книги из ГПНТБ / Слепых, В. Ф. Прогнозный расчет вентиляционных систем рудников

Для создания такой возможности предлагается расши­ рить теорию многополюсника разделом по линейно-лучевым эквивалентным схемам замещения [72].

Построение схемы и дерева івентиляционной сети

Для выполнения расчетов всегда приходится переходить от сложной комбинации соединения горных выработок или даже струй (при системах с открытым выработанным про­ странством) к простым схемам, в которых пути движения воздуха в подземной сети представлены линиями. Построе­ ние схемы является как бы первым этапом расчета сети и, следовательно, ему необходимо уделять серьезное внимание.

Поскольку граф сети является в настоящее время ее основной топологической характеристикой, то правильно по­ строенная схема проветривания должна хотя бы в какой-то мере позволять:

1)непосредственно по ее изображению судить о преобла­ дающем типе соединения ветвей, т. е. сложности исследуемой сети в целом ;

2)определять тип включения в общую сеть отдельных выработок и в особенности очистных работ ;

3)выбирать и строить такое дерево в исследуемой сети, чтобы независимые контуры получались достаточно просты­ ми, что намного сокращает объем дополнительных вычисле­ ний ;

4)устанавливать пути коротких токов между свежей и отработанной струей, а значит, намечать способы ликвида­ ции потерь воздуха;

5)производить выбор участков с наименьшим числом свя­ зей с остальной схемой для преобразования и замены их ли­ нейно-лучевыми системами.

Основным исходным материалом для построения схем служат погоризонтные планы горных работ и аксонометриче­ ские проекции сети. Необходимо, чтобы планы включали в себя все выработки откаточного горизонта и очистных бло­ ков, а аксонометрии позволяли установить места включения между сетями горизонтов восстающих, стволов, всевозмож­ ных сбоек.

Чтобы вентиляционная сеть удовлетворяла названным условиям, следует составлять ее по легко обособливаемым участкам. Для анализа же первоначально должна состав­ ляться полная схема проветривания, включающая в себя все существующие, а для прогнозных — и возможные пути дви­ жения воздуха.

В соответствии с изложенным к построению графа сети удобнее всего подойти следующим образом.

61

1. По планам горных работ и аксонометрическим проек­ циям установить все узловые точки, т. е. места, где сливают­ ся и разделяются три и более потока. Пути утечек воздуха в этом случае рассматриваются, как и все остальные пути его движения, поскольку при составлении схем зачастую невоз­ можно установить, является ли выработка путем утечки или нет, так как это зависит от мест подачи и выдачи воздуха и размещения очистных работ. Следовательно, при установле­ нии узловых точек даже явные пути утечек необходимо рас­ сматривать равнозначными основным путям канализации воздуха.

2. Для сети горизонтов намечаются основные маршруты, оконтуривающие данный участок. В качестве одного из них принимается маршрут, проходящий по воздухоподающим, т. е. воздухораздающим, выработкам откаточного горизонта или очистного блока. Его можно назвать маршрутом свежей струи и обозначить как положительный. Второй оконтуривающий маршрут представляется выработками сборочного вентиляционного горизонта блока, участка или шахты, где проходит отработанный воздух, — его можно обозначить отрицательным.

3. Нумеруются установленные узловые точки в порядке, соответствующем выбранным маршрутам: первоначально нумеруются узлы положительного маршрута и прилегающих выработок со свежей струей, а затем — отрицательного маршрута. Такой порядок позволяет по обозначению ветви (номеров вершин) судить о расположении ее в сети или даже способе включения (при расположении между узлами оконтуривающих маршрутов).

4.Узловые точки в указанном порядке переносятся на бу­ магу и соединяются между собой линиями, которые являют­ ся ветвями исследуемой вентиляционной сети и представ­ ляют собой пути движения воздуха.

5.На каждой ветви обозначается стрелкой направление движения воздуха. Для сети действующих рудников это су­

ществующее направление движения, а для проектируе­ мых — необходимое.

6.Устанавливаются связи между контурами горизонтов,

атакже с поверхностью и в соответствии с натурой перено­ сятся на построенную схему с указанием в них направления движения воздуха.

7.Входы и выходы на поверхность независимо от их чис­ ла объединяются в один узел или замыкаются на него ветвя­ ми с нулевым сопротивлением.

