Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

11-19-12_15-51-53 / Аэрология горных предприятий_Лекция_2

.pdf
Скачиваний:
137
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
388.63 Кб
Скачать

Аэрология горных предприятий

Лекция №2

Тема: Контроль параметров атмосферы горных выработок.

Cпособы и средства нормализации состава атмосферы и производственного микроклимата.

Рудничный микроклимат – метеорологические условия в подземных горных выработках шахты или рудника.

Микроклимат шахты или рудника характеризуется:

-совокупностью среднегодовых значений температуры, относительной влажности, давления, скорости движения воздуха и температуры поверхностей выработки;

-изменением этих параметров в течение года и по длине вентиляционного пути.

Значения параметров микроклимата шахты зависят:

1)от геотермических условий месторождения и глубины горных работ, поперечного сечения, типа крепи и протяжённости горных выработок, интенсивности их вентиляции;

2)от тепловыделений машин, электрооборудования, окислительных и других экзотермических или эндотермических процессов;

3)от уровня и колебаний метеорологических параметров на поверхности, условий подогрева, увлажнения и охлаждения рудничного воздуха, а также от процессов его теплообмена и массообмена с окружающим породным массивом.

Микроклимат шахты оказывает непосредственное влияние на технологические условия, безопасность горных работ и производительность труда шахтёров. От него зависят возможность механизации работ, устойчивость многолетнемёрзлых горных пород и опасность их обрушения при оттаивании, условия борьбы с пылью и содержания противопожарных водопроводов, уровень травматизма и пр. Регламентация микроклимата шахты направлена в первую очередь на охрану здоровья шахтёров. В России предельно допустимая температура в выработках составляет 26 °С при скорости воздуха не менее 2 м/с и влажности до 90 %. В других странах пределы иные, например: в Великобритании – 27,8 °С, в ФРГ – 28 °С, в ЮАР – 33,3 °С (по мокрому термометру, при скорости воздуха свыше 0,25 м/с).

Относительная влажность воздуха в шахте меняется от 70-80 % в околоствольных дворах до 90-100 % в конце очистных забоев.

Давление рудничного воздуха возрастает пропорционально глубине, но его изменения и влияние на другие параметры микроклимата шахты незначительны.

Скорость движения воздуха в горных выработках, где постоянно находятся люди, изменяется в пределах 0,25-8 м/с. Комфортные условия работы создаются путём обеспечения оптимальных (рациональных) параметров

микроклимата шахты с одновременным учётом затрат на кондиционирование воздуха и уровня производительности труда. На шахтах Севера применяются подогрев воздуха в холодный период года до умеренной (отрицательной или положительной) температуры (при обеспечении устойчивости выработок), рециркуляционное проветривание и др. Наиболее перспективно обеспечение необходимого уровня параметров микроклимата шахты с использованием природных и вторичных ресурсов тепла и холода.

Микроклимат карьера – климат приземного слоя воздуха в карьере или внутренней среды в кабинах карьерного оборудования. Характеризуется сочетанием основных параметров, действующих на организм человека: температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха и температуры окружающих поверхностей. Их значения и изменения во времени

вкарьере зависят от их величины на прилегающей местности, глубины карьера, физических характеристик пород откосов, притока солнечной радиации и других факторов. Параметры микроклимата карьера изменяются с развитием горных работ и с увеличением глубины карьера.

Изменение температуры воздуха в карьере соответствует её годовому ходу на прилегающей местности, максимальные значения отмечаются летом и

вдневное время, а минимальные – зимой в ночное время. Отличие температуры воздуха в карьере от прилегающей местности определяется состоянием атмосферы в нём:

1)при неустойчивом – температура воздуха возрастает с глубиной карьера на 1 °С и более на каждые 100 м;

2)при безразличном – температура воздуха с глубиной не меняется;

3)при устойчивом и инверсионном – температура воздуха уменьшается с глубиной.

