11-19-12_15-51-53 / Аэрология горных предприятий_Лекция_4

Аэрология горных предприятий

Лекция №4

Тема: Основные законы аэромеханики горных предприятий. Часть 2

Естественная тяга.

Под естественной тягой воздуха в шахтной вентиляционной сети следует понимать естественно возникающую разность давлений в горных выработках, способствующую произвольному движению воздуха при отсутствии работы принудительных средств вентиляции.

Причиной естественной тяги в шахте служит, в основном, разность температур или давлений в точках входа и выхода воздушной струи из шахты. Естественная тяга возникает при наличии в шахте вертикальных или наклонных выработок.

Примеры образования естественной тяги.

1. Естественная тяга на рудниках, разрабатывающих месторождения через штольню (рис. а), образуется вследствие разницы удельного веса столбов воздуха AC и BB1. Зимой вес наружного столба воздуха BB1 тяжелее столба AC, и воздух в рудник поступает по штольне. Летом вес столба воздуха AC тяжелее веса столба BB1, и в руднике наблюдается обратное движение воздуха в направлении от устья вертикального ствола к устью штольни.

Рис. Схема образования естественной тяги: а – при вскрытии месторождения штольней; б – при вскрытии месторождения вертикальными стволами, устья которых расположены на различных уровнях.

2. Естественная тяга возникает тогда, когда имеются два ствола шахты, устья которых расположены на различных уровнях (рис. б). Зимой столб воздуха A1B (как более тяжелый) будет вытеснять из рудника более легкий столб воздуха DC, поэтому ствол AB будет принимать воздух. Летом движение воздуха в руднике будет обратное.

3.Устья обоих стволов шахт находятся на одном уровне. При этом нет причин, которые вызывали бы разность температур воздуха в обоих стволах, и поэтому естественная тяга отсутствует или очень мала. Но бывают рудники, в которых при данном расположении устьев стволов все же по разным причинам возникает естественная тяга (например, в одном из стволов заметен сильный капеж воды; капающая вода охлаждает воздух и, кроме того, чисто механически увлекает своими каплями частицы воздуха; воздух в этом стволе будет всегда опускаться вниз, а по сухому стволу подниматься вверх).

4.Естественная тяга возникает даже в том случае, когда имеется только один ствол (например, при его проходке). В этом случае холодный воздух опускается вниз около стенок, а нагретый посередине ствола поднимается вверх. Это характерный пример наличия стратификации потока в выработке.

Естественная тяга имеет большое значение при проветривании рудников. Она проявляется в той или иной степени во всех рудниках вне зависимости от того, проветриваются ли они вентиляторами или только естественной тягой. Величина ее иногда бывает такой значительной, что вполне обеспечивает проветривание рудника.

Установлено, что при естественной тяге проветривание горных выработок осуществляется более совершенно даже при меньшем количестве поступающего в рудник воздуха, чем при проветривании вентиляторами. Это объясняется тем, что при искусственной вентиляции наибольшее разрежение получается в канале вентилятора, и воздух от подающего ствола к вентиляционному движется по пути наименьшего сопротивления; проветривание же очистных и подготовительных выработок затрудняется.

При естественной вентиляции нагретый воздух из отдельных забоев устремляется по восстающим к вентиляционному стволу, а из воздухоподающего ствола направляется холодный воздух, который только после того, как он проветрит забои, направляется в исходящую струю.

При искусственном проветривании рудников естественная тяга оказывает влияние на работу вентилятора. В случае совпадения направления естественной тяги с депрессией вентилятора она помогает работе вентилятора, а при противоположном направление – препятствует его работе. Это влияние естественной тяги особенно заметно проявляется в глубоких шахтах и нагорных рудниках.

В нагорных рудниках имеются еще и специфические особенности возникновения и проявления естественной тяги вследствие активной аэродинамической связи горных выработок с земной поверхностью через зоны обрушения. Кроме того, суровые климатические условия, обусловленные географическим расположением нагорных рудников, повышают величину возникающей естественной тяги. Поэтому величину естественной тяги необходимо учитывать каждый раз при выборе вентилятора и при производстве вентиляционных расчетов, связанных с проветриванием шахт.

Недостаток естественной тяги: непостоянство подаваемого в шахту количества воздуха, так как депрессия естественной тяги, зависящая от

температуры поступающего воздуха, может менять свою величину и направление не только в течение года, но и в течение суток. Естественное проветривание по Правилам безопасности разрешается только для шахт, не опасных по газу и пыли, самовозгоранию и взрывам сульфидной пыли.

Расчет депрессии естественной тяги

Расчет депрессии естественной тяги hе по существу сводится к определению состава или состояния воздуха в воздухоподающем и воздуховыдающем стволах, между стволами или горизонтами. В связи с этим для расчета депрессии естественной тяги могут применяться гидростатические и термодинамические методы.

