработкам его температура и влажность изменяются.

Зимой воздух, поступающий в шахту, охлаждает стенки воздухо-подающих выработок, а сам нагревается. Летом воздух нагревает стенки выработок, а сам охлаждается. Теплообмен происходит наиболее интенсивно в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре пород.

Слой породы, температура которого меняется в течение года, называется тепловыравнивающей рубашкой (оболочкой). Протяженность ее зависит от количества воздуха, размеров выработки, теплофизических параметров горных пород.

Относительная влажность воздуха зависит от влажности атмосферного воздуха и обводненности пород.

В летнее время при поступлении в горные выработки воздух с большим влагосодержанием охлаждается, а избыток влаги выпадает из воздуха и конденсируется на стенках выработок. Относительная влажность может достигать 100%.

В зимнее время происходит обратный процесс. При поступлении воздуха в шахту выработки осушаются, вода выносится из выработок на поверхность.

Основными факторами, определяющими температуру воздуха в подземных горных выработках, являются:

1. Тепло- и массообмен с горными породами.

2. Естественное сжатие воздуха при его движении вниз по вертикальным или наклонным выработкам.

3. Окисление горных пород и материалов крепи.

4. Охлаждение горной массы при ее транспортировании по выработкам.

5. Процессы массообмена между воздухом и водой.

6. Тепловыделение при работе машин и механизмов.

7. Тепловыделение людей, охлаждение электрических кабелей, трубопроводов, горение светильников и пр.

Меры борьбы с высокими температурами в подземных горных выработках:

1. Теплоизолирующие покрытия выработок.

2. Сокращение пути движения воздуха к местам потребления.

3. Увеличение количества воздуха.

4. Замена деревянной крепи металлической.

5. Уменьшение времени нахождения горной массы в подземных выработках.

6. Охлаждение воздуха без применения холодильных машин (при помощи льда, использование холодной воды рек и сжатого воздуха).

7. Охлаждение воздуха с помощью холодильных машин (кондиционирование).

Правилами безопасности регламентированы температура и скорость движения воздуха на рабочих местах и в выработках.

Так, температура воздуха в подземных выработках не должна превышать 26^оС (при влажности <90%).

Максимально допустимая скорость движения воздуха в различных выработках колеблется от 4 м/с (в призабойных пространствах) до 15 м/с
(в вентиляционных стволах, не оборудованных подъемом).

Воздух, подаваемый в подземные выработки в зимнее время, должен подогреваться до температуры +2^оС (в 5 м от сопряжения канала калорифера со стволом).

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений (в т.ч. и обогатительных фабрик) приведены в ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН – 2.2.4.548-96.

Оптимальные микроклиматические условия – такие сочетания метеорологических параметров, которые обеспечивают ощущение теплового комфорта.

Допустимые – такие сочетания метеорологических параметров, при которых не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья.

Указанными выше нормативными документами установлены оптимальные и допустимые нормы метеорологических параметров для холодного (и переходного) периода года (среднесуточная температура наружного воздуха ниже +10^оС) и теплого периодов года, а также для различных категорий работ по тяжести физического труда (I – легкая,
II – средней тяжести, III – тяжелая).

Так, допустимый диапазон температур в холодный период года для работ I категории тяжести составляет 19-25^оС; II категории – 15-23^оС;
III категории – 13-21^оС.

В теплый период года эти диапазоны составляют соответственно
20-28^оС; 16-27 ^оС; 15-26 ^оС.

 

Раздел II. АЭРОМЕХАНИКА И АЭРОДИНАМИКА
ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

 

Закон сопротивления

Закон сопротивления – зависимость между депрессией h и средней скоростью ν (или количеством Q) воздуха в воздуховоде (выработке). Теоретически и экспериментально установлено, что такая зависимость имеет параболический характер:

(2.18.)

h=Cν^x=CQ^x,

где С – постоянная, характеризующая текущую жидкость (газ, воздух), размеры и шероховатость трубопровода; х – показатель степени, зависящий от режима движения воздуха (при турбулентном движении х=2, при ламинарном х=1, при фильтрационном движении 2>х>1).

Показатель х может быть определен экспериментально.

 

Виды сопротивлений

Сопротивление трения.

При движении воздуха в его потоке появляются силы трения под влиянием вязкости и эффекта прилипания. Т.к. стенки воздуховодов шероховаты, движущийся в них воздух оказывает давление на выступы шероховатости, т.е. появляется сила давления. Результатирующая сила называется силой трения, а вызываемое ею сопротивление – сопротивлением трения.

В рудничной аэрологии выведена формула, связывающая количество проходящего по выработке воздуха (Q) с потерей напора (h), размерами и шероховатостью стен выработки:

(2.19.)

,

где α – коэффициент аэродинамического сопротивления трения, Н·с²/м⁴; L и Р – соответственно длина и периметр выработки, м; S – площадь поперечного сечения выработки, м²; Q – количество воздуха, м³/с.

Для круглых труб:

(2.20.)

,

где D – диаметр трубопровода, м.