Таковы общие принципы построения схем проветривания. Но поскольку полная вентиляционная сеть очистных блоков довольно сложная, включение всех их в общую схему приве-

62

дет к ее значительному усложнению. В связи с этим состав,- ление, анализ и последующий расчет лучше всего начинать с сети очистных блоков, упрощенные схемы которых затем включаются в общую. Следующей частью является вентиляционная сеть участка и т. д. Таким образом, состав­ лять схемы проветривания лучше всего по относительно обо­ собленным частям сети.

Как известно [71], для введения в моделирующий прибор исходных данных необходимо предварительно рассчитать значения фиктивных сопротивлений Мф и невязок депрессий по независимым контурам АА;-. Эти величины определяются на основе предварительных, приближенно заданных расхо­ дов воздуха в ветвях. Причем, если для расчета фиктивных сопротивлений вполне достаточно увязать их по первому за­ кону сетей [2], то для установления Ahj необходимо сначала отыскать в исследуемой сети независимые контуры. Число их определяется уравнением

j = m — п + 1 .

В сложных вентиляционных сетях контуры могут быть также весьма сложными. Упрощение их позволяет намного сократить объем вычислений. Поэтому следующим этапом является нахождение в общей вентиляционной сети простых независимых контуров, что можно осуществить лишь на базе построения дерева исследуемой сети. Общие положения в этом случае сводятся к следующему.

1.В дерево сети обязательно должен входить основной маршрут подачи свежего воздуха, т. е. воздухоподающие стволы, квершлаги или штреки на каждом горизонте.

2.По сети горизонта, представленной замкнутым конту­ ром, в дерево включается путь, проходящий по одному из оконтуривающих маршрутов, лучше положительного на­ правления, хотя окончательный их выбор зависит от количе­ ства и расположения связывающих горизонты ветвей.

3.Далее в дерево включаются ветви, связывающие ука­ занный маршрут с отрицательным направлением, т. е. с вы­ работками сборочного вентиляционного горизонта. В этом случае каждый контур замыкается ветвью, расположенной между смежными диагоналями, соединяющими положитель­ ный и отрицательный маршруты сетей горизонтов, т. е. ста­ новится более простым, чем при включении в дерево обоих маршрутов. Необходимо, чтобы связи между горизонтами располагались также между ветвями дерева.

Очевидно, что число ветвей, не входящих в дерево, долж­

но равняться числу независимых контуров, в соответствии с чем их можно определить как независимые ветви сети. За-

65

м ы к ая каждой такой ветью участок дерева сети, получаем независимый контур. Таков в основном порядок построения схемы проветривания рудника и выбора независимых конту­ ров в ней.

Упрощение участков сети с регулярно-распределенными утечками

Включение ветвей утечек через отдельные изолирующие вентиляционные сооружения не представляет трудности и не всегда необходимо. Вследствие большого сопротивления каж­ дого из них (300—1000 к\.і) величина утечки будет незначи­ тельна и практически неизменна при изменении депрессии в широких пределах. Таким образом, вопрос о включении по­ добных ветвей в схему должен решаться для каждого кон­ кретного случая в зависимости от величины сопротивления и депрессии.

Наибольшую сложность в этом случае представляет учет регулярно-распределенных утечек, так как даже на одном го­ ризонте иногда находится 90—120 нерабочих рудоспусков или дучек. Включение такого количества ветвей может осложнить схему и сделать ее практически не поддающейся расчету.

?ис. 6. Участок вентиляционной сети при камерно -столбовой системе разработки .

Рассмотрим типичный для данной системы разработки участок вентиляционной сети (рис. 6). Свежий воздух к рабо­ чим камерам 7 и S подается по штреку AB и восстающему 9, омывает рабочие забои и удаляется из панели по вентиляци­ онному штреку (точка Д). Рудоспуски отработанных камер 1, 2, 3, 4, 5, 6 перекрыты. Просачивающийся по ним воздух накоротко уходит к вентиляционному штреку по выработан­ ному пространству (пути движения показаны пунктиром). Сопротивление всех ветвей — величина известная, установ­ ленная непосредственным замером или расчетным путем.

Аэродинамическая схема участка приведена на рисунке 7, а. В ней ветви 1—7 представляют собой утечки через вен-

64

тиляционные сооружения рудоспусков, ветви 10—17 — участки панельного откаточного штрека между рудоспуска­ ми. При принятой их длине 20 м сопротивление этих участ­ ков в зависимости от сечения и типа крепления колеблется от целых до десятых долей мюрга.

