- •РУДНИЧНАЯ АТМОСФЕРА
- •§ 2. Методы контроля запыленности рудничного воздуха
- •§ 4. Кондиционирование воздуха
- •§ 3. Дистанционный контроль температуры рудничного воздуха
- •§ 4. Измерение влажности рудничного воздуха
- •§ 7. Приборы для измерения скорости движения воздуха
- •§ 2. Сопротивление трения
- •§ 2. Характеристика вентиляторов
- •§ 1. Изменение общего количества воздуха, подаваемого в рудник
- •§ 1. Способы определения утечек воздуха
- •, ftfi.
- •§ 2. Проветривание выработок сжатым воздухом
- •§ 4. Проветривание выработок большого сечения *
- •§ 6. Проветривание при проходке шахтных стволов
- •ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ
- •§ 1. Выбор способа и схемы проветривания рудника
Вместо кататермометра в зарубежных странах был предложен мокрый шаровой термометр, по температуре которого судят о сте пени комфортности атмосферы. Такой прибор с полупроводниковым термосопротивлением, включенным в одно из плеч неуравновешен ного моста, был недавно исследован в Магнитогорском горнометал лургическом институте. Исследование показало, что температура влажного шара наиболее полно отражает воздействие основных пара метров микроклимата.
§ 4. Кондиционирование воздуха
Под кондиционированием воздуха понимают совокупность раз личных мероприятий, направленных на улучшение атмосферных условий. Чаще под кондиционированием подразумевают только охлаждение воздуха.
В настоящее время некоторые шахты Донбасса достигли такой глубины, что охлаждение воздуха в них просто необходимо. На таких шахтах работают холодильные установки, на других они только строятся или проектируются. На рудниках Криворожского бассейна температура пород при величине геотермической ступени 70 м до стигнет 26° С только на глубине 1270 ж. Однако воздух на рудниках Криворожского бассейна нагревается в основном от местных источ ников, поэтому необходимость в кондиционировании воздуха может возникнуть и на глубине, меньшей 1270 м. Из других районов, где можно ожидать высокую температуру воздуха в шахте, можно указать на медноколчеданные рудники Урала, разрабатывающие руды, склонные к самонагреванию, и на некоторые глубокие поли металлические рудники (Садонский рудник).
Так как охлаждение воздуха является весьма дорогостоящим мероприятием, то прежде чем его осуществить следует рассмотреть возможность применения других, более дешевых способов, а именно:
1)подачу увеличенных объемов воздуха;
2)сокращение пути движения воздуха к рабочим блокам путем проходки вспомогательных вентиляционных стволов или скважин большого диаметра;
3)охлаждение сжатого воздуха;
4)распыление воды, при этом, однако, повышается влажность
воздуха; 5) накапливание холода в зимнее время путем намораживания
льда в подземных камерах;
6)применение переносных воздухоохладителей, предложенных
К.В. Кочиевым; они состоят из пакета деревянных реек, заключен ных в кожух из оцинкованного железа; на рейки непрерывно по дается вода, которая охлаждает воздух, просасываемый через охла дитель вентилятором;
7) |
использование талых ледниковых вод (Садонский |
рудник); |
8) |
изоляцию стенок выработок, по которым движется |
воздух; |
чаще применяется изоляция вентиляционных труб при нагнетатель ном способе проветривания.
В зарубежных странах испытаны следующие способы предохра нения воздуха в трубах от нагревания: а) изготовление труб из стек ловолокна с внутренней изоляцией из пенопласта; б) металлические трубы с наружной изоляцией; в) металлические трубы с двойными стенками с воздушной изоляцией или с заполнением уретановой пеной; г) трубы из полиэтилена с изоляцией из стекловолокна и на ружной оболочкой из водонепроницаемой ткани.
Укажем, наконец, на предложенный во Франции [33] способ уменьшения количества воды, испаряющейся в подземных выработ ках путем создания на воде пленок или добавления к воде минераль ных солей. Наиболее перспективными, с учетом их стоимости, оказа лись для воздуха с влажностью от 70 до 90% следующие соли: NaCl, СаС12, MgCl2, NH4C1, Ca(N03)2 и NH4N 03 при отношениях их стои мости 1 : 1,57; 2,0; 4,0; 3,17; 4,67; 8,0. Пять .наилучших добавок
вконцентрации от 7 до 10% и от 11 до 15% могут уменьшить количе ство испаряющейся воды в два раза.
