Лекция 14. Расчет общешахтного расхода воздуха

1 Распределение воздуха в общешахтной вентиляционной сети

2 Методика расчета расхода воздуха для проветривания рудника

3 Расчет депрессии рудника

4 Выбор вентилятора главного проветривания

5 Методика расчета калориферной установки

Под атмосферным воздухом понимается газообразная оболочка, окружающая земную поверхность и состоящая из смеси газов и паров. Физическое состояние и химический состав атмосферного воздуха изменяются в пространстве и во времени. С высотой в общем уменьшаются температура, влажность, плотность и давление воздуха и увеличивается содержание озона.

Атмосферное давление и температура на уровне моря изменяются от экватора к полюсам. Влажность на уровне моря имеет максимальное значение над тропическими морями.

Состав атмосферного воздуха вследствие высокой его турбулизации довольно постоянен над всей земной поверхностью до высот порядка 20 км. Наблюдающиеся колебания связаны главным образом с изменением содержания углекислого газа, обусловленным различным характером поверхности земли, наличием растительного покрова, индустриальных центров и т. п. В историческом аспекте, однако, состав атмосферы претерпевает непрерывные изменения; в последнее время, например, повышается содержание углекислого газа.

Средний состав атмосферного воздуха на уровне моря (в процентах по объему):

Азот………………………………………………. 78,08

Кислород…………………………………………..20,95

Аргон……………………………………………….0,93

Углекислый газ…………………………………….0,03

Гелий, неон, криптон, ксенон, озон, радон,

водород, перекись водорода, аммиак, йод…...0,01

В земной атмосфере всегда содержится определенное количество механических примесей: пыль (включая дымы), мельчайшие капельки влаги, кристаллы льда. «Запыленность атмосферного воздуха, как правило, больше над материками, однако наблюдаются случая относительно высокой запыленности и над морями вследствие заноса туда больших количеств пыли воздушными потоками (например, район центральной части Атлантического океана). Над материками запыленность также непостоянна: она минимальна над районами с густым растительным покровом и густой сетью водоемов и максимальна в районах с засушливым климатом, лишенных растительности. С высотой запыленность земной атмосферы резко падает.

Атмосферный воздух, поступая в подземные выработки шахт и перемещаясь по ним, претерпевает изменения, состоящие в основном в изменении его физического состояния (давления, температуры, скорости) и химического состава, загрязнении механическими примесями (пылью, копотью и т. п.), увеличении или уменьшении влагосодержания.

Изменение давления состоит в его увеличении при движении воздуха вниз по выработкам и понижении при движении вверх. Некоторое влияние на величину давления оказывает работа шахтного вентилятора: при работе вентилятора на всасывание давление несколько понижается, при работе на нагнетание — повышается. В глубоких шахтах атмосферное давление может составлять 850 мм рт. ст. и более.

Особенность теплового состояния воздуха в подземных выработках по сравнению с наружным воздухом состоит, во-первых, в уменьшении суточных и сезонных колебаний его температуры и, во-вторых, в повышении температуры по сравнению со среднегодовой температурой воздуха на поверхности. С глубиной температура воздуха повышается и в глубоких шахтах при отсутствии охлаждения может составлять 30° С и более.

Скорость движения воздуха в подземных выработках в ряде случаев может быть значительна (8 м/сек и более).

Загрязненность воздуха механическими примесями в подземных выработках выше, чем на поверхности, вследствие происходящих в шахте процессов дробления горных пород и полезного ископаемого, а в некоторых случаях также в результате работы двигателей внутреннего сгорания и наличия в выработках открытого огня.

Влажность шахтного воздуха повышается вследствие притока в выработки подземных вод и составляет в среднем 80—90%. Особенно высока относительная влажность воздуха при гидравлической добыче и гидротранспортировании полезного ископаемого. В этих случаях она может достигать 100%. Наоборот, при разработке гигроскопичных полезных ископаемых влажность воздуха понижается. Так, в калийных шахтах она может снижаться до 15-60%.

Изменения состава воздуха при его движении по горным выработкам состоят в уменьшении содержания кислорода, увеличении содержания углекислого газа и азота и в появлении ряда газов, не содержащихся в земной атмосфере (метан, окись углерода и др.).

Содержание газов в воздухе характеризуется их концентрацией, представляющей собой отношение количества (в объемных или весовых единицах) данного газа ко всему количеству (объему или весу) газо-воздушной смеси и называющейся соответственно объемной или весовой концентрацией; это же отношение может быть выражено в процентах. Иногда концентрация выражается отношением веса газа к объему смеси (например, мг/л). Пересчет концентрации, выраженной в процентах по объему с_об, в весовую концентрацию с_в с размерностью мг/л производится по формуле

с_в = 0,446 · М с_об, мг/л, (1)

где М — молекулярный вес газа.

