Лекция 6. Естесственная вентиляция шахт

1 Понятие о естесственной вентиляции

2 Депрессия естественной тяги

3 Методы расчета депрессии естесственной тяги

1. Общие сведения

Естественная тяга в рудниках возникает вследствие разности удельных весов воздуха в вертикальных и наклонных выработках.

Разность удельных весов воздуха создается ввиду разности его температур и в меньшей степени зависит от влажности и химического состава воздуха. Примеры образования естественной тяги.

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

2. Естественная тяга возникает тогда, когда имеются два ствола шахты, устья которых расположены на различных уровнях (рис. 1, б). Зимой столб воздуха а'В (как более тяжелый) будет вытеснять из рудника более легкий столб воздуха dC, поэтому ствол аВ будет принимать воздух. Летом движение воздуха в руднике будет обратное.

3. Устья обоих стволов шахт находятся на одном уровне. При этом нет причин, которые вызвали бы разность температур воздуха в обоих стволах, и поэтому естественная тяга отсутствует или очень мала. Могут быть 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.

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. Так, по замерам сотрудников кафедры вентиляции ЛГИ в апатитовом руднике им. Кирова естественная тяга при остановленном вентиляторе обеспечивала поступление в рудник до 5000 м³1мин воздуха. По замерам на другом руднике, проветриваемом только естественной тягой, в зимнее время в рудник поступало около 2000 м³/мин воздуха, что вполне обеспечивало его нормальное проветривание.

Рис. 1. Схема образования естественной тяги:

а — при вскрытии месторождения штольней; б — при вскрытии месторождения вертикальными стволами, устья которых расположены на различных уровнях.

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 направлении 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. Так, на руднике Центральный комбината «Апатит» величина естественной тяги в отдельные дни достигает 40—50 мм вод. ст. 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.

2.Способы замеров депрессии естественной тяги

Существует много способов замера депрессии естественной тяги рудника, однако не все из них получили практическое применение. Рассмотрим некоторые способы замера депрессии естественной тяги.

Измерение естественной тяги в шахтах с естественным проветриванием. Наиболее простым способом является измерение давления воздуха барометром непосредственно в околоствольных дворах воздухо-подающего и вентиляционного стволов. При этом разность отсчетов по барометрам в околоствольных дворах при расположении их на одном геодезическом уровне будет равна депрессии естественной тяги без потери давления на преодоление сопротивления движению воздуха по стволам.

Измерить депрессию естественной тяги барометром можно и другим способом. Для этого в одной из выработок, по которой проходит в рудник все количество воздуха, сооружают временную перемычку с дверями. Затем при плотно закрытых дверях измеряют давление воздуха по ту и другую сторону перемычки. Разность отсчетов по барометрам будет равна полной депрессии естественной тяги.

Замер необходимо производить быстро, чтобы остановленный поток воздуха не успел изменить своей плотности вследствие нагревания или охлаждения его от боковых пород.

Если воздух проходит по нескольким выработкам, то перекрываются все струи, а замер депрессии производится через одну из перемычек.

При наличии в руднике микроманометра или депрессиометра замер депрессии естественной тяги через перемычку рекомендуется производить этими приборами. Более точные результаты получаются при замере микроманометром. Порядок замера при пользовании этими приборами следующий. Устанавливают микроманометр (или депрессиометр) возле перемычки и подсоединяют его к резиновой трубке, пропущенной через перемычку. Затем закрывают дверь и берут отсчет по прибору. При замере депрессиометром разность уровней воды в коленах прибора, соответствующая разности давлений по ту или другую сторону перемычки, будет равна депрессии естественной тяги.

Измерение естественной тяги в шахтах при наличии вентиляторов

Замер естественной тяги через перемычку. Если вентилятор установлен под землей и он работает через перемычку, то депрессиометром, подсоединенным к статическим трубкам по ту и другую сторону перемычки, можно замерять депрессию вентилятора и естественной тяги, так как в этом случае жидкость в коленах депрессиометра будет находиться под действием разности давлений, вызванной работой вентилятора и разностью давления столбов воздуха в стволах шахты.