Внастоящее время искусственное охлаждение воздуха, поступа ющего в рудник, осуществляется различными способами:
1)местным охлаждением передвижными холодильными маши нами (применяют обычно при проходке выработок);
2)общим охлаждением на поверхности всего воздуха, поступа ющего в рудник (охлаждение воздуха осуществляется в аммиачных холодильных установках); этот способ малоэффективен, так как воз дух на пути следования снова нагревается;
в) охлаждением на поверхности рассолов, поступающих в рудник;
ввоздухоохладителе они понижают температуру воздуха;
г) холодильной установкой, расположенной под землей; при этом могут быть два варианта: все узлы установки расположены под землей или система охлаждения конденсатора вынесена на по верхность.
Вподземных холодильных установках применяют различные разновидности газа фреона.
Внастоящее время холодильные установки в СССР работают только на угольных шахтах Донбасса (1967 г.). По опубликованным данным в зарубежных странах холодильные установки сооружены: 27 — на золоторудных шахтах, 2 — на медных рудниках и 5 — на угольных шахтах. Более подробные данные об охлаждении воздуха
на рудниках сообщаются в работах [33] и [95].
§ 5. Температурный режим рудников в зоне вечной мерзлоты
Область вечной мерзлоты занимает в СССР огромную площадь, составляющую почти половину нашей территории [36].
Первой особенностью шахт и рудников, расположенных в зоне вечной мерзлоты, является низкая температура воздуха в них. Так, на шахте «Центральная» в Сангарах (ЯАССР) температура по ступающего воздуха зимой —45° С. Лишь в очистных забоях воздух, пройдя по подземным выработкам 2000 ж, нагревается до —3, —5° С.
Летом в этих забоях температура также отрицательная, а именно
—2° С (рис. 66).
Врезультате простудные заболевания рабочих весьма часты и
число их превосходит обычный уровень: при ведении горных работ в толще мерзлых пород простудные заболевания рабочих в 3—6 раз чаще, чем на поверхности.
Второй особенностью рассматриваемых рудников является боль шая запыленность воздуха, нередко в сотни раз превышающая сани тарные нормы. При этом содержание пыли в атмосфере горных вы работок зимой в 5—10 раз выше, чем летом.
Третьей особенностью следует считать своеобразное влияние теплового режима выработок, пройденных в зоне вечной мерзлоты, на устойчивость боковых пород: замерзшие в течение долгой и суро вой зимы боковые породы при наступлении лета оттаивают, что при водит к резкому увеличению нагрузок па крепь и нередко к ее по ломке; кровля в незакрепленных выработках обрушается. Поэтому Госгортехнадзор разрешил не выполнять требование Правил без опасности о подогреве поступающего в рудник воздуха до +2° С.
Характерными чертами теплового режима рудников, располо
женных в зоне вечной мерзлоты, являются:
1) интенсивный теплообмен между поступающим воздухом и гор ными породами в начале пути его движения как в летнее, так и в зим нее время, обусловленный большим температурным перепадом:
так, летом сразу после поступления в рудник воздух на расстоянии первых 100 м охлаждается на 5—10° С и зимой нагревается на том же расстоянии на 10—20° С при сохранении отрицательной темпера туры во всех отдаленных выработках в течение всего года;
2)распространение зоны положительной температуры в летний период на первые 300—600 м при максимальной глубине талой зоны вокруг выработок до 1,5—3 м\
3)постепенное сокращение годовой амплитуды температурных
колебаний от 60—75° С в начале пути до 3—10° С в очистных забоях;
4)отставание температурных колебаний в выработках от колеба ний на поверхности (максимальпых и минимальных температур) примерно па 1 месяц; тоже нулевой температуры — на 1,5—2 месяца;
5)ежегодное накопление льда в воздухоподающих выработках
и«подсушка» пород в выработках, прилегающих к очистным забоям. Указанные резкие колебания температуры поступающего воз
духа при почти постоянной температуре исходящей струи приводят к тому, что величина естественной тяги колеблется в очень широких пределах. В ряде случаев она превосходит депрессию вентилятора. Это позволяет в холодное время года останавливать вентилятор [36]. С другой стороны, многочисленные связи подземных выработок
споверхностью приводят к неустойчивости вентиляционного режима, перераспределению воздуха между участками и даже опрокидыванию воздушных потоков, что нежелательно и опасно. Особенно резки суточные колебания воздуха на россыпных шахтах.