(2.21.)

Выражение называется сопротивлением трения.

Тогда, h=RQ²

Последнее уравнение является основным уравнением рудничной вентиляции. Оно дает возможность рассчитать величину депрессии, которую должен развить вентилятор, чтобы обеспечить заданный режим проветривания выработки (шахты) при известных α, L, P, S и Q.

Величина α зависит от числа Рейнольдса Re (до 100000) и шероховатости стенок выработки, а также от площади поперечного сечения выработки.

Значения α могут быть определены экспериментально в лаборатории или в натурных условиях. Имеются табулированные значения α для различных выработок [9].

В промышленной вентиляции потери давления на трение принято определять по выражению [7]:

(2.22.)

, н/м²

где λ – безразмерный коэффициент сопротивления трения; L и d – длина и диаметр воздуховода соответственно, м; ν – скорость движения воздуха, м/с; ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

При установившемся турбулентном потоке коэффициент сопротивления трения может быть определен из выражения [7]:

(2.23.)

,

где r_о – радиус трубы; ε – высота выступов шероховатости, мм.

В ориентировочных расчетах можно принимать .

Местные сопротивления.

К местным сопротивлениям относятся расширения, сужения, повороты, разветвления, вентиляционные окна.

Потери давления (h_м.с.) при проходе воздуха через местные сопротивления прямо пропорциональны скоростному напору воздуха, зависят от формы местного сопротивления и не зависят от его размеров:

(2.24)

,

где ξ – безразмерный коэффициент местного сопротивления; ρ_в – плотность воздуха, кг/м³.

Так как Q=νS, , то .

Величина - местное сопротивление,

где S – площадь поперечного сечения воздуховода, в котором скорость движения воздуха равна ν.

Коэффициент ξ может быть определен экспериментально, подсчетом по эмпирическим формулам [1, 9].

Лобовое сопротивление.

Лобовое сопротивление – сопротивление, оказываемое движущемуся воздуху находящимся в нем телом.

Величина лобового сопротивления может быть определена по формуле:

(2.25.)

,

где С – коэффициент лобового сопротивления; S_m – миделево сечение тела, м²; S – площадь поперечного сечения воздуховода, м².

Коэффициент С зависит от числа Rе, формы и степени шероховатости поверхности тела.

 

Единицы сопротивления

Из выражения h=RQ²:

Старая единица сопротивления - , называемая киломюрг (кμ):

 

Вентиляция шахт и рудников

Основными источниками движения воздуха в шахте (руднике) являются естественная тяга и работа вентиляторов.

 

Естественная тяга

Естественной тягой называется движение воздуха под действием естественных причин, основными из которых являются различная плотность воздуха в двух вертикальных или наклонных выработках и скоростное давление ветра.

Разность давлений, обусловленная этими причинами, называется депрессией естественной тяги.

Рассмотрим две вертикальные выработки, заполненные воздухом с разной плотностью (ρ₁ и ρ₂), разделенные сплошной перемычкой (рис. 3.1.)

 

 

 

Допустим, что ρ₁>ρ₂. Аэростатическое давление на перемычку со стороны ствола 1 равно Р_о+gρ₁Н (Р_о – атмосферное давление; g – ускорение свободного падения; Н – глубина стволов), со стороны ствола 2 - Р_о+gρ₂Н. Разность давлений, равная g(ρ₁-ρ₂)Н=h_е – депрессия естественной тяги.
При удалении разделяющей перемычки воздух в рассматриваемой системе придет в движение за счет этой депрессии.

Из рассмотренной схемы можно заключить, что естественная тяга имеет место в том случае, когда средние плотности воздуха двух сообщающихся вертикальных столбов будут различными. При этом воздух движется от более тяжелого столба воздуха к более легкому.

Плотность воздуха, следовательно, и величина депрессии естественной тяги зависит, главным образом, от его температуры.

Разность температур воздуха в двух стволах может иметь место в следующих случаях:

1. При расположении устьев стволов на одном уровне, но, если один ствол мокрый, а другой сухой (температура воздуха в мокром стволе меньше, а плотность его, следовательно, больше, чем в сухом).

2. При работе вентилятора зимой в воздухоподающем стволе воздух более холодный (естественная тяга будет того же направления, что и депрессия вентилятора), летом – наоборот.

3. При расположении устьев стволов на разных уровнях.

4. При вскрытии шахты штольней (естественная тяга возникает благодаря разности температур наружного и внутреннего воздуха).

Величина депрессии естественной тяги может быть определена замером (депрессиометром через перемычку, депрессиометром без перемычки, полуэмпирическим методом).

Депрессия естественной тяги может быть также рассчитана гидростатическим методом [1, 9].

Для быстрого подсчета (с достаточной для практики точностью) естественной тяги может быть использована формула В.Б. Комарова:

h_е=0,046Н , Па (3.1.)

где Н – глубина шахты, м; и - средняя температура воздуха в воздухоподающем и вентиляционном стволах соответственно.