При остановленном вентиляторе и перекрытии путей движения воздуха депрессиометром можно замерить только одну естественную тягу. Место установки перемычки не имеет значения.

Так, при сооружении перемычки на вентиляционном штреке (рис. 2) на правое колено депрессиометра будет действовать давление:

Р₁ = В₀ + у₁Н_АВ – у₂Н_DC (1)

а на левое колено:

Р₂ =В₀ + у₃Н_EF (2)

где В₀— атмосферное давление.

Таким образом, депрессиометром замеряется:

Р₁ - Р₂ = у₁НАВ – (у₂Н_DC + у₃Н_EF) (3)

т. е. разность давления столбов воздуха АВ и CDEF, равная естественной тяге.

Рис. 2. Измерение естественной тяги с использованием перемычки

на вентиляционном штреке.

Однако в практических условиях не всегда возможно осуществить замер через перемычку. В таких случаях для замера h_e можно использовать имеющиеся в большинстве вентиляторных установок задвижки (шиберы) в канале вентилятора. При замере депрессии естественной тяги опускают один конец резиновой трубки в ствол, а другой конец присоединяют к микроманометру или депрессиометру. Затем останавливают вентилятор, опускают шибер и берут отсчет по прибору. Перепад давления через шибер будет равняться депрессии естественной тяги шахты. При наличии положительной естественной тяги, т. е. совпадающей по направлению с депрессией вентилятора, жидкость опустится в том колене депрессиометра, на которое надета резиновая трубка.

Замер естественной тяги с остановкой вентилятора. Существуют способы косвенных замеров естественной тяги с остановкой вентилятора и с изменением режима его работы. Вначале при работающем вентиляторе одним из известных способов измеряют количество воздуха Q_e, проходящего через вентилятор, и депрессию h. Затем вентилятор останавливают, опускают задвижку и при открытой Двери надшахтного здания измеряют количество воздуха Q_e.

После этого из двух уравнений

h_B + h_E = RQ²_B (4)

h_E = RQ²_E (5)

находят значение депрессии h_E.

Замер естественной тяги с изменением режима работы вентилятора. При этом способе измеряют количество воздуха и депрессию вентилятора при двух режимах его работы. Для этого частично закрывают канал задвижкой. Из двух уравнений

h_B + h_E = R(Q’)² (6)

h_B’’+ h_E = (R + R₃)(Q’’)² (7)

находят значение депрессии h_e (R₃ — сопротивление задвижки).

Определение h_e путем измерения перепада давления в стволах шахты. При этом способе измеряют давление воздуха Р₁ и Р₂ в околоствольных дворах воздухоподающего и вентиляционного стволов шахты, а также давление воздуха на земной поверхности Р₀. Одновременно в этих же местах измеряют температуру воздуха. Определяют давление неподвижных столбов воздуха Р₁’ и Р₂’’ на уровне околоствольных дворов по формуле:

lgP = lgP₀ + H/(R*(T-T₀))*lgT/T₀ (8)

где Р — давление неподвижного столба воздуха;

Р₀ — давление воздуха на поверхности;

Н — глубина шахты;

Т₀ — абсолютная температура воздуха вверху ствола;

Т — абсолютная температура воздуха внизу ствола;

R — газовая постоянная.

Формула (8) справедлива для любого термодинамического процесса, за исключением изотермического. Для случая изотермического процесса предлагается формула:

lgP = lgP₀ + 0,4343*Н/RT (9)

Перепад давления в стволах шахты, равный величине естественной тяги, определяется как разность между давлениями P₁’ – P₂ и P₂’ –P₂ .

Список литературы

1 М.Н. Бодягин. Рудничная вентиляция М., Недра, 1967

2 В.Б. Комаров, Ш.Х. Килькеев. Рудничная вентиляция М., Недра, 1969

3 К.З. Ушаков. Аэрология горных предприятий М., Недра, 1987