Изменение относительной влажности воздуха в карьере в течение года и суток имеет обратный характер по сравнению с температурой воздуха. Её величина зависит от влажности и температуры горной породы, притока воды в карьер и скорости движения воздуха в нём. Относительная влажность воздуха в карьере по сравнению с поверхностью, как правило, выше в течение суток и всего года.

Скорость движения воздуха в карьере изменяется пропорционально скорости ветра на прилегающей местности, имеет максимальные значения в послеполуденные часы, а минимальные – в ночные и утренние. Скорость и направление ветра в карьере зависят от его типа и геометрии. В карьерах замкнутой формы скорость движения воздуха не превышает половины значения скорости ветра, направление ветра меняется на противоположное в глубокой части карьера и на его подветренном борту. В нагорных карьерах незамкнутой формы значения скорости и направления движения воздуха и ветра одинаковы. Температура поверхности откосов карьера зависит от его географического положения, интенсивности солнечной радиации, ориентации и угла наклона откоса, цвета и влажности слагающих его горных пород, скорости воздушного потока. В летний период, например, температура горной породы

достигает 70-80 °С, что приводит к резким изменениям температуры и относительной

влажности воздуха на отдельных участках и у дна карьера. В целях создания благоприятного для работы микроклимата в карьерах применяют активное проветривание внутрикарьерного пространства, осушение горных пород и пр.

Микроклимат в кабине карьерного оборудования определяется тепловыделением в ней и микроклиматическими параметрами приземного слоя. Температура, относительная влажность и скорость движения воздуха в кабине регламентируются для тёплого и холодного периодов года исходя из категории работ по тяжести и тепловой нагрузки в кабине. Значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне на постоянных рабочих местах при тяжёлой работе: в холодный период года (при температуре наружного воздуха ниже 10 °С) соответственно температура в кабине должна быть 13-18 °С, влажность воздуха не более 75 %, скорость воздуха не более 0,5 м/с; в тёплый период года (при температуре наружного воздуха 10 °С и выше) температура в кабине не выше 26 °С, влажность воздуха не выше 75 %, скорость воздуха не выше 1 м/с. Температура нагретых поверхностей оборудования в кабине не должна превышать 45 °С. Тепловая нагрузка в кабинах оценивается исходя из тепловыделений от электрических и других двигателей и потребителей энергии, а также из величины солнечной радиации, зависящей от района расположения карьера. Регламентируемые параметры микроклимата в кабине поддерживаются с помощью вентиляции, воздушного душирования и кондиционирования, а в холодный – отопления. Для работающих вне кабин предусматриваются использование спецодежды, спецобуви и других средств индивидуальной защиты, а также рациональный режим труда и отдыха.

Микроклимат подземных сооружений.

Повышение эффективности использования городского пространства невозможно себе представить без расширения и совершенствования сети подземных сооружений. Не смотря на то, что пики роста темпов урбанизации в разных странах прошли в середине и второй половине 20 века, население городов продолжает расти, тем самым обеспечивая постоянный рост плотности их заселения. В большом количестве случаев, лишь разумное и ответственное использование подземных пространств позволяет разрешить накапливающиеся проблемы крупных поселений и городов.

Типы подземных сооружений бывают:

Точечные объекты (гаражи, склады, подвалы, бомбоубежища); Линейные объекты (транспортные тоннели и тоннели метрополитена,

коллекторы для прокладки коммуникаций, собственно, сюда же относятся и шахтные выработки); Линейные объекты в свою очередь различаются:

-По возрасту - старые, сравнительно новые и новые;

-По глубине залегания - большой, средней и малой глубины;

-По структуре - разветвленные и регулярные;

-По типу и характеру заполнения - с тепловой сетью (и другими источниками тепла) и без них;

-По степени заполнения канала - с низкой, средней и высокой загрузкой;

-По форме сечения канала - прямоугольные и круглые.

Особенности систем вентиляции различных типов подземных сооружений.

-Точечные объекты - для них характерны подходы и требования, применяемые для аналогичных надземных сооружений.

