книги из ГПНТБ / Куликов В.П. Проветривание угольных разрезов

новке № 2, которая перемещает воздух по направле­ нию к верхней бровке восточного борта. Так органи­ зуется направленное, движение загрязненного воздуха и вынос его из центральной части разреза. Из север­ ной и южной зон дым эжектируется в образовавший­ ся воздушный коридор. В связи с малым числом вен­ тиляторных установок в разрезе возникают рецирку­ ляционные движения воздуха.

Четыре вентиляторные установки лучше разме­ щать, как показано на рис. 67, попарно в западной и

максимальный диаметр затопленной струи), а угол между геометрическими осями струй составляет 25— 30°. Из рис. 67 видно, что каждая пара агрегатов про­ ветривает наиболее глубокую, зону соответственно в западной и восточной частях разреза. Вначале очи­ щается от дыма более мелкая восточная часть, а за­ тем и западная. При малом числе установок наблю­ дается медленное убывание вредных примесей в обеих

в последующем ряду больше, чем в предыдущем, и они разме­ щены в шахматном порядке. -

171

новок (рис. 68) дым по бортам опускается в западную глубокую часть, медленнее по северному и несколько интенсивнее по южному борту. Проветривание обеих частей разреза идет одновременно. В восточной части дым вначале идет сплошным потоком, затем на се­ верном и южном флангах частично направляется на рециркуляцию. Северная часть потока от средней вен­ тиляторной установки второго ряда идет против часо­ вой стрелки на запад, часть южного потока направ­ ляется по часовой стрелке. В западной половине раз­ реза дым с северного и южного бортов подтекает к установкам первого ряда, подхватывается их струями и вместе с общим потоком воздуха выносится из раз­ реза в сторону восточного борта.

При шести установках, размещенных в виде двух каскадов по три установки в каждом (рис. 69), обра­ зуется сплошной воздушный поток в разрезе. Дым по северному и южному бортам с большой скоростью заполняет западную глубокую часть, откуда единым потоком оттесняется на восток и выносится на поверх­ ность. Быстрый вынос загрязненного воздуха из мо­ дели обеспечивается возникновением широкого по фронту воздушного коридора, охватывающего всю глубокую часть разреза. Производительность струи каждой последующей установки возрастает благода­ ря тому, что она действует вместе с потоком, образо­ ванным предыдущей установкой.

При этой схеме почти не наблюдается рецирку­ ляционных потоков в модели разреза.

172

Рис. 71. Сравнение опти­ мальных вариантов схем проветривания разреза при различном числе вентиля­ торных установок:

гата на южном борту — два в

западной н два в восточной ча­ стях разреза; 3 — «лавина» нз пяти установок; 4 — два парал­ лельных каскада по три уста­ новки в каждом; 5 —три каска­ да — в двух каскадах по две установки, третий состоит из трех агрегатов (этот каскад расположен посередине между

двумя первыми)

Сплошной равномерный поток образуется при про­ ветривании тремя каскадами, состоящими из семи вентиляторных установок (рис. 70). Один каскад из двух установок расположен на северном борту, кас­ кад из трех установок проходит по наиболее глубокой части разреза, последний каскад (из двух установок) размещен на южном борту. В восточной части за­ грязненный воздух широким фронтом выносится из разреза. Одновременно происходит подсос воздуха к северному и южному каскадам. Достаточное число вентиляторных установок, формируя в разрезе широ­ кий воздушный коридор, исключает возникновение рециркуляционных движений.

На рис. 71 приведены графики изменения концент­ рации дыма в разрезе при проветривании по схемам, показанным на рис. 66—70. Из графиков видно, что время проветривания для оптимальных схем из четы­ рех и пяти, так же как из шести и семи установок, имеет сравнительно небольшое расхождение. Более существенно различие во времени проветривания между этими группами, особенно по сравнению с про­ должительностью проветривания каскадом из трех установок.

Эксперименты показали, что не все исследованные схемы расположения вентиляторных установок эф­ фективны, некоторые из них неудачны и не могут быть рекомендованы к применению в производствен­ ных условиях. Так, три установки, расположенные с

173

лельно между собой несколько восточнее западной глубокой части (рис. 72), практически не удаляют загрязненный воздух из зоны, находящейся ниже гор. 400 м от поверхности, тогда как восточная часть раз­ реза проветривается сравнительно быстро. На западе в углубленном участке остается дым высокой концент­ рации, что исключает возможность применения этой схемы.

