Аэродинамическая характеристика сети

Уравнение h=RQ² представляет собой параболу. Для вентиляционной сети (воздуховода, выработки, шахты) с известным сопротивлением эта парабола может быть получена путем подставления в указанное уравнение произвольных значений Q и вычисления соответствующих величин h. Эта кривая называется аэродинамической характеристикой сети (рис. 2.3.).

 

 

Аэродинамическое сопротивление системы воздухопроводов

С точки зрения вентиляции воздухопроводы (выработки) могут соединяться между собой последовательно, параллельно или диагонально.

Последовательное соединение воздухопроводов – соединение, в котором воздух движется по ним не разветвляясь (рис. 2.4.а).

 

(2.26.)

Общее сопротивление последовательно соединенных воздухопроводов (выработок) равно сумме их сопротивлений:

R_общ=R₁+R₂+·····+R_n

Общая депрессия последовательно соединенных воздухопроводов равна сумме депрессий входящих в данное соединение воздухопроводов:

(2.27.)

h_общ=h₁+h₂+·····+h_n

При параллельном соединении воздухопроводы имеют общие точки начала и конца (рис. 2.4.б).

Депрессия параллельных струй, независимо от их длины, сопротивления и количества протекающего по ним воздуха, всегда равны между собой.

Общее сопротивление параллельного соединения, состоящего из n ветвей:

(2.28.)

,

где R₁, R₂, R₃, ·····, R_n – сопротивления отдельных струй.

Количество воздуха в любой ветви m параллельного соединения из n ветвей:

(2.29.)

,

где Q_о – общее количество воздуха.

Диагональное соединение двух воздухопроводов – такое соединение, при котором воздухопроводы соединяются между собой, кроме начального и конечного пунктов, еще одним или несколькими дополнительными воздухопроводами (рис. 2.4.в).

При диагональном соединении имеются воздухопроводы, по которым воздух, в зависимости от величины сопротивления остальных воздухопроводов, может идти в прямо противоположных направлениях или вовсе не идти.

Так, по участку ВС (см. рис. 2.4.в) движения воздуха не будет при условии:

(2.30.)

Воздух будет двигаться от точки С к точке В при условии:

(2.31.)

Условие движения воздуха от точки В к точке С:

(2.32.)

 

Раздел III. ВЕНТИЛЯЦИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

 

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 вентилятора 2 и характеристики сети 1 (рис. 3.5.).

Для вентиляции шахт часто используются два или большее число вентиляторов. Различают последовательную, параллельную (на одном и разных стволах) и комбинированную работу вентиляторов. Совместная работа вентиляторов подробно рассматривается в работе [9].

 

3.1.3. Способы и схемы проветривания шахт (рудников)

В зависимости от способа создания необходимого перепада давления различают нагнетательный, всасывающий и нагнетательно-всасывающий (комбинированный) способы проветривания.

Нагнетательный способ заключается в том, что вентилятором повышается давление в воздухоподающем стволе (по сравнению с нормальным атмосферным). Нормальное атмосферное давление Р_о увеличивается на выходе из вентилятора до Р₁, а в устье ствола отводящего воздух на поверхность, оно остается равным атмосферному (рис. 3.6.а). В выработках шахты создается перепад давления (депрессия), которая определяется по формуле h=P₁-P_о.

При всасывающем способе необходимый перепад давления создается путем разрежения воздуха вентилятором в устье ствола, отводящего воздух. Давление воздуха в устье этого ствола снижается до значения Р₁, меньшего нормального атмосферного давления Р_о. Депрессия шахты в этом случае будет h=P_о-P₁ (рис. 3.6.б).

Нагнетательно-всасывающий способ вентиляции заключается в том, что в одной части выработок шахты нагнетательным вентилятором создается избыточное давление воздуха (Р₁), а в другой части всасывающим вентилятором создается разрежение (Р₂). Депрессия шахты в этом случае будет h=P₁-P₂ (рис. 3.6.в).

Рис. 3.6. Способы вентиляции шахт: а – нагнетательный; б – всасывающий;
в – нагнетательно-всасывающий

 

Схемой вентиляции называется план горных работ с нанесенным на него направлением движения свежей и исходящей струи воздуха.

В зависимости от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух, различают центральные, фланговые и комбинированные схемы вентиляции. Центральные схемы, в свою очередь, делятся на центрально-сдвоенные и центрально-отнесенные.

При центрально-сдвоенной схеме воздухоподающий и воздухо-выдающий стволы расположены в центре шахтного поля. Эта схема применяется, как привило, при глубине разработки более 200 м.

При центрально-отнесенной схеме стволы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, в направлении падения (восстания) пласта, в центре шахтного поля относительно простирания пласта. Эта схема применяется при отработке верхней части шахтного поля.

Центральные схемы относятся к возвратночным.

Фланговые (диагональные) схемы применяются при вскрытии шахтного поля в центре и на границах. Как правило, в центре шахтного поля располагаются один или два воздухоподающих ствола, а на границах шахтного поля – фланговые воздухоотводящие стволы. Воздух по всей длине крыла движется в одном направлении, поэтому фланговые схемы относятся к прямоточным схемам.

Комбинированные схемы сочетают в себе элементы центральных и фланговых схем. В этих схемах в качестве воздухоподающего используется центральный ствол, а в качестве воздухоотводящих – центральные и фланговые стволы.