Нельзя рассчитывать на существенное улучшение температурных условий даже при подогреве поступающего воздуха до сравнительно высоких положительных температур — слишком высока отрицатель ная радиация обнаженных мерзлых пород. Поэтому одновременно
собщим регулированием теплового режима предложено использо вать для периодического обогрева рабочих лучисто-контактные обо греватели или переносные лампы инфракрасного излучения; эти средства местного обогрева должны обеспечить направленный тепло вой поток не менее 150—200 ккал/ч на одного человека.
Повышенную запыленность воздуха на рудниках, работающих в области вечной мерзлоты, можно объяснить следующим образом. С наступлением относительно теплой погоды поступающий в подзем ные выработки более влажный воздух отдает часть своей влаги, которая, конденсируясь на взвешенных в воздухе пылинках, утяже ляет их, они коагулируют в хлопья и, оседая на почву, выпадают из воздушного потока; происходит интенсивное естественное пылеподавление. Так продолжается весь теплый период года. С наступлением холодов вместо конденсации влаги происходит нагревание поступа ющего холодного воздуха, конденсационные процессы сменяются испарительными, пыль подсушивается, взметается и запыленность резко возрастает.
Предложены следующие возможные схемы пылеподавления мест ным охлаждением воздушного потока над источником пылеобразования:
вода замерзает и образует ледяной массив. В теплое время года через камеру пропускается нагретый воздух, который в ней охлаждается за счет таяния льда;
2) весьма перспективны так называемые гидрокалориферные установки, в которых используется тот же принцип, что и в траншеях: в них вода подается на башню, где разбрызгивается форсунками; внизу башни поступает холодный воздух (см. рис. 67); вода, падая, замерзает в виде шуги и отнимает холод у воздуха, который при этом нагревается. Опыты, выполненные зимой 1967 г. в ЛГИ, полно стью подтвердили возможность подогрева воздуха указанным спо собом.
Предложены формулы для расчета расхода воды при обоих спо собах подогрева воздуха.
Экономические расчеты показывают, что по сравнению с обыч ными калориферными и холодильными установками воздухопода ющие траншеи со льдом в сочетании с гидрокалориферами позволяют снизить затраты в 4—5 раз для рудников и только гидрокалориферы для подогрева воздуха в условиях россыпных шахт — в 5—6 раз. Если ежегодные затраты по нагреванию воздуха в паровых калори ферных установках составляют около ПО руб. в год на 1 м3/мин расхода воздуха, то в гидрокалориферах эти затраты равны всего 10 руб. для рудников, работающих в толще мерзлых осадочных пород.
ВЕНТИЛЯЦИЯ РУДНИКОВ
Глава I
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА
При рассмотрении вопросов, связанных с проветриванием рудни ков, пользуются следующими физическими параметрами состояния рудничного воздуха: температура, влажность, теплоемкость, плот ность, удельный вес, вязкость и давление.
Температура воздуха — весьма важный физический параметр состояния воздуха. Она характеризует степень нагрева рудничного воздуха. Температуру рудничного воздуха измеряют в градусах Цельсия. В некоторых случаях пользуются показателями абсолют ной температуры, т. е. температуры, отсчитываемой от абсолютного нуля. Абсолютная температура связана с температурой, измеряемой
вградусах Цельсия, соотношением
Г= 273 + *.
Врудничной вентиляции за нормальную температуру прини мается + 15° С.
Влажность воздуха оценивается в абсолютных или в относитель ных величинах. Соответственно этому различают абсолютную и от носительную влажность воздуха.