Незначительное изменение схемы проветриванием «лавиной» из пяти вентиляторных установок делает ее неэффективной (рис. 73), поскольку резко снижает

возникают рециркуляционные движения воздуха в се­ веро-восточной и юго-восточной частях разреза. При данном расположении установок не удается создать в разрезе направленный воздушный поток, что приво­ дит к увеличению продолжительности проветривания.

Представляет определенный интерес комбиниро-

. ванное проветривание с помощью вентиляторных уста­ новок и ветрового потока со скоростью менее 2 м/с при юго-западном направлении ветра, когда наиболее часто загазовывается разрез.

Проветривание производилось шестью установка­ ми при скорости ветра 0,5 и 1,3 м/с.

Комбинированное проветривание при скорости вет-

174

1,5В 1,5В

ра 1,3 м/с существенного эффекта не дало по срав­ нению с принудительным проветриванием при штиле (рис. 76), а при скорости ветра 0,5 м/с даже отмечено

Рис. 76. Интенсивность снижения концентрации вредных примесей в модели разреза при провет­ ривании шестью вентиляторными установками и скорости ветра па поверхности:

I — 1,3 м/с; 2 — 0,5 м/с

увеличение продолжительности проветривания. Веро­ ятно, это объясняется рециркуляцией дыма в зоне обратных потоков. Во всяком случае, схемы комби­

175

нированного проветривания требуют дополнительно­ го и более детального изучения.

По результатам исследований можно сделать сле­ дующие выводы.

При недостаточной дальнобойности струи отдель­ ной вентиляторной установки для подачи свежего воз­ духа в глубокую часть разреза необходимо применять каскадное размещение установок.

При наличии на Коркинском разрезе двух глубо­ ких зон (западной и восточной) вентиляторные уста­ новки должны располагаться так, чтобы к обеим зо­ нам подавался свежий воздух со стороны преобладаю­ щего направления ветра.

Лабораторными опытами на модели Коркинского разреза установлено, что почти при всех схемах рас­ положения вентиляторных установок сказывается своеобразие разреза: наличие двух глубоких зон, разъединенных породной перемычкой. Струи вентиля­ торных установок, распространяясь в этих зонах и взаимодействуя с бортами разреза, вызывают рецир­ куляционные движения воздуха по часовой стрелке в восточной части и против часовой — в западной.

Исследования показали, что методом объемного моделирования можно с достаточно высокой степенью достоверности находить наиболее эффективные схемы принудительного проветривания разрезов.

По результатам экспериментов представляется возможным разработать метод расчета принудитель­ ного проветривания разрезов.

§13. Особенности принудительного проветривания разрезов при температурных инверсиях

При вертикальном температурном градиенте у — = 0,0-у0,6оС/100 м в атмосфере разрезов возникает неблагоприятное, а при температурной инверсии (у<0,0оС/100 м) опасное состояние, поскольку в по­ следнем случае воздух в нижних слоях оказывается более холодным, а поэтому и более тяжелым по срав­ нению с воздухом на верхних горизонтах. В резуль­ тате воздух нижних слоев приобретает устойчивость, которая в энергетическом смысле характеризуется дефицитом энергии неустойчивости атмосферы в этих

176

слоях. Для восстановления естественного воздухооб­ мена необходимо либо вытеснить с нижних горизонтов холодный воздух, либо его нагреть и таким образом восстановить аэродинамическую связь между возду­ хом в разрезе и на прилегающей к разрезу террито­ рии. При подаче вентиляторными установками воз­ душных струй с верхних горизонтов в глубокую часть разреза опускающийся воздух адиабатически нагрева­ ется, в результате часть кинетической энергии струи преобразуется в потенциальную энергию нагрева воздуха. Другая часть кинетической энергии струи за счет процесса диссипации также преобразуется в тепло. Кроме того, оказывается,' что выходящий из вентиляторных установок воздух имеет температуру выше окружающей .среды, даже если установка не имеет подогревателей.

Данное явление, названное низкотемпературным естественным нагревом воздуха в вентиляторных установках [51, 52, 58], вызвано тем, что не вся по­ требляемая мощность преобразуется движителем воз­ духа в кинетическую энергию затопленной струи. Часть потребляемой, энергии идет на нагрев воздуха вследствие его смятия в движителе, а также наличия механических сопротивлений в различных узлах. Кроме того, у осевой вентиляторной установки при­ водной двигатель обдувается воздухом, поступающим в вентилятор, и также нагревается.