Вследствие незначительной длины самих рудоспусков их сопротивление в основном зависит от кусковатости и толщи­ ны слоя засыпки. На основании приведенных ранее значений сопротивлений рудоспусков в дальнейших расчетах оно при­

а

А

Ю 11 12 15 U 15 16 17 18 19

Рис. 7. Схема проветривания у ч а с т к а : а — полная, б — пре­ образованная . У ч а с т о к А, Е, В — откаточный штрек, точка Д — н а ч а л о вентиляционного штрека, ветви 1—7 — утечки,

8—9 —• проветривания камеры .

чае узлы А и В будут сведены в один. Принятое допущение не снижает точности последующих расчетов и в то же время позволяет преобразовать треугольную схему в простое парал­ лельное соединение, упрощение и расчет которого не состав­

единения ;

Ri — сопротивление одной из ветвей параллельного со­ единения ;

п — число ветвей с одинаковым сопротивлением. Дальнейший этап заключается в нахождении точки при-

соединения фиктивного потока к ветви с регулярно-распреде­ ленными утечками. Можно было бы использовать метод фиктивных потоков, но в данной задаче, как это часто встре­ чается при проектировании или прогнозном расчете вентиля­ ции, величина утечек неизвестна. Найти их конкретные зна­ чения, а следовательно, и дебиты по участкам панельного откаточного штрека можно на основании второго закона се­ тей [2] :

Совместное решение системы уравнений, составленной для всех независимых контуров сети, дает искомые дебиты ветвей.

Суммируя результаты расчета, получим :

депрессию ветви, имеющей регулярно-распределенные утечки,

суммарную величину утечек

î

общее количество воздуха, подходящее к контуру,

1

Располагая найденными величинами, по известным зави­ симостям [69] легко установить точку присоединения фик­ тивного потока

«А "«В Пользуясь приведенной методикой, можно с достаточной

для инженерных расчетов точностью преобразовывать слож­ ные треугольные схемы с большим количеством ветвей в простейшие — типа звезды (рис. 8).

Из оценки предлагаемого метода следует, что если опре­ деление эквивалентного сопротивления ветвей утечек оченьпростое, то нахождение точки присоединения фиктивного потока (точка Е) требует определенного объема вычислений..

66

штрека, заключенного между точкой присоединения фик­ тивного потока и подающей ветвью, составляет

т. е. после определения сопротивления фиктивной ветви и за­ мены ею ветвей утечек получается схема (рис. 8), в которой неизвестно лишь количество воздуха, проходящее по данной

к

ветви и равное ^ Qk- 1

На основании второго закона сетей

= ^ В Е ~ Ь ^ 9

или, подставляя значение параметров указанных ветвей, по­ лучим

т. е. все параметры схемы определены.

Таким образом, приведенный упрощенный расчет можно использовать при вычислениях для оперативного управления проветриванием, а также для укрупненных расчетов при прогнозировании или проектировании вентиляции рудника.

Секционирование схем проветривания

Одним из общеизвестных способов упрощения сложных вентиляционных систем является разделение их на ряд бо­ лее простых, с числом ветвей в каждой из них в два-три раза меньшим, чем в общей.

Необходимо отметить, что расчет упрощенных схем все же весьма сложен даже при условии обеспечения заданным количеством воздуха или направлений его движения всего в XU ветвей. Это потребовало бы регулирования дебитов при­ мерно в '/г І независимых контуров, что приводит к необхо­ димости установки такого же количества вентиляционных сооружений, полностью исключающей возможность опера­ тивного управления распределением воздуха в сети.

Указанные причины обусловливают необходимость сек­ ционирования подобных схем проветривания, т. е. разделе­ ния их на ряд простых, легко управляемых, с возможно наименьшим количеством ветвей и независимых контуров.

67

Схемы проветривания Джезказганских рудников легко секционировались, поскольку сложность их обусловливалась объединением нескольких шахтных полей в единую. При этом количество ветвей, объединяющих две или несколько схем в общую, не превышало 4.

Рудники Миргалимсай и Западный проветривались по единой схеме, причем первый содержал в себе около 2 /з всего количества ветвей (650). Это потребовало разработки поло­ жений по созданию обособленных схем проветривания. В ка­ честве основных были приняты следующие.

1. Минимально возможное количество ветвей в секциони­ руемом участке при данной технологии отработки с числом очистных ветвей не более 20—30. Как показала практика расчета схем проветривания по указанным рудникам, наи­ лучшими по условиям регулирования являются схемы с числом ветвей не более 100—140. Основное значение имеет общее количество ветвей очистных работ, поскольку в общей постановке задача на регулирование решает вопросы обеспе­ чения их потребным количеством воздуха. Число же регули­ рующих вентиляционных сооружений как минимум соответ­ ствует числу ветвей очистных работ или в общем случае чис­ лу ветвей, в которых необходимо обеспечить заданный де­ бит, т. е.