Воздух, поступивший с поверхности в горные выработки и претерпевший определенные изменения, называется рудничным воздухом. Наиболее существенные изменения происходят в местах ведения очистных и подготовительных работ. Поэтому с некоторой условностью рудничный воздух, заполняющий выработки до забоев очистных и подготовительных выработок, называется свежим, а воздух, заполняющий выработки за этими забоями, — отработанным (или испорченным). Соответственно этому воздушная струя, движущаяся от воздухоподающего ствола к забоям, называется поступающей, а от забоев к воздуховыдающему стволу — исходящей.

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАСХОДА ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКА

Определение количества воздуха, необходимого для проветривания шахты, является одним из наиболее важных этапов проектирования вентиляции.

Подаваемый в шахту воздух предназначается для создания здоровых и безопасных условий труда рабочих путем обеспечения содержания в воздухе необходимого количества кислорода, минимального (не выше допустимого) количества ядовитых и взрывчатых газов и пыли, необходимой температуры воздуха.

Из сказанного следует, что метод расчета количества воздуха должен базироваться на законах разбавления отмеченных субстанций потоком воздуха, т.е. по существу он должен быть диффузионным методом. Применяемые в настоящее время методы расчета количества воздуха являются в основном статическими диффузионными методами.

.Количество воздуха для проветривания шахты должно рассчитываться по кислороду, ядовитым и взрывчатым газам, по пыли и по теплу. По каждому из этих факторов расчет можно вести двумя принципиально различными методами: по первому методу оно рассчитывается сразу для шахты в целом, а по второму — количество воздуха определяется вначале для каждого места его потребления (забои, камеры и т. п.) и затем суммируется в масштабе шахты.

Второй метод, называемый методом расчета от забоя, или п о з а б о й н ы м, более совершенен, так как позволяет более полно учесть особенности каждой шахты.

Расчет количества воздуха для проветривания шахты производится: 1) по потреблению кислорода, 2) по выделению метана, 3) по выделению углекислого газа, 4) по газам ВВ, 5) по пыли.

Количество воздуха для проветривания рудников, так же как и для угольных шахт, рассчитывается по людям, непрерывно выделяющимся газам (взрывчатым и ядовитым), газам ВВ и по пыли. Наиболее разработаны методы расчета по газам ВВ и по пыли ввиду большого объема взрывных работ и интенсивного пылеобразования в рудниках. По этим факторам расчет ведется методом от забоя. Расчет по людям и непрерывно выделяющимся газам в настоящее время производится по укрупненным нормам для рудника в целом.

По людям количество воздуха рассчитывается по формуле

Q = q_л · n ·z, (2)

где q_л — норма подачи воздуха на одного человека (q_л ≥ 6 м^ь/мин);

n— наибольшее число людей, находящихся в руднике;

z — коэффициент запаса, учитывающий все потери воздуха (в зависимости от условий z = 1,3 -1,6).

По постоянно выделяющимся газам (метану и водороду) количество воздуха для проветривания рудника рассчитывается по формуле

Q = q_A · A · z, (3)

где q_A — норма подачи воздуха на 1м.³ среднесуточной добычи горной массы, м³/мин;

А — среднесуточная добыча шахтой горной массы, м³.

Величина q_Д принимается по табл.1.

По другим газам, непрерывно выделяющимся в шахте (углекислый газ, сероводород, сернистый газ), расчет можно также вести по формуле (3), однако нормы подачи воздуха по этим газам в настоящее время отсутствуют.

Таблица 1

Примечание. При делении шахт на категории 1 м³ водорода принимаются эквивалентным 2 м³ метана.

.

По всем постоянно выделяющимся в шахте газам количество воздуха можно рассчитывать по формуле (с учетом коэффициента запаса z)

Q = k · I ·z = (100 · I /d - d₀ ) · z, (4)

где k— коэффициент разбавления;

I — максимальное абсолютное газовыделение в единицу времени, м³; d — максимально допустимое содержание газа в исходящей струе, %; d₀ — содержание газа в поступающей струе, %.

По формуле (3) можно рассчитывать количество воздуха не только для рудника в целом, но и для отдельных выработок, если известны абсолютные газовыделения в них.

По газам ВВ необходимое количество воздуха рассчитывается несколькими методами. При отсутствии массовых взрывов для лав расчет ведется по формуле В. Н. Воронина

Q = 25,5 · S/t· √B ∙S∙ l , м³/мин; (5)

для рудника в целом

Q = B∙b/t ∙ 100/d ∙z, м³/мин. (6)

3 РАСЧЕТ ДЕПРЕССИИ РУДНИКА

В настоящее время в общем случае максимально допустимая депрессия шахт равна 3 кПа, а для крупных шахт с высокой газообильностью – 4,5 кПа. Для шахт, разрабатывающих склонные к самовозгоранию пласты угля, максимальную депрессию шахты следует принимать не более 3 кПа.