Величину энергии, идущей на нагрев воздушной струи, можно определить для начального сечения, ис­

ность, потребляемая вентиляторной установкой (агре­ гатом движитель воздуха — двигатель), кВт; NK.— кинетическая энергия струи в начальном сечении, оп­ ределяемая по формуле (47)

<47>

Q — количество проходящего воздуха, м3/с; Лд — ди­ намический напор струи, н/м2; АN — потери энергии

от лучеиспускания вентиляторной установкой, как на­ гретым телом, кВт.

Расчеты по приведенным формулам [56] показы­ вают, что потери энергии от лучеиспускания вентиля­ торной установкой как нагретым телом (э-а счет гене­ рации инфракрасного излучения) крайне невелики: для УПК-4 они составляют 2 кВт при потребляемой мощности //п=450 кВт, для ПВУ-6 — 7 кВт при Л%=2080 кВт, т. е. не превышают 0,5% от Nn. Следо­ вательно, последним слагаемым в формуле (46) мож­ но пренебречь.

Для проверки изложенных соображении были вы­ полнены натурные наблюдения при работе вентиля­ тора СВМ-6М и установки УПК-4.

При экспериментальном определении величины низкотемпературного нагрева воздуха в установках снимали поле температур в начальном сечении (на срезе сопла) сразу после включения агрегатов в ра­ боту, когда электродвигатель еще не нагрет и имеет температуру окружающей среды. Одновременно сни­ малось поле скоростей в начальном сечении, а также замерялась температура окружающей среды в конт­ рольной точке иа расстоянии 2—5 м от вентиляторной установки вне зоны действия затопленной струи. Сле­ дующую серию измерений выполняли после 1—2 ч с момента включения установки в работу, т. е. при до­ стижении электродвигателем естественной температу­ ры нагрева.

Замеренные при снятии поля температур величи­ ны уменьшались на поправку, равную нагреву термо­ метра за счет адиабатического торможения потока п определяемую по уравнению [99]

при температуре струи Т; Т — температура струи, °С. Скорость звука U3 при данной температуре опре­

деляли по формуле [99]

Д3= 20,Г|/Г, м/с.

178

Р и с . 77. П о л е т е м п е р а т у р на с р е з е к о и ф у з о р а в ен ­

т и л я т о р а С В М -6 М :

Р и с . 78. П о л е т е м п е р а т у р ма с р е зе к о и ф у зо р а

гр е ва э л е к т р о д в и г а т е л я ; / — по з а м е р а м ; 2 — т о ж е ,

Результаты натурных исследований поля темпе­ ратур на срезе коифузора вентилятора СВМ-6М пред­ ставлены на рис. 77 и поля температур на срезе кон-

фузора вентиляторной установки УПК-4 — на рис. 78. Они подтверждают наличие нагрева воздуха в венти­ ляторных установках, не имеющих подогревателей. Расхождения между натурными данными и рассчитан­ ными по формуле (46) находятся в пределах точности экспериментов.

Таким образом, предсказанный теоретически и подтвержденный в производственных условиях низко­ температурный естественный нагрев воздуха в венти­ ляторных установках действительно играет немало­ важную роль при принудительном проветривании раз­ резов в периоды температурных инверсий.

Повышение температуры струи в начальном сече­ нии над температурой окружающей среды составляет для установки УПК-4 2,12°, для ПВУ-6 1,96°. В лет­ нюю жаркую погоду естественный нагрев является отрицательным фактором при проветривании разре­ зов. Отсюда следует, что имеется существенное раз­ личие в использовании энергетических мощностей при проветривании подземных и открытых разработок. Так, при проветривании шахт полезной считается только мощность, используемая на преодоление аэро­ динамического сопротивления выработок [12, 82]. При проветривании разрезов необходимо учитывать, что низкотемпературный нагрев сказывается отрица­ тельно при жаркой погоде в летнее время года, тогда как в остальное время он является положительным фактором, способствующим выносу вредных примесей из проветриваемого пространства. В последнем случае практически вся мощность, потребляемая вентилятор­ ной установкой, передается затопленной струе, т. е. к.п.д. установки приближается к 1.

Попутно отметим, что при рассмотрении процессов проветривания открытых разработок необходимо от­ дельно рассматривать к.п.д. струй, проветривающих выработанные пространства. При анализе следует учитывать, что собственное тепловое излучение атмо­ сферы затопленныхструй при их низкотемпературном начальном нагреве характеризуется тем своеобраз­ ным обстоятельством, что двухатомные газы, состав­ ляющие основу атмосферы (азот и кислород), не при­ нимают в излучении никакого участия (как и аргон), в то время как активные газы содержатся в воздухе

180