-Шахтные выработки - преимущественно вытяжная вентиляция.

-Транспортные тоннели - могут предусматриваться как с естественным проветриванием, так и с искусственным побуждением.

Естественная вентиляция работает преимущественно в тоннелях не глубокого залегания. Кроме того, в целом ряде случаев, для проветривания объемов подземных сооружений задействуются силы и средства действующих в тоннелях технологических систем. В качестве примера можно привести организацию проветривания станций и тоннелей метрополитенов осуществляемую посредством поршневого действия движущихся электропоездов.

Всистемах с искусственным побуждением возможны два различных способа распределения воздуха: продольный (с использованием тоннеля, как канала для движения воздуха) и поперечный (с прокладкой дополнительного воздушного канала вдоль тоннеля с возможностью распределения приточного воздуха в различных точках по длине подземного сооружения). Кроме того возможно применение комбинированных схем.

Вавтомобильных тоннелях наибольшее распространение получили как раз продольный и продольно-поперечный способы распределения воздуха.

Втоннелях и на станциях метрополитена схему распределения воздуха и организации проветривания выбирают исходя из технико-экономического обоснования с учетом климатических характеристик района строительства. Наиболее частым оптимумом в таком случае оказывается т.н. реверсивная схема проветривания, когда в холодный период года наружный воздух подается через перегонные венткамеры в тоннели и подогреваясь естественным образом попадает на станции, а в теплый период года - наоборот, наружный воздух подается непосредственно на станции, а выходит через перегонные венткамеры на земную поверхность, вынося скопившиеся в тоннелях вредности.

Вколлекторах подземных коммуникаций применяются схемы с продольным распределением воздуха.

Особую роль в исследовании воздушно-тепловых режимов подземных сооружений в современных условиях начинает приобретать учет специфики взаимовлияния сооружения и окружающего их грунта, а так же особенности влияния подземных сооружений на экосистемы в которые они встраиваются.

Основные факторы вредного воздействия на микроклимат подземных сооружений.

Не редко принято считать, что требования к параметрам внутреннего микроклимата подземных сооружений и особенности их формирующие не имеют особой специфики и могут рассматриваться традиционным образом, сложившимся для обычных зданий и сооружений. Однако это не так. Наряду с вполне общими для всех зданий и сооружений факторами, в подземных сооружениях оказываются значимыми и свои, иногда не достаточно изученные особенности. Рассмотрим по порядку основные факторы, определяющие состояние воздушно-теплового и газового режима помещений на примере метрополитенов.

В сооружениях метрополитена выделяются следующие вредности: Избыточное тепло, выделяющееся от подвижных составов (поездов),

освещения, приточных вентиляционных установок основной тоннельной вентиляции, местных вентиляционных установок в тоннелях и притоннельных сооружениях, от кабельной сети, токоведущих рельсов, эскалаторов, электротехнических установок (тяговых и понизительных электроподстанций, выпрямительных аккумуляторных, электрораспределительных устройств, пультов управления и т. п.), от пассажиров и обслуживающего персонала.

Влага, увлажняющая тоннельный воздух, выделяется от дыхания и потовыделения пассажиров и обслуживающего персонала, в результате испарения с поверхности тоннелей, смачиваемых грунтовой водой, проникающей в тоннели через неплотности гидроизоляции, а также в периоды мытья тоннелей и платформ станций.

Газы, выделяемые пассажирами и обслуживающим персоналом (углекислый газ), а также проникающие в тоннели через неплотности гидроизоляции совместно с грунтовой водой. Так, в случае расположения тоннелей в известняках в воздух поступает (в незначительных количествах) углекислый газ, растворенный в грунтовой воде. При строительстве метрополитена в районах, имеющих в грунтах на уровне расположения сооружений минеральные (термальные) воды, источники которых пересекают трассу тоннелей, можно ожидать проникновения в тоннели через неплотности гидроизоляции вместе с грунтовой водой в обильном количестве растворенных в воде и свободных газов: сероводорода, углекислого газа и других, что в значительной степени может усложнить систему вентиляции тоннелей. В таких районах следует проводить тщательные изыскания, а при строительстве применять специальные меры для выполнения высококачественной гидро- и газоизоляции.