Для расчета hе гидростатическим методом определяется разность аэростатических давлений воздуха в двух стволах, между стволами или горизонтами. Согласно формуле М.М. Протодьяконова,

где p1 и p2 – давление в начале и в конце поступающего и исходящей струи, Па; t1 и t2 – температура воздуха в тех же точках, °C.

t1 следует определять в стволе на глубине 20-30 м.

Следующий способ расчета естественной тяги по формуле В.Б. Комарова:

где p0 – барометрическое давление на уровне нулевой площадки, Па; H – глубина шахты, м; R – газовая постоянная, Дж/моль·К; t3 и t4 – средняя температура воздуха соответственно в воздухоподающем и воздуховыдающем стволах, °C.

При глубине стволов более 100 м значение hе полученное по формуле (40), следует умножить на коэффициент

Формулы (38) и (40) дают близкое значение hе, однако при расчете по первой из них требуется больше замеров p и t для определения удельного веса воздуха.

Термодинамические методы расчета hе основаны на учете изменения состояния воздуха при движении его по выработкам. Диаграмму изменения состояния воздуха можно построить в координатах: температура – глубина соответствующей точки, температура – давление, давление – плотность, температура – энтропия. Температура во всех случаях берется по Кельвину.

Рис. Диаграмма к определению естественной тяги термодинамическим методом

При построении диаграммы изменения состояния воздуха в координатах «глубина H – температура T» (рис.) имеем:

тяжести площади, °C. Для нахождения tц могут использоваться все известные способы определения среднего значения любых параметров. Самый простой из

контуре многоугольника (рис.)

Для рудников и шахт с различными высотными отметками устьев воздухоподающей и воздуховыдающей выработок хорошие результаты дает формула

где γср – среднеконтурный удельный вес воздуха, Н/м3; H1 – разность отметок воздухоподающей и воздуховыдающей выработок, м; tн – температура наружного воздуха на отметке устья воздухоподающей выработки, °C; tср – средняя температура рудничного воздуха, °C.

Измерение депрессии естественной тяги в шахте с искусственной вентиляцией

Существует косвенный метод измерения депрессии естественной тяги, когда при работающем вентиляторе определяют количество воздуха Q0, поступающего в шахту при совместном действии вентилятора и естественной тяги, и депрессию вентилятора hв; затем вентилятор останавливают и измеряют количество воздуха Qе, поступающее в шахту только под действием естественной тяги. Депрессия естественной тяги определяется из системы уравнений

где R – аэродинамическое сопротивление всей шахты.

Перед hе принимается знак «+» при движении воздуха по каналу вентилятора в том же направлении, что и при работающем вентиляторе, и знак «–» – при изменении направления движения воздуха после остановки вентилятора.

Если вентилятор не останавливают, а лишь изменяют режим его работы, то система (44) примет вид

где hв1, hв2, Q1 и Q2 – соответственно депрессии вентилятора и количества воздуха, проходящее по каналу вентилятора при первом и втором режимах работы вентилятора.

+ h

4

2

1

3

–he

–h

Рис. График влияния hе на работу вентиляторов главного проветривания:

1 – характеристика вентилятора; 2 и 3 – суммарная характеристика вентилятора и соответственно положительной и отрицательной естественной тяги; 4 – характеристика сети; Qв – количество воздуха, поступающего в шахту при отсутствии естественной тяги; Q1 и Q2 – расход воздуха соответственно при положительной и отрицательной тяге; h – депрессия

Влияние естественной тяги на работу вентилятора

При графической оценке совместного действия вентилятора и естественной тяги алгебраически суммируются по ординатам характеристики вентилятора и естественной тяги (рис.)

Положительная естественная тяга увеличивает, отрицательная – уменьшает количество воздуха, поступающего в шахту (Q1 > Qв, Q2 < Qв).

Количество воздуха, поступающего в шахту при совместном действии вентилятора и естественной тяги, аналитически определяется из соотношений:

где a, b – эмпирические коэффициенты линейного уравнения, описывающего рабочую часть характеристики вентилятора; a1, b1 - то же, квадратичного уравнения; R – аэродинамическое сопротивление сети, на которую работает вентилятор.

Количество воздуха, поступающего в шахту, увеличивается или уменьшается за счет действия естественной тяги на величину Q1 – Qв, Qв – Q2 (рис.), где Qв – производительность вентилятора при индивидуальной работе на ту же сеть.

Работа вентиляторов на шахтную сеть

Характеристика вентилятора представляет собой график зависимости расхода вентилятора Q от создаваемого им перепада давления h. Характеристика строится путем аэродинамических испытаний вентилятора. Вид и форма ее зависят от конструктивных особенностей вентилятора, его размеров, скорости вращения и пр.