Характеристика естественной тяги (график зависимости ее депрессии от расхода воздуха) зависит от времени года (рис. 3.2.).

 

Ветровой напор (при вскрытии шахты штольней) может быть подсчитан по формуле:

, Па (3.2.)

где ν_в – скорость ветра, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³; β – угол между осью штольни и направлением господствующих ветров, град.

 

Шахтные вентиляторы

Вентилятором называется машина, создающая разность давления в воздухопроводе, под влиянием которой воздух перемещается в этом воздухопроводе. Условно к вентиляторам относятся машины, создающие разность давления до 10000 Па при степени сжатия, равной 1,1 (отношение давления воздуха на выходе из вентилятора к давлению на входе).

Выпускаются два типа вентиляторов, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению – центробежные и осевые. Вентиляторы, используемые для проветривания шахты в целом – вентиляторы главного проветривания, для проветривания отдельных выработок и рабочих мест – вентиляторы местного проветривания.

Центробежный вентилятор состоит из рабочего колеса 1 (рис. 3.3.) с лопатками 2, вращающегося вокруг оси 3 в спиральном кожухе 4. Воздух поступает в вентилятор через боковое отверстие 5, в котором располагается направляющий аппарат. Последний изменяет направление движения воздуха на радиальное. В рабочем колесе воздух проходит между лопатками, закручиваясь в направлении их движения, и выбрасывается в пространство между верхней кромкой лопаток и кожухом. Из вентилятора воздух выходит через нагнетательное отверстие 6. Движение воздуха от нижней кромки лопаток к верхней вызывается действием центробежной силы, возникающей при вращении колеса.

Центробежные вентиляторы главного проветривания могут быть одно- и двухстороннего всасывания. На шахтах применяются вентиляторы ВЦ-25, ВЦ-31, ВЦД-31, ВРЦД-4.5, ВЦО, ВЦП и др. (В – вентилятор;
Ц – центробежный; Д – двухсторонний; О – односторонний; Р – рудничный; П – проходческий; цифры означают диаметр рабочего колеса в дециметрах или метрах). Депрессия центробежных вентиляторов изменяется в пределах 600-9000 Па, их дебит – 10-600 м³/с.

Осевой вентилятор состоит из рабочего колеса 1 (рис. 3.4.) с лопатками 2, вращающегося на оси 3, спрямляющегося аппарата 4, обтекателя 5 с хвостовиком 6, кожуха 7 с входным коллектором 8, диффузора 9.

 

 

Воздух в вентилятор засасывается через входной коллектор, проходит через рабочее колесо, спрямляющий аппарат и диффузор.

Рабочее колесо сообщает воздуху вращательное движение, поэтому частицы воздуха, прошедшие через колесо, движутся по винтовой линии, ось которой совпадает с осью вращения колеса.

Спрямляющий аппарат, представляющий собой неподвижное колесо с лопатками, превращает кинетическую энергию вращательного движения воздуха в статический напор. После спрямляющего аппарата воздух поступает в диффузор, где происходит расширение потока и дальнейшее преобразование его кинетической энергии в статический напор.

Для проветривания шахт (рудников) применяются осевые вентиляторы ВОД-11, ВОД-16, ВОД-21, ВОД-30, ВОД-40, ВОД-50, а также ВОК, ВОКД, ВОКР, В-УП, в-УПД (В – венти0лятор; О – осевой; Д – двухступенчатый;
К – с кручеными лопатками; Р – реверсивный; УП – с усиленными подшипниками; УПД – с усиленными подшипниками и удлиненным диффузором). Депрессия этих вентиляторов изменяется в пределах
1000-4000 Па, дебит – в пределах 10-600 м³/с.

Вентиляторы местного проветривания – осевые типа ВМ-М и ВМП и центробежные ВЦ.

Данными, характеризующими работу вентилятора, являются: диаметр рабочего колеса D (м), число оборотов рабочего колеса в минуту n (об/мин) и окружная скорость U (м/c):

, м/с (3.3.)

Полная мощность вентилятора (КВТ) определяется по формуле:

N=h_вQ_в/1000η, (3.4.)

где h_в – давление, развиваемое вентилятором, Па; Q_в – дебит вентилятора, м³/с; η – КПД вентилятора.

Полезная мощность вентилятора:

(3.5.)

КПД вентилятора:

(3.6.)

КПД должно быть не менее 0,7.

Зависимость h_в от Q_в, выраженная в виде графика, называется характеристикой вентилятора. Она определяется при испытаниях вентилятора. Характеристики вентиляторов могут быть монотонными (осевые вентиляторы при малых углах поворота лопаток, центробежные вентиляторы с загнутыми назад лопатками), горбатыми (центробежные вентиляторы с радиальными или загнутыми вперед лопатками), седловидные (осевые вентиляторы при большом угле поворота лопаток).

Положение характеристики изменяется при изменении скорости вращения рабочего колеса или угла установки лопаток.

Режим работы одиночного вентилятора (его производительность Q и депрессия h) на вентиляционную (шахтную) сеть определяется точкой пересечения А характеристики венти