Часто минеральные (термальные) воды имеют температуру настолько высокую (выше 30 °С), что она может явиться дополнительным источником тепловыделения. Это также должно учитываться при проектировании строительных конструкций и вентиляции.

Аккумуляторные батареи, расположенные в понизительных электроподстанциях, тоже являются источником загрязнения воздуха аэрозолями серной кислоты или едких щелочей (в зависимости от типа применяемых аккумуляторов) и водорода, выделяющихся из электролита. Водород может создать в воздухе в определенных условиях взрывоопасную концентрацию.

Пыль, образующаяся в тоннелях вследствие истирания рельсов, колесных бандажей и тормозных колодок подвижного состава, а также вследствие выветривания полотна пути и обделки тоннелей и вносимая с обувью пассажиров с улицы, также представляет собой вредность.

Маслянистый туман, являющийся вредностью, образуется от охлаждения паров минеральных масел и керосина, применяемых для смазки и промывки подвижных частей вагонов и испаряющихся с этих поверхностей в воздушную среду тоннелей вследствие нагрева поверхности при движении поездов.

Микробиологическая обсеменненость воздуха, представляющая собой вредность, возникает от людей особенно в вагонах и на станциях в периоды наибольшего скопления пассажиров в часы «пик».

Однако воздухообмен в метрополитенах, определяемый по тепловыделениям и влаговыделениям, при подаче наружного воздуха на одного человека не менее 50 м3/ч гарантирует поддержание в воздухе тоннелей концентрации углекислого газа (CO2), выделяемого людьми, маслянистого тумана и микробиологической обсемененности в пределах санитарных норм.

Потоки воздуха, создающие большие скорости воздуха на станциях вследствие поршневого действия поездов, особенно в тоннелях мелкого заложения, имеющих малое живое сечение. Потоки воздуха с большими скоростями, поступающие с перегона на станцию, вызывают неприятные ощущения «дутья» у обслуживающего персонала на платформе станции, а также создают избыточное давление и разрежение, вызывающие большие сквозняки в дверных проемах вестибюлей, распахивающие двери, что может привести к травмам пассажиров.

Вредности, содержащиеся в наружном воздухе, вносятся вентиляционной системой в сооружения метрополитена. Состав этих вредностей и их концентраций зависит как от климатических особенностей района, так и от количества промышленных предприятий, характера и уровня очистки промышленных газов, выпускаемых в атмосферу.

Как правило, наружный воздух, подаваемый в тоннели вентиляционной системой, не обрабатывается. Однако в некоторых случаях для упрощения эксплуатации метрополитена и повышения надежности его действия приходится прибегать к обработке воздуха.

Например, в случае строительства метрополитена в районах, имеющих сильно запыленный воздух, для сокращения эксплуатационных затрат по очистке тоннелей и оборудования имеет смысл очищать наружный воздух от пыли до его поступления в тоннели.

В случаях высокой влажности и температуры наружного воздуха при низких температурах грунта и небольших тепловыделениях в тоннелях (малая частота движения подвижных составов) во избежание появления конденсата на внутренних поверхностях тоннелей и станций, наличие которого приводит к отсыреванию электротехнического оборудования, может появиться необходимость в осушении наружного воздуха или в устройстве местных подогревов электротехнического оборудования.

Всякая обработка наружного воздуха сопряжена с усложнением эксплуатации и увеличением эксплуатационных затрат, поэтому эти мероприятия должны иметь технико-экономическое обоснование.

