18.1 Общие сведения
При проведении выработок вентиляция осуществляется с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП), продольных перегородок и вентиляционных труб в зависимости от горно-геологических условий. Вентиляция выработок за счет молекулярной и турбулентной диффузии разрешается на глубину не более 6 м.
В практике подземного строительства весьма часто приходится сталкиваться с необходимостью вентиляции тупиковых выработок не только малой, но и большой протяженности. В угольных шахтах выработки длиной несколько сотен метров проходятся при подготовке выемочных полей к отработке обратным ходом, а также при сбойке шахтных стволов и вскрытии пластов.
Нередки случаи проведения тупиковых горизонтальных выработок длиной 1÷2 км, а в отдельных случаях – до 4÷5км. Наклонные выработки типа бремсбергов и уклонов могут иметь длину до 0,8÷1,5 км, а наклонные шахтные стволы - до 2 км и более.
Протяженные выработки ограниченной площади сечения обычно проводят горизонтальными или наклонными; они могут иметь различное назначение. Несмотря на то, что вентиляция каждой выработки имеет, как правило, свои особенности, при проведении выработок большой протяженности возникают проблемы, общие для всех выработок любого назначения и угла наклона. Эти проблемы создают специфику вентиляции длинных выработок.
В связи с увеличением глубины ведения горных работ, возникает большая проблема вентиляции тупиковых горных выработок из-за значительного газовыделения в них, возможных внезапных выбросов газа и угля и значительного тепловыделения.
Основной проблемой вентиляции протяженных тупиковых выработок является обеспечение подачи в забой достаточного количества воздуха, обеспечивающего в выработке требуемую по ПБ скорость его движения с целью эффективной вентиляции не только призабойной ее зоны, но и всей выработки в целом. В свою очередь, эта проблема делится на две частные: обеспечение подачи в забой достаточного количества воздуха с энергетической точки зрения (создание необходимых средств тяги) и обеспечение необходимой герметизации воздухопроводов.
Вентиляция протяженных тупиковых выработок может быть осуществлена либо с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП) и трубопроводов, либо за счет действия сквозной струи.
Вентиляция протяженных тупиковых выработок сквозной струей может быть осуществлена одним из следующих способов:
с помощью вспомогательной параллельной выработки;
с помощью продольных перегородок.
Задачами вентиляции являются:
удаление из выработок в кратчайшее расчетное время ядовитых газообразных продуктов разложения взрывчатых веществ (ВВ);
разбавление и удаление из выработок ядовитых и взрывчатых газов, выделяющихся из пород и полезного ископаемого и образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания;
создание нормальных температурных условий в горных выработках.
18.2 Особенности проветривания при проходке стволов
На вентиляцию вертикальных стволов при их проходке влияет ряд горнотехнических особенностей. К ним относятся:
вертикальное расположение стволов;
обводненность стволов и капеж;
контакт стенок стволов с боковыми породами, имеющими высокую температуру (в глубоких стволах).
Вертикальное расположение ствола обусловливает появ-ление объемных сил при его вентиляции. Их действие проявляется двояко: во-первых, в виде естественного воздухообмена или естественной тяги, обычно наблюдающейся в стволах. Действие ее вызывается нагревом слоев воздуха, прилегающих к теплым стенкам ствола. В стволе образуются два столба воздуха с разной температурой и, следовательно, с разной плотностью: столб теплого, легкого воздуха в виде толстостенного полого цилиндра у стенок и столб более холодного, тяжелого воздуха в центральной части. В результате теплый воздух вдоль стен имеет тенденцию подниматься вверх, а холодный воздух в центральной части ствола – опускаться вниз. Это в определенной степени затрудняет работу вентилятора при нагнетательном способе вентиляции ствола, который обычно применяется на практике.
Например, если глубина ствола Н=500м, атмосферное давление на поверхности Р0=102.6 кПа, абсолютная температура воздуха у стенки ствола Т'ср= 273+15=2880С, в средней части ствола Т''ср= 273+13=2860С, газовая постоянная воздуха Rr=2965, то депрессия естественной тяги будет
.
