Аэрология горных предприятий

Аэрология – в горном деле (от греч. aer – воздух и logos – слово, учение * a. mining aerology; н. Aerologie im Bergbau; ф. aerologie des mines; и. aerologнa de minas) – отрасль горной науки, изучающая свойства атмосферы шахт и карьеров, законы движения воздуха, переноса газообразных примесей, пыли и тепла в горных выработках, внутрикарьерном пространстве и прилегающем к ним массиве горных пород. Базируется на законах общей аэромеханики и термодинамики; использует применяемые в них методы исследований, метеорологических наблюдений состояния атмосферы и метеорологические прогнозы.

Научные основы вентиляции шахт разрабатывает Аэрология горных предприятий. Систематизированные сведения об Аэрологии горных предприятий впервые изложены в работе M. B. Ломоносова "O вольном движении воздуха в рудниках примеченном" (1745). Быстрое развитие её началось в конце 19 – начале 20 вв. в странах Европы, в т.ч. в России. Основатель отечественной школы Аэрологии горных предприятий – A. A. Cкочинский.

Основные разделы Аэрологии горных предприятий – шахтная атмосфера, шахтная аэродинамика, шахтная газодинамика, динамика шахтных аэрозолей, шахтная термодинамика. Главные проблемы научной дисциплины – снижение аэродинамического сопротивления выработок, совершенствование методов расчёта шахтных вентиляционных сетей, повышение эффективности дегазации шахт, разработка эффективных методов и средств теплового кондиционирования шахтного воздуха, разработка научно обоснованных методов расчёта количества воздуха для вентиляции шахт, создание научных основ автоматизированного управления вентиляцией шахт, повышение надёжности шахтных вентиляционных систем.

Шахтная аэродинамика изучает аэродинамическое сопротивление горных выработок, их систем и распределение воздушных потоков в сети выработок, разрабатывает аэродинамические основы управления вентиляцией шахт, методы снижения аэродинамического сопротивления выработок и расчёта энергии, необходимой для перемещения воздуха в шахте.

Газовая динамика рассматривает: законы перемещения газообразных примесей воздушными потоками в выработках шахт и газов в прилегающем к выработкам массиве горных пород, в т.ч. фильтрацию газов в массиве пород, диффузию лёгких (тяжёлых) газов в воздушном потоке выработок; переходные газодинамические процессы в выработках, вызываемые резким регулированием расхода воздуха. Разрабатывает научные основы расчёта количества воздуха для вентиляции шахт, дегазации шахт, борьбы c внезапными выбросами, газодинамические основы управления вентиляцией шахт.

Динамика шахтных аэрозолей изучает законы перемещения твёрдых и жидких механических примесей воздушными потоками в выработках. Основное развитие получила применительно к случаю переноса шахтной пыли. Разрабатывает научные основы обеспыливающей вентиляции выработок.

Шахтная термодинамика рассматривает процессы теплообмена между воздушными потоками в горных выработках, окружающим массивом горных пород и источниками тепла в выработках. Разрабатывает методы прогнозирования тепловых условий в выработках, методы и средства теплового кондиционирования шахтного воздуха.

Аэрология карьеров разрабатывает научные основы прогноза атмосферных условий и проветривания открытых горных разработок. Первые исследования по Аэрологии карьеров относятся к 50-м гг. 20 в.; в CCCP как научная дисциплина Аэрология карьеров оформилась в начале 70-x гг. 20 в.

Основные разделы Аэрологии карьеров: атмосфера и микроклимат карьеров, аэродинамика, термодинамика, газопылевая динамика атмосферы карьеров.

Раздел атмосфера и микроклимат карьеров рассматривает состав атмосферы карьеров, источники её загрязнения, климат в районе расположения карьера и специфические изменения его характеристик (скорости, температуры, влажности). Аэродинамика атмосферы карьеров изучает процесс движения воздуха во внутрикарьерном пространстве, его турбулентные характеристики, схемы движения, a совместно c термо- и газопылевой динамикой карьеров – теоретические основы проветривания карьеров. Устанавливает структуру и закономерности изменения скорости движения воздушных потоков в карьере в зависимости от пространственных координат и геометрии карьера. Аэродинамика атмосферы карьеров подразделяется на аэродинамику естественного проветривания и искусственную вентиляцию карьеров. Первая изучает процесс движения воздуха в карьере за счёт ветра в приземном слое атмосферы или термических сил, оценивая эффективность естественного проветривания карьера. Аэродинамика искусств вентиляции карьеров рассматривает вопросы развития во внутрикарьерном пространстве воздушных струй, создаваемых вентиляционными карьерными установками. Eё задача – определение мест расположения и схем совместной работы установок, обеспечивающих эффективную общую или местную вентиляции карьера. Tермодинамика атмосферы карьеров изучает термодинамическое состояние атмосферы, источники тепла в карьерах, термические силы в атмосфере карьеров и их влияние на движение воздуха во внутрикарьерном пространстве. B этом разделе рассматриваются закономерности изменения температуры воздуха во внутрикарьерном пространстве, влияние температурной стратификации атмосферы карьера на её крупномасштабные и пульсационные движения, рассеивание и вынос вредных примесей, развитие туманов. Tермодинамические характеристики атмосферы карьеров должны учитываться при оценке возможностей их естественного проветривания, особенно в периоды штилей.

Газопылевая динамика рассматривает вопросы движения вредных примесей (газов, пыли) в атмосфере карьеров и за её пределами, закономерности распространения и параметры газопылевых потоков, образующихся в карьере в результате технол. и естеств. процессов, методы активного воздействия на очаги загрязнения, теоретич. основы разработки комплекса мероприятий по нормализации состава воздуха в карьерах и определения размеров санитарно-защитных зон.

Oсновной метод исследования Aэрологии горных предприятий – теоретический анализ в сочетании c экспериментальным изучением и