На рис. Приведена типичная характеристика вентилятора. Сплошной линией показан рабочий участок в пределах которого вентилятор имеет достаточно высокий КПД. Пунктиром показаны те части характеристики, работа на которых по разным причинам нецелесообразна (низкий КПД, неустойчивость работы и пр.). В справочниках по вентиляторам обычно приводится только рабочий участок характеристики.

Рис. Общий вид характеристики вентилятора

Работа одиночного вентилятора

При работе одного вентилятора и отсутствии каких-либо других источников тяги возможны режимы с положительными депрессиями и производительностью (расходом).

Для определения режима работы вентилятора на конкретную вентиляционную сеть необходимо совместить на одном графике характеристики вентилятора и сети. Точка их пересечения будет соответствовать режиму работы вентилятора.

Вентилятор пригоден для работы только в том случае, если характеристика сети пересекает характеристику вентилятора на рабочем участке (рис., характеристика сети В). Характеристика сети А пересекает характеристику вентилятора в зоне неустойчивой работы, а характеристика сети С – в зоне низкого КПД.

C

Рис. График к определению режима работы одиночного вентилятора на вентиляционную сеть

Последовательная работа вентиляторов

Последовательной называют такую работу вентиляторов, при которой воздушная струя поочередно и полностью проходит через все вентиляторы (рис.). При этом расходы вентиляторов равны

QI =QII =QIII , …,

а общая депрессия складывается из депрессий всех вентиляторов:

Рис. Схемы последовательной работы вентиляторов I, II, и III, расположенных на одном стволе на поверхности (а), на поверхности и под землей (б), на разных вентиляционных стволах (в), рассредоточено в трубопроводе (г) и сосредоточено в трубопроводе (д)

Последовательную работу двух и более вентиляторов в подземных условиях применяют для повышения их депрессии при большом сопротивлении рудника. При этом возможны следующие схемы расположения вентиляторов в шахтной сети:

1)на одном стволе, когда один из вентиляторов диффузором присоединен

квсасу другого вентилятора (рис. а);

2)на поверхности и под землей, когда один из вентиляторов установлен в выработке, по которой проходит весь шахтный воздух (рис. б);

3)в разных стволах, когда один из вентиляторов работает на нагнетание, а другой – на всасывание (рис. в)

Кроме того, могут быть и различные варианты этих схем. Так, на схеме, показанной ниже, производительность вентилятора 2 составляет только часть производительности главного вентилятора 1, установленного на поверхности.

Рис. Схема последовательной работы вентиляторов

Чтобы установить расход и общую депрессию последовательно работающих вентиляторов, необходимо по их индивидуальным характеристикам I и II построить суммарную (общую) характеристику, которая будет отражать свойства последовательно соединенных вентиляторов.

Для нахождения общего количества воздуха, подаваемого вентиляторами при последовательной работе на данную вентиляционную сеть, необходимо на этой же диаграмме построить характеристику сети. Абсцисса точки пересечения суммарной характеристики с характеристикой сети будет равна общему количеству воздуха, а ордината – суммарной депрессии, развиваемой этими вентиляторами.

В зависимости от аэродинамического сопротивления сети последовательная работа может приводить к увеличению расхода (сеть с характеристикой A, координаты режима при совместной работе – Qобщ и hобщ) и может быть совершенно нерациональной (сеть с характеристикой C), когда вентилятор I будет работать с отрицательной депрессией h'1 и оказывать потоку дополнительное сопротивление.

Для последовательной работы лучше всего применять вентиляторы одного типоразмера, имеющие одно и то же число оборотов рабочего колеса. При этом их совместная последовательная работа всегда дает некоторое увеличение количества воздуха.

Рис. График к определению рабочих режимов при последовательной работе вентиляторов: I и II – характеристики вентиляторов; [I + II] (h) – общая характеристика; А, В и С – характеристики вентиляционных сетей с различным аэродинамическим сопротивлением

При последовательном включении вентиляторов с неодинаковыми характеристиками в зависимости от сопротивления рудника возможны следующие случаи их совместной работы. Характеристика сети A пересекает суммарную характеристику вентиляторов (I + II) левее пограничной точки b (пересечения общей характеристики с характеристикой большого вентилятора).

Вэтом случае общее количество воздуха Qобщ будет больше производительности каждого из вентиляторов при их индивидуальной работе.

Характеристика сети B пересекает суммарную характеристику в точке b; при таком режиме работы производительность большого вентилятора равен индивидуальной производительности малого вентилятора, развивающего меньшую депрессию при работе без сети и без скоростного напора на выходе.

Вэтом случае совместная работа малого вентилятора бесполезна. Характеристика сети C пересекает суммарную характеристику (I + II) в

точке c; при таком режиме работы общее количество воздуха Qобщ будет меньше производительности большого вентилятора при его индивидуальной работе на ту же сеть. В этом случае работа малого вентилятора вредна.