Практически депрессия шахты рассчитывается в следующем порядке.

Вначале по заданному распределению воздуха в шахте подсчитывают депрессии всех выработок. Расчеты заносятся в таблицу, которую составляют по каждому направлению движения воздуха в шахте.

Поскольку в каждое направление обычно входят выработки, длина которых изменяется в процессе ведения горных работ, то в таблицу проставляются их минимальная и максимальная длина и соответственно минимальные и максимальные значения сопротивления и депрессии. В результате по каждому направлению получаются два значения депрессии – минимальное и максимальное.

Аэродинамические параметры выработок, коэффициент аэродинамического сопротивления α, периметр выработки Р, длина L, сечение S, а также подаваемое в них количество воздуха могут изменяться при переходе работ с одного горизонта на другой. Поэтому депрессию следует определять для каждого горизонта ведения горных работ.

При расчете учитывается только депрессия, затрачиваемая на преодоление сил трения. К ней необходимо прибавить депрессию местных и лобовых сопротивлений в струе данного направления. Так как лобовые сопротивления армировок стволов учитываются коэффициентом α стволов, то при расчете h дополнительно следует учесть лишь депрессии местных и лобовых сопротивлений в остальных выработках шахты. Для большинства шахт депрессии эти составляют 10-15% от депрессии, затрачиваемой на преодоление сил трения (реже до 25 %). Ввиду сравнительно небольшого их удельного веса депрессии местных и лобовых сопротивлений обычно учитываются укрупнено путем увеличения депрессии, затрачиваемой на преодоление сил трения выработок шахты, на 10-15%. Такой учет возможен уже тогда, когда определена расчетная депрессия, затрачиваемая на преодоление сил трения выработок шахты.

Если же депрессия местных и лобовых сопротивлений подсчитывается как сумма депрессий отдельных сопротивлений, ее надо учитывать отдельно для каждого направления.

В последнюю очередь следует оценить влияние естественной тяги на депрессию шахты. Для этого вначале определяется направление естественной тяги. Если оно положительное в течение всего года, естественная тяга в расчете h обычно не учитывается, при этом создается некоторый резерв вентиляции шахт. Если же естественная тяга ожидается отрицательной хотя бы в течение относительно короткого отрезка времени в году, определенную ранее депрессию шахты следует увеличивать на величину максимального значения депрессии естественной тяги.

Если шахта проветривается несколькими вентиляторами, то аналогичные подсчеты делаются для каждого из них.

Депрессия вентилятора h слагается из депрессии шахты h и депрессии вентиляторной установки h (канал вентилятора, потери собственно в вентиляторе и диффузоре):

h = h + h , (7)

или h = (k∙R + R )∙ Q ² , (8)

где k = 1/k² - коэффициент, учитывающий сопротивления путей поверхностных подсосов воздуха; k - коэффициент утечек воздуха через герметизирующие вентиляционные сооружения на поверхности; R - аэродинамическое сопротивление шахты без учета сопротивления поверхностных герметизирующих сооружений; R - аэродинамическое сопротивление вентиляторной установки; Q - дебит вентилятора.

Величину R (H∙с²/м ) можно определить через диаметр колеса вентилятора D и коэффициента α, значения которого изменяются от 0,04 до 0,1 в зависимости от типа вентилятора:

R = α ∙ π / D . (9)

Диаметр колеса вентилятора (м) определяется по эквивалентному отверстию шахты А :

D = √A /0,44 (10)

4 ВЫБОР ВЕНТИЛЯТОРА ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

После установления дебита Q_B и депрессии h_B вентилятора для каждого горизонта шахтного поля (залежи) определяют необходимый диапазон режимов работы данного вентилятора за весь срок его службы, т. е. из полученных значений выбирают максимальные и минимальные значения. Обозначим депрессии вентилятора h_Bmax и h_Bmin, за весь срок его существования и соответствующие им значения дебитов вентилятора Q_Bmax и Q_Bmin. В общем случае Q_Bmax и Q_Bmin.могут быть не равны абсолютным максимальному и минимальному дебитам вентиляторов Q_Bmax и Q_Bmin за срок его службы.