Следовательно, естественная тяга, вызываемая контактом воздуха с теплыми стенками ствола, может достигать больших значений.
Особенно это возможно в холодное время года, когда воздух в стволе, подаваемый с поверхности вентилятором, имеет низкую температуру.
Во-вторых, естественная тяга проявляется в стволах при проведении взрывных работ, когда в ствол выбрасываются большие массы нагретых газов. Имея более высокую температуру, чем основная масса воздуха в стволе, они начинают быстро перемещаться вверх, способствуя тем самым вентиляции ствола.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: объемные силы могут затруднять вентиляцию ствола, если имеет место интенсивный нагрев слоев воздуха, прилегающих к его стенкам, и могут помогать вентиляции после выполнения взрывных работ.
Обводненность ствола способствует ускорению его вентиляции после взрывных работ, так как образующиеся при этом газы взрывчатых веществ, особенно окислы азота, хорошо поглощаются водой и при этом содержание их в воздухе уменьшается. Кроме того, она способствует уменьшению содержания в воздухе окислов азота в результате ускорения химических реакций окислов азота с металлами.
Капеж в стволе играет в отношении окислов азота ту же роль, что и влага, покрывающая стенки ствола, оборудование и пр.: он способствует их растворению и, следовательно, снижению содержания в воздухе.
Однако, действие капежа в стволе имеет и другую сторону. Известно, что брызги воды, движущиеся в воздухе, обладают высокой эжектирующей способностью: при движении они увлекают за собой значительные объемы воздуха. На этой способности основано, например, действие гидромониторной струи. Если скорость движущегося вверх по стволу воздуха (а следовательно, и его кинетическая энергия) мала, по сравнению со скоростью капель и количество последних в единице объема воздуха велико, капеж может опрокинуть воздушную струю на отдельных участках ствола. Если же скорость воздуха значительна, а плотность потока капель велика, последний будет оказывать лишь дополнительное сопротивление движущемуся воздуху.
Большое значение имеет распределение плотности капель в поперечном сечении ствола: она обычно больше у стенок и меньше в средней его части. Так, измерения в стволе одной из шахт показали, что на расстоянии 0,7 м от стенки ствола за счет капель расход воды составил 12 л/мин на 1м2 сечения ствола, на расстоянии 1,7м - 5 л/мин, в центре ствола – менее 1 л/мин.
Таким образом, особенностью процесса вентиляции ствола является то, что кроме воздействия вентилятора, проветривающего ствол, на движение воздуха в стволе существенное влияние оказывают объемные (конвективные) силы и кинетическая энергия падающих капель воды. В результате их совокупного действия движение воздуха в стволе имеет следующий характер: у стенок ствола воздух движется вниз, а в средней части – вверх (рис.18.1). Восходящий поток воздуха является более мощным, чем нисходящий, и занимает основную часть поперечного сечения ствола. Последнее объясняется тем, что вверх движется не только количество воздуха, которое опустилось в ствол вдоль стенок, но и количество воздуха, нагнетаемое вентилятором.
Если не учитывать нисходящий поток воздуха вдоль стенок ствола и рассматривать лишь основной поток, то в стволе можно выделить две аэродинамические зоны, подобные таковым в горизонтальной тупиковой выработке. В первой зоне, расположенной между концом нагнетательного трубопровода и забоем, происходит интенсивное перемешивание чистого воздуха, поступающего из трубопровода, с газами в призабойной зоне. Во второй зоне, охватывающей весь ствол от устья до сечения, в котором располагается конец трубопровода, происходит вынос газов, поступивших в поток в призабойной части, а также перемешивание и вынос газов, поступающих в поток со стенок ствола (если такое газовыделение имеет место). В первой зоне поток воздуха из трубопровода, расширяясь, движется вниз, к забою, затем омывает его, поворачиваясь на 1800, и движется вверх, продолжая расширяться. На границе первой и второй зон восходящий поток воздуха занимает уже все сечение ствола и далее, уже во второй зоне, продолжает движение по всему сечению ствола.
Рисунок 18.1 – Схема движения воздуха в стволе