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

н и ж н е й ч а с т и р а с с м а т р и в а е м о г о с л о я в о з д у х а (в г л у б о ­ кой ч а с т и р а з р е з а ) ; г — п р и п о д н я т а я и н в ер с и я в р а з р е з е

чива, так как фактически вертикальный температур­

В этом случае для перемещения отдельных объемов воздуха вверх необходимы затраты энергии извне, на­ пример искусственное нагревание воздуха в разрезе или сообщение ему кинетической энергии;

3) кривая состояния Га для нижней части рассмат­ риваемого слоя расположена слева от кривой страти­

в разрезе приподнятой инверсии (£-<0). Под слоем зоздуха, характеризующимся инверсионной стратифи­ кацией (у < 0), происходит накопление вредных при­ месей, которое может распространиться на весь объем разреза. Для принудительного проветривания требу­ ется разрушить приподнятую инверсию.

Для оценки возможности принудительного про­ ветривания разрезов целесообразно производить рас­ чет энергии неустойчивости атмосферы при инверси­ онных условиях, когда влияние динамических факто-

ров ослаблено, а энергия неустойчивости отрицатель­ на и представляет собой дефицит энергии неустойчи­ вости, который необходимо восполнить, чтобы разру­ шить температурную инверсию и восстановить есте­ ственный воздухообмен. Для третьего случая дефицит энергии неустойчивости подсчитывается применитель­ но к атмосфере в глубокой части разреза, где воздух вследствие инверсионного состояния приобрел естест­ венную устойчивость и в нем накапливаются вредные примеси. В четвертом случае требуется определить общий баланс энергии неустойчивости Е как алге­ браическую сумму Е отдельных слоев. При отсутст­ вии температурной инверсии на прилегающей к Кор­ кинскому разрезу территории и величине £общ>10 тыс.-~15 тыс. МДж можно ожидать, что инверсия разрушится естественным путем. В против­ ном случае потребуется принудительное проветри­ вание.

Поскольку величина Е в разрезах определяется массой воздуха, которую нужно привести в движе­ ние, она меняется для каждого разреза в зависимости от размеров последнего. Коркинский разрез в первом приближении можно представить в виде двух правиль­ ных пирамид (рис. 26), объем которых можно вычис­ лить по формуле

82

найти, что затраты на проветривание разреза опре­ деленного объема находятся в прямой зависимости от разности температур поднимающегося и окружаю­ щего воздуха

Е = ВАТ,

где В — коэффициент пропорциональности.

Так же можно сделать расчет проветривания лю­ бой другой массы воздуха в разрезе, если извест­ на затрата энергии на проветривание объема с мас­ сой воздуха ти

сферы предлагаемым способом по слоям 0—50, 0—100 м и т. д. для Коркинского разреза приведены в табл. 17 (величина £ 0 МДж при t=Q° С; Т =273° К ).

В некоторых случаях, если например, в атмосфере

Т а б л и ц а 17

Р асчет энергии неустойчивости атм осф еры по слоям

н°

разреза имеются отдельные слон повышенной устой­ чивости, Е необходимо рассчитывать по слоям 0—50,

Н- §

А£ U

L> >»‘са

Можно рассчитать Е и при других значениях тем­ пературы воздуха. При этом используют данные табл. 17 или 18 и одновременно вводят постоянную поправку Д£/, которая для интервала 1°С составля­ ет 0,35%.

Расчетная формула в этом случае имеет вид:

где Е0— энергия неустойчивости при i=Q° С для дан­ ного слоя и величины At, Дж; Д£,=0,35% на 1° С — поправка на температуру; I — температура возду­ ха, °С.

Можно сделать расчет величины тепловой энергии для нагрева воздуха до температурного градиента, равного адиабатическому,

у = уа = 1 °С/100 м.

Определим количество энергии, необходимой для

84

нагрева воздуха в объеме Коркинского разреза, что­ бы на дне температура повысилась на 17,4° С (у —

— —4,8°С/100 м, и создания термической стратифика­ ции атмосферы в разрезе с градиентом уа=1°С/100 м при средней температуре воздуха t — —20° С.

Расчет производится по формуле [51]

где Е'0 —дефицит энергии неустойчивости атмосферы

тически наблюдаемая величина температурного гра­ диента в разрезе, °С/100 м; t — средняя температура воздуха по шкале Цельсия; Д£, = 0,35% на 1°С — поправка на температуру.

Находим £ =19,6 -104 МДж = 239-19,6-104 ккал.