Вентиляция тоннелей метрополитена предусматривается для извлечения на поверхность выделяющихся в них вредностей, а также для поддержания в тоннелях заданных метеорологических условий и химического состава воздуха. Основным параметром системы вентиляции является расход подаваемого и удаляемого воздуха, который для проектируемого участка должен удовлетворять следующим требованиям:

баланс между количеством приточного и вытяжного воздуха с преобладанием количества приточного воздуха на 1520 % (выполнение этого требования ориентировано на приточно-вытяжные системы с механическим побуждением и должно препятствовать возникновению зон застойного воздуха

впомещениях сооружений метрополитена, находящихся вне главной вентиляционной струи тоннельной вентиляции);

обеспечения не менее чем трехкратного воздухообмена в час по внутреннему объему пассажирских и других помещений, обслуживаемых тоннельной вентиляцией;

подача наружного воздуха не менее 30 м3/ч, а в часы пик – не менее 50 м3/ч на одного пассажира;

в пассажирских помещениях (за исключением открытых наземных платформ и переходов) должны быть обеспечены следующие допустимые параметры показателей микроклимата:

а) в теплый период года (среднесуточная температура наружного воздуха выше 10 °C): температура воздуха от 18 до 28 °C, средняя скорость движения воздуха 0,5÷2,0 м/с;

б) в холодный период года (среднесуточная температура наружного воздуха равна или ниже 10 °C): температура воздуха от 10 до 16 °C, средняя скорость движения воздуха 0,1÷1,0 м/с.

содержание загрязняющих веществ в воздухе тоннелей и пассажирских помещений не должно превышать максимальных разовых предельно допустимых концентраций для атмосферного воздуха населенных

мест с учетом фоновых концентраций этих веществ в местах размещения воздухоприемных устройств, концентрация смешанной пыли 0,5 мг/м3, содержание двуокиси углерода - в летнее время 0,1 %, а в остальные сезоны года 0,12 % по объему;

обеспечивать дымоудаление при пожаре на станции или в тоннеле. Безопасная и эффективная эксплуатация подземных сооружений определяется возможностью создания в них необходимых тепловых условий и

связана с обеспечением:

санитарно-гигиенических норм, предусматривающих отсутствие необратимых физиологических изменений в организме людей, чья деятельность связана с работой, обслуживанием, или пребыванием в подземных сооружениях;

технологических требований, как предотвращающих возникновение аварийных ситуаций, угрожающих здоровью и жизни людей, так и направленных на создание рационального эксплуатационного режима.

Особенностями проветривания метрополитенов мелкого заложения в условиях резко-континентального климата Западной Сибири являются:

необходимость отключения тоннельной вентиляции при снижении температуры атмосферного воздуха ниже 8 °С с целью недопущения переохлаждения водонесущих коммуникаций в тоннеле и сохранения теплового баланса на станциях. В связи с этим время работы тоннельной вентиляции ограничивается промежутком «тёплого» периода года с мая по октябрь;

в зимний период года при наступлении устойчивых холодов температура в пассажирских помещениях тупиковых станций и станций, расположенных рядом с выходом линии метрополитена на земную поверхность (например, порталы метромоста), может опуститься ниже нормативной;

пути движения воздуха через тоннельные сооружения и станции к земной поверхности имеют малые аэродинамические сопротивления, что позволяет использовать поршневое воздействие поездов в качестве вентиляционной нагрузки при проветривании помещений и сооружений.

Системы тоннельной вентиляции метрополитенов проектируются с учетом в первую очередь годового теплового баланса, обеспечивающего в тоннелях и на станциях допустимые параметры температуры и относительной влажности воздуха в тоннелях. На тепловой баланс тоннелей существенное влияние оказывает глубина заложения подземных выработок, которая на разных участках метрополитена может отличаться на порядок. Следовательно, на различных участках метро влияние колебаний параметров атмосферного воздуха (температура и влажность) существенно неравномерно. Это обусловливает неравномерность требуемых параметров вентиляционных режимов.