А б с о л ю т н о й влажностью воздуха называется количество водяного пара в граммах, содержащееся в 1 м3 воздуха. Воздух, содержащий предельное при данной температуре количество водяного
пара, называется н а с ы щ е н н ы м .
О т н о с и т е л ь н о й влажностью (п) воздуха называется или отношение содержащихся в каком-нибудь объеме водяных паров к максимально возможному их содержанию при данной температуре, или отношение давления пара р1Щ)1 находящегося в воздухе, к да влению пара рпас, насыщающего пространство при той же темпера-г туре.
Относительная влажность дается обычно в процентах:
п= Ршф _юо°б. Рнао
Теплоемкость воздуха. Т е п л о е м к о с т ь ю воздуха с на зывается количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы
повысить температуру единицы веса (1 кг) воздуха на |
1° С. |
Различают теплоемкость воздуха при постоянном |
объеме св |
п при постоянном давлении ср. Теплоемкость ср всегда |
больше, чем |
с/;, так как некоторое добавочное количество тепла затрачивается на расширение воздуха. Теплоемкость воздуха зависит от темпера туры. Однако при тех температурах воздуха, которые встречаются в подземных выработках, можно принять теплоемкость рудничного
воздуха постоянной и равной: |
с0 |
= |
0,170 ккал/кг-град; |
ср = |
= 0,239 ккал/кг-град. Отношение |
ср\ |
сс |
= к — есть величина, |
по |
стоянная для каждого газа; для воздуха к = 1,41. |
|
||||
V |
Плотность воздуха. Отношение массы воздуха М к его объему |
||||
называется м а с с о в о й |
п л о т н о с т ь ю воздуха. |
Плот |
|||
ность выражается |
формулой |
|
|
||
|
|
Р |
М_ |
кг • сек2 |
( 3 ) |
где |
G — вес; |
V |
|
||
|
|
|
|
||
|
g — ускорение силы тяжести. |
|
|||
|
В рудничной |
вентиляции |
за стандартную плотность |
воздуха |
|
принимается р = |
К2 - сек2 |
что соответствует воздуху при |
|||
0,122— |
—, |
температуре 15° С, давлении 760 мм pm. cm. и влажности 60%. Удельный вес воздуха. У д е л ь н ы м в е с о м у воздуха назы
вается вес воздуха в единице объема:
G_
Y V
В рудничной вентиляции за стандартный (нормальный) удельный вес уо воздуха принимается 1,2 кг/м3, что при давлении в одну атмо сферу соответствует весу 1 м3 воздуха при t равной 15° С и влажно сти 60%.
Вязкостью воздуха называется его свойство оказывать сопроти вление касательным усилиям. Причиной вязкости является внутрен нее трение.
Вязкость воздуха характеризуется коэффициентом ц. Его раз мерность кг-сек/м2. Вязкость воздуха увеличивается с возрастанием
температуры; |
при 0° С и давлении 760 мм pm. cm. ц = 1,712* 10“6. |
|
Наряду с |
коэффициентом абсолютной вязкости ц в аэродинамике |
|
пользуются |
также |
к о э ф ф и ц и е н т о м к и н е м а т и ч е с |
к о й в я з к |
о с т и , |
который представляет собой отношение коэф |
фициента вязкости к плотности воздуха: Y = -^, м2/сек.
Значение v для воздуха при температуре +15° С и давлении 760 мм pm. cm. составляет 14,4* 10”G.
Давление воздуха является главной физической величиной, с ко.- торой приходится иметь дело при рассмотрении всех основных во просов, связанных с проветриванием рудников. Давление воздуха измеряется миллиметрами ртутного столба, а разность давлений ввиду небольшой величины этой разницы в шахтных условиях — милли метрами водяного столба.
В рудничной вентиляции приходится встречаться со следующими тремя видами давления воздуха: абсолютным, депрессией и ско ростным.