При низкотемпературном проветривании (к.п.д.= = 0,7; потери энергии за счет лучеиспускания и вы­ носа из разреза воздуха составляют 30%) для однократной замены воздуха потребуется 77,6 тыс. кВт электроэнергии (12,9 тыс. кВт' в течение 6 ч). При высокотемпературном начальном нагреве воздуха в

§ 4. Анализ способов принудительного проветривания разрезов

Проветривание с помощью специальных вентиля­ ционных выработок или трубопроводов, проложенных по бортам разреза. Воздух отсасывается из разреза или нагнетается в него стационарными вентиляторны-

85

в е н т и л я т о р н ы х у с т ан о во к ; 1 и 2 — в е н т и л я т о р н ы е у с т ан о вк и

ми установками через подземные выработки или вен­ тиляционные трубопроводы (рис. 27). Достоинством всасывающего способа является то, что загрязненный воздух удаляется непосредственно за пределы разреза или в нерабочую зону наветренного борта.

Экспериментами [7] установлено, что скорость сни­ жения концентрации вредных примесей при этом спо­ собе проветривания незначительна.

Для проветривания разреза со слоем загрязнения высотой Н требуется удаление такого количества воз­ духа, которое равно объему зоны загрязнения, а при загрязнении всего разреза — объему последнего, т. е. при всасывающем способе

где QBC— количество воздуха, необходимое для про­ ветривания всасывающим способом, м3/с; V3— объем зоны загазованности, в которой содержание вредных примесей превышает предельно допустимую концент­ рацию (ПДК), м3; ? — время проветривания загазо­ ванной зоны, с.

Недостатком этого способа проветривания являет­ ся то, что, несмотря на снижение концентрации в масштабе всего разреза до санитарных норм и ниже, на отдельных рабочих местах (в зоне заглублений с

86

затрудненным воздухообменом) содержание вредных примесей может оставаться в два-три раза большим. Учитывая общую загазованность разреза произвести хотя бы однократный обмен загрязненного воздуха всасывающим способом современными вентиляторами практически невозможно и неэкономично.

При нагнетательном способе свежий воздух необ­ ходимо подавать в загрязненную часть разреза.

К недостаткам всасывающего и нагнетательного проветривания по выработкам или трубопроводам от­ носятся: большие расходы на сооружение и содержа­ ние воздухоподводящих каналов, сложность сохране­ ния трубопроводов,- потребность в большом числе вентиляторных установок, большие расходы на электроэнергию по сравнению с проветриванием за­ топленными струями.

Для нормального воздухообмена в Сарбайском железорудном карьере во время штиля, когда карьер

тающими вентиляторами ВРЦД-4,5 в каждом стволе.

лов или установить 30 вентиляционных труб диамет­ ром 10 м.

Для проветривания Коркинского угольного разре­ за объемом 700 млн. м3 необходимо пройти 11 венти­

другими способами проветривания.

Проветривание за счет подогрева воздуха. Сущ­ ность этого способа проветривания сводится к созда­ нию потока теплого воздуха с помощью какого-либо источника тепла. Повышение температуры влечет за собой снижение удельного веса воздуха, его активный подъем вверх и вынос вредных примесей из нижней

87

части разреза. Для восходящего движения необходи­ мо, чтобы приращение температуры воздуха в разрезе было больше 1° С на 100 м глубины. При этом нару­ шается устойчивое (инверсионное) состояние атмо­ сферы.

Как выше показано, для нагрева воздуха в объеме Коркинского разреза и ликвидации таким образом температурной инверсии с градиентом у = —4,8°С/100 м при высокотемпературном начальном нагреве воздуха сжиганием топлива в форсунках требуется от 107 до 187 т керосина. Следовательно, более целесообразным может оказаться слабый низкотемпературный началь­ ный подогрев воздуха в сочетании с применением за­ топленных струй, создаваемых различными вептиляциоиными установками.

Проветривание с помощью затопленных струй, создаваемых различными вентиляторными установ­ ками. Воздух, подаваемый вентиляторной установкой в виде затопленной струи, благодаря турбулентности присоединяет дополнительные массы прилегающего воздуха. При этом скорость у границ струи убывает,

арасход увеличивается в 20—40 раз и более.

Вкачестве вентиляторных агрегатов в опытном порядке используются турбовинтовые и турбореактив­ ные авиадвигатели, самолетные и вертолетные винты

сэлектроприводом и приводом от двигателей внутрен­ него сгорания, шахтные вентиляторы, могут быть так­ же использованы специальные вентиляторы со струей повышенной дальнобойности, предназначенные для проветривания открытых горных работ.