После этого, используя каталоги вентилятора, выбирают такой вентилятор, который удовлетворял бы следующим требованиям:

1) точки h_Bmax - Q_Bmax, h_Bmin - Q_Bmin, определяющее границы возможных режимов работы вентилятора для данной шахты, должны находиться в области достаточно высоких к. п. д. вентилятора (например, не менее 0,6);

2) вентилятор в случае необходимости должен иметь резерв для увеличения Q_B и h_B выше их максимальных расчетных значений (например, на 20%);

3) для вентиляторов с «горбатыми» характеристиками необходимо, чтобы h_Bmax ≤ 0,9 h_r, где h_r — депрессия «горба» характеристики. Последнее обеспечит устойчивую работу вентилятора на правой (нисходящей) ветви его характеристики.

При окончательном выборе вентилятора с учетом изложенных требований уточняется его диаметр.

При проектировании крупных шахт может оказаться, что ни один из выпускаемых в настоящее время вентиляторов не может обеспечить требуемых режимов проветривания. В этом случае возникает необходимость проектирования их совместной работы. При этом проверка на устойчивость их совместной работы не требуется, если устанавливаемые вентиляторы будут работать в расчетных режимах. Такая проверка необходима при существенном изменении режимов работы параллельно включенных вентиляторов.

На рудниках при массовых взрывах для усиления проветривания может потребоваться установка дополнительного вентилятора. В зависимости от условий производительность его может быть либо больше производительности основного, либо равна ей. Оба вентилятора соединяют параллельно. Дополнительный вентилятор включают лишь на время проветривания шахты от газов ВВ после массового взрыва. В каждом случае необходимо проверять, рациональна ли совместная работа вентиляторов, так как при весьма большой производительности дополнительного вентилятора может быть целесообразней применить одни мощный вентилятор.

Мощность двигателя вентилятора определяется по формуле

N = Q_B ∙ h_B/l020∙ η_{В ∙}η _д ∙ η _п , (11)

где Q_В — дебит вентилятора, м³/с;

h_B — депрессия вентилятора, Па;

η_В — к.п.д. вентилятора;

η_д — к.п.д. двигателя;

η_п — к.п.д. передачи от двигателя к вентилятору.

4.1 Расчет экономических показателей вентиляции

Общие расходы на вентиляцию слагаются из капитальных затрат, связанных с созданием и оборудованием вентиляционной системы шахты, и из расходов на вентиляцию в процессе эксплуатации шахты.

Капитальные затраты определяются суммарными затратами на проходку горных выработок, предназначенных для вентиляции (вентиляционные стволы, шурфы и скважины, камеры для подземных вентиляторов, кроссинги), на строительство специальных вооружений (здания вентиляторов, фундаменты под вентиляторы, диффузоры, каналы вентиляторов, здания калориферов и их каналы), вентиляционного оборудования (все вентиляторы, вентиляционные трубы, калориферы).

Затраты на проветривание шахты слагаются из следующих элементов:

1) заработная плата с начислениями на нее;

2) затраты на электроэнергию, расходуемую на вентиляцию;

3) стоимость вентиляционных сооружений и оборудования (не относящиеся к числу капитальных затрат);

4) расходы по текущему ремонту вентиляционного- оборудования и сооружений;

5) амортизационные отчисления в погашение капитальных затрат по всей вентиляционной системе.

Затраты на проветривание шахты зависят от конкретных горно-геологических и горнотехнических условий ее эксплуатации. С увеличением газообильности угольных шахт или расхода ВВ на рудниках затраты на проветривание увеличиваются. С уменьшением аэродинамического сопротивления шахты обычно эти затраты при прочих равных условиях снижаются. При увеличении производственной мощности шахты затраты на проветривание уменьшаются по статье «заработная плата».

Расход электроэнергии на вентиляцию (кВт∙ч/год) определяется по формуле

W=Q_Bh_B._cpn∙T/l020∙η_B ∙η_д ∙η_п ∙η_р ∙η_с, (12)

Где h_B._cp - средняя депрессия вентилятора за год, Па; n— число часов работы вентилятора в сутки; Т — число дней работы вентилятора в году;

η_р — к. п. д. регулирования работы вентилятора (потерн энергии при регулировании); η_с — к.п.д. электрической сети.

Если режим работы вентилятора в течение года резко меняется, расход электроэнергии целесообразно рассчитывать по периодам относительно постоянной работы.

При определении стоимости электроэнергии, расходуемой на проветривание, необходимо учитывать также расход электроэнергии вентиляторами местного проветривания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Кирин Б.Ф., Ушаков К.З. Рудничная и промышленная аэрология. М., Недра, 1983

2 Комаров В.Б., Ш.Х. Килькеев. Рудничная вентиляция. М., Недра, 1989

3 Бабак Г.А., Бочаров К.П. и др. Шахтные вентиляционные установки главного проветривания. М., Недра, 1982