72р. в. с ftlq const"

Таким образом, наличие значительного их количества в сек­ ционируемом участке приводит к перегруженности секции вентиляционными сооружениями и в конечном итоге — к по­ тере оперативности в управлении схемой.

На основании этого и принято в первом приближении, что секционируемая часть схемы должна содержать до 140 вет­ вей, из которых не более 20-f-30 (т. е. 15—25%) — с заданны­ ми дебитами.

2. Секцию можно считать относительно обособленной, если минимальное количество ветвей, связывающих ее с остальной схемой проветривания, не более 2—8 или 1—4 входов и такого же количества выходов.

Практически разобщение (секционирование) вентиляци­ онных схем осуществляется исключением из общей сети свя­ зывающих ветвей (выработок) путем установки в последних соответствующих вентиляционных сооружений.

Учитывая, что ликвидировать полностью прососы через вентиляционные сооружения в любом случае невозможно, необходимо точно устанавливать допустимую их величину, при которой данная ветвь может быть исключена из схемы,

асхемы можно считать полностью разобщенными.

Вкачестве критерия по расчету допустимых потерь взята

S8

принятая в настоящее время в рудничной вентиляции точ­ ность измерений и расчетов :

сети с меньшим дебитом. Выразив значение qk через депрес­ сию и сопротивление изолирующего сооружения, устанавли­ ваемого на связывающей ветви, получим

Однако в вентиляционной сети возможно широкое коле­ бание расходов, вследствие чего изменяются и депрессии на вентиляционных сооружениях. Изменения необходимо учи­ тывать лишь в сторону увеличения, поскольку снижение депрессии на вентиляционном сооружении заведомо приво­ дит к уменьшению прососов и в конечном итоге — к полному разобщению вентиляционных сетей секций.

За наибольшую депрессию можно принять депрессию го­ ризонта, на котором сооружение установлено, при макси­ мальной депрессии, развиваемой вентилятором, т. е.

На основе полученных данных определяется минималь­ ное значение сопротивления вентиляционного сооружения, устанавливаемого для разобщения схем проветривания:

Рассчитанная таким образом величина R».в . с гарантирует разобщение вентиляционных схем при всех возможных ва­ риантах перераспределения воздуха в смежных сетях.

3. Наличие в принятой секции достаточного количества воздуховыдающих выработок и вентиляционных мощностей, способных обеспечить секционируемый участок потребным

69

количеством воздуха. При определении пропускной способ­ ности воздуховыдающих и подающих стволов, а также рас­ четах потребных мощностей главных вентиляторных устано­ вок необходимо постоянно учитывать планируемое увели­ чение производительности данного участка. Как показывают практические исследования и расчеты, для обеспечения нор­ мальной работы рудника необходимо по мере надобности предусматривать возможность ввода в действие дополнитель­ ных вентиляционных мощностей.

Суммарно производительность вентиляторных установок Qa.y должна определяться с учетом резерва, равного потреб­ ности в свежем воздухе на планируемое развитие в течение года или вообще заданного этапа развития рудника :

где оИОр — нормативы потребности в свежем воздухе на еди­

т/год;

Отсюда пропускная способность стволов должна рассчиты­ ваться из условия обеспечения горных работ участка при достижении максимальной производительности. Соблюдение перечисленных требований позволит постепенно и планомер­ но наращивать добычу без ограничений по вентиляции.

4 . Обособленность секционируемого участка в горно-гео­ логическом отношении, т. е. выбор с учетом условия отработ­ ки отдельного геологического блока. При секционировании схемы в пределах одного геологического блока необходимо стремиться выделить участки, разделенные целиками по все­ му блоку. Соблюдение этого условия позволит исключить из схемы активную аэродинамическую связь по выработанному пространству между секционируемым участком и остальной схемой.

В соответствии с приведенными положениями осуществ­ лено секционирование схемы проветривания по отдельным районам ведения очистных работ по Миргалимсайскому и Западному рудникам.

Основные параметры расчетных и существующих схем проветривания приведены в таблице 6.

Из данных таблицы видно, что секционирование схем проветривания позволило сократить общее количество ветвей по отношению к существующей на 4 9 % . По сравнению со

70