Вентиляция метрополитенов, эксплуатирующихся в регионах с резкоконтинентальным климатом, например, в Сибири, имеет свои особенности. В

первую очередь к ним относится сезонный характер работы вентиляции. Например, более чем двадцатилетний опыт эксплуатации Новосибирского метрополитена показал, что для сохранения требуемых температур на станциях и в тоннелях вентиляционная система должна отключаться при появлении отрицательных среднесуточных температур атмосферного воздуха. Это обусловлено, главным образом, недостаточными теплоаккумулирующими возможностями вентиляционных шахт и тоннелей из-за их мелкого заложения.

Отрицательные среднесуточные температуры в условиях Западной Сибири имеют место с октября по апрель месяц включительно. В этот период вентиляция тоннелей и станций осуществляется за счет поршневого действия поездов и естественной тяги. Доля естественной тяги (при отрицательных температурах атмосферного воздуха) составляет 1228 % от всего воздухообмена. Вентиляционные агрегаты в венткамерах на станциях и перегонах отключены и находятся в состоянии готовности к выполнению аварийного режима, вентиляционные каналы перекрыты затворами ГО. Опыт эксплуатации показывает, что при любой технологической схеме, включение системы вентиляции в холодный период года приводит к переохлаждению тоннельного воздуха и строительных конструкций вентиляционных и путевых тоннелей.

Горные выработки, как при строительстве, так и при их эксплуатации, должны эффективно проветриваться в соответствии с ПБ. Чтобы обеспечить движение воздуха в горных выработках в необходимом количестве и направлении, требуется создать перепад давления. В зависимости от того, каким образом обеспечивается необходимый перепад давлений воздуха по пути его движения, различают нагнетательный, всасывающий и комбинированный способы вентиляции.

Нагнетательный способ вентиляции (рис. а) состоит в том, что перепад давлений в шахте создается путем повышения давления воздуха вентилятором, который нагнетает воздух в воздухоподающий ствол. За счет механической энергии вентилятора нормальное атмосферное давление воздуха Р0 увеличивается на выходе из вентилятора до величины Р1, а в устье ствола, выдающего воздух на поверхность, оно становится равным атмосферному.

Таким образом, в выработках шахты создается перепад давлений, который представляет собой депрессию шахты

h = Р1 Р0

Достоинствами нагнетательной схемы являются: применение одной вентиляционной установки; возможность ведения горных работ без общего вентиляционного горизонта; большая устойчивость работы главного вентилятора; отсутствие подсосов воздуха с поверхности при малых глубинах разработки и добычи полезного ископаемого, что исключает поступление вредных примесей и газов из выработанного пространства шахты.

К недостаткам можно отнести: необходимость устройства герметичного надшахтного здания воздухоподающего ствола; строительство мощных главных вентиляторов.

Способы проветривания шахт:

а– нагнетательный; б – всасывающий;

в– комбинированный (нагнетательно-всасывающий)

Всасывающий способ вентиляции (рис. б) основан на том, что необходимый для движения воздуха перепад давлений создается разрежением воздуха вентилятором в устье ствола, выдающем воздух. За счет работы вентилятора давление воздуха в устье ствола снижается по сравнению с атмосферным давлением. В этом случае депрессия шахты определится как разность между атмосферным давлением на земной поверхности Р0 и давлением воздуха в устье ствола Р2:

h = Р0 Р2

При всасывающем способе давление воздуха в любой точке горных выработок ниже нормального барометрического. Поэтому, в случае остановки вентилятора воздух с поверхности будет поступать в горные выработки под действием разности давлений. Это является важным достоинством способа проветривания для газовых шахт. При всасывающем способе проветривания может быть применена как одна центральная установка, так и несколько на фланговых стволах.

Основным и самым важным недостатком всасывающей схемы проветривания являются подсосы воздуха как с выработанного пространства в шахте, так и через поверхность при неглубоких шахтах, что существенно «загрязняет» рудничную атмосферу газами, а при углях, склонных к самовозгоранию, может вызвать возгорание. Поэтому этот способ используется,