Проветривание с помощью вертолетов. Первые предложения по применению вертолетов для провет­ ривания были сделаны в 1958—1959 гг. И. П. Кузне­ цовым'[44, 45] и Н. 3. Битколовым, утверждавшими, что наиболее оптимальные условия работы вентиля­ тора будут при его расположении непосредственно над разрезом. В результате был сделан вывод о це­ лесообразности применения вертолетов для проветри­ вания разрезов. В 1960 г. Н. Н. Фадеевым [89] была опубликована теоретическая статья, материалы кото­ рой позволяли по массе вертолета и диаметру его винта определить индуктивную скорость (скорость от­ брасывания воздуха винтом). В 1967 г. опубликована'

88

статья О. Б. Левииского, в которой благодаря ис­ пользованию теории идеалы-юто винта и теории сво­ бодной осесимметричной струи проф. Г. Н. Абрамо­ вича получена расчетная формула для определения дальнобойной струи, отбрасываемой вертолетом при известной конечной скорости воздушного потока, а также рекомендована зависимость для определения диаметра струи на расстоянии L от винта.

О. Б. Левииским приведены параметры струй для различного типа вертолетов в режиме зависания.

Следует отметить, что данные по дальнобойности струи и ее диаметру являются очень завышенными, так как в них не учитывается устойчивость атмосфе­ ры в периоды температурных инверсий, влияние кор­ пуса вертолета на размыв струи, не обоснованно при­ нята величина коэффициента структуры а = 0,076, по другим данным а = 0,10 и более [22, 17] и др.

Натурные наблюдения Н. Г. Фатуева [90] показы­ вают значительное расхождение опытных данных с расчетными [7]. При безветренной погоде максималь­

ния (9 м для МИ-1 и 15 м для МИ-4) равен соответ­ ственно 50 и 60 м. Следует отметить, что данные Н. Г. Фатуева являются заниженными. Опыты [90] показали, что в результате полетов вертолета или его зависания над разрезом достигается некоторое пере­ мешивание атмосферы, однако существенного сниже­ ния средней концентрации газов во время общей зага­ зованности в разрезах значительных размеров не наблюдается, так как практически не происходит об­ мена между воздухом, находящимся в разрезе и на поверхности. Одиночный вертолет МИ-1 при инвер­ сионном состоянии атмосферы может благодаря не­ прерывным вертикальным полетам проветрить в те­ чение 30 мин открытую горную выработку глубиной

30—40 м, длиной 60 м.

Таким образом, вертолеты не могут обеспечить общего проветривания разрезов. Их можно использо­ вать для проветривания отдельных застойных зон [90]. Однако и в этом случае их применение крайне

89

ограничено из-за большой опасности полетов в карь­ ерном пространстве. Более целесообразным является применение вентиляторных установок с вертолетными

тами с различными движителями воздуха У Методом лабораторного моделирования установлено, что при принудительном воздухообмене с использованием энергии затопленных струй разбавление вредных при­ месей происходит в 10—12 раз быстрее, чем при на­ гнетательном способе, и в 20—25 раз быстрее, чем при всасывающем [7]. Использование энергии затоп­ ленных струй, создаваемых вентиляторами, имеет следующие преимущества перед всасывающим и на­ гнетательным способами проветривания [7]:

сравнительно небольшие экономические затраты на вентиляционные сооружения и их обслуживание;

подача в нижнюю часть разрезов больших объемов воздуха за счет увеличения расхода по длине струи, что обеспечивает эффективное разбавление вредных примесей в проветриваемой зоне;

небольшие расходы воздуха на выходе из венти­ ляторных установок по сравнению с другими спо­ собами;

большая зона действия создаваемого воздушного потока вследствие турбулентного расширения струи; более равномерное проветривание как отдельных рабочих мест, так и разреза в целом из-за высокой

степени т-урбулентности вентиляционной струи.

В связи с указанными достоинствами рассматри­ ваемого способа проветривания разработаны и прохо­ дят испытания большое число вентиляторных устано­ вок (создающих затопленные струи), которые описаны в§ 6 глава III. НИИОГРом совместно с предприятия­ ми комбината Челябинскуголь созданы две вентиля­ торные установки УПК-4 и УПК-РД, которые в опыт­

эн ер ги и в р а б о т у , р а с х о д у е м у ю на с о зд а н и е д в и ж ен и я в о з д у ш ­ ной струи .

90