Абсолютное давление воздуха — это давление, которое оказы вает столб атмосферного воздуха. За нормальное атмосферное давле ние р о принимается давление в 760 мм pm. cm. при 0° С, называется оно физической атмосферой. С изменением высоты Н над уровнем
моря давление р 0 изменяется |
следующим образом: |
|
|
|
||||
Высота Я, м |
0 |
100 |
200 |
300 |
500 |
800 |
1000 |
1500 |
Давление р 0, мм pm. cm. |
760 |
754 |
742 |
737 |
716 |
699 |
674 |
635 |
С глубиной давление увеличивается в зависимости от температуры воздуха примерно на 9—10 мм pm. cm. на каждые 100 м вертикаль ного столба воздуха. Так, на глубине 1500 .м давление будет
760 +142,5 = 902,5 мм pm. cm.
В технике для удобства вычислений за атмосферное давление принимают метрическую или техническую атмосферу — давление, равное 1 кГ1см2. Техническая атмосфера равна 0,968 физической атмосферы, или равна 735,56 мм pm. cm., или 10 000 мм вод. cm.
Пользуются также единицей давления бар, представляющей собой давление в 1 млн. дин на 1 см2 (дина — сила, которая массе в 1 г сообщает ускорение в 1 см!сек2). Бар равен 750,08 мм pm. cm. при 0° С.
Физическая атмосфера равна 7Q0 ммрт. cm., или 10333 кг/м2, или
10333 мм вод. cm., или |
1,013 бара. |
1000 кг/м3, |
то давлению |
Так как удельный |
вес воды у равен |
||
в 1 кг/м2 соответствует столб воды высотой |
в 1 : 1000 |
= 0,001 м = |
|
= 1 мм, а давлению в р кг/м2 — столб высотой в р |
мм; другими |
словами, давление, выраженное в кг/м2, численно равняется значе нию того же давления в мм вод. cm.:
р кг/м2 = р, мм вод. cm.
Депрессия. Разница давлений между двумя сечениями движу щегося воздушного потока называется депрессией. Депрессией также называют разницу между атмосферным давлением р 0 и давлением* рвсас, создаваемым всасывающим вентилятором при его работе на руднике, т. е.
Лвсао = (Ро~ Рвсас) ' I 3.6- ММ в°д■Ст• |
(4) |
Напором (компрессией) называют разницу между давлением рпаг, создаваемым нагнетательным вентилятором, и атмосферным давлением, т. е.
Й„аг= |
(Рнаг— Р о ) ‘ 13-6>М М в°д• Ст• |
(5) |
Д е п р е с с и е й |
называется также та разница давления |
воз |
духа между начальным и конечным сечениями какой-нибудь выра ботки, которая вызывает перемещение в ней воздуха. Если обозна чить давления соответственно в начальном и конечном сечениях
участка выработки через |
и рв, |
то депрессия этого участка будет |
|
Кв = (^а— ^в) |
• 13>6 мм вод• ст• |
(6) |
Скоростное давление создается движущимся воздухом. Оно действует в направлении движения воздуха и представляет собой кинетическую энергию потока
|
Ь„ = Щ -,кГ1м', |
(7) |
где v — скорость |
движения воздуха, м/сек; |
|
у — удельный |
вес воздуха, кг/м3; |
|
g — ускорение силы тяжести, м/сек2.
Глава I I
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ВЛАЖНОСТИ, ДАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА
§ 1. Измерение температуры рудничного воздуха
Для измерения температуры воздуха в рудниках применяют пращевые термометры. Пращевые термометры бывают ртутные, со шкалой в пределах от —35° до +45° С и спиртовые, со шкалой от —60 до +35° С. Цена деления шкалы 0,5. Верхний конец термо метров снабжают металлическим колпачком, имеющим ушко, к кото рому привязывается шнур. Колпачок имеет винтовую резьбу, слу жащую для закрепления термометра в футляре. При измерении температуры воздуха в подземных выработках вращают термометр в течение 3—4 мин и затем записывают его показания. В каждом пункте делают по два замера. При этом показания термометров должны быть одинаковыми. В мокрых выработках следует избегать попадания воды на шарик термометра, который следует вытирать насухо перед каждым замером. При взятии отсчета источник света следует располагать позади термометра.
§ 2. Измерение температуры горных пород
Температуру горных пород измеряют а) максимальным или мини мальным термометром, вставляемым в шпур. Устья шпуров закры вают. Чтобы термометр воспринял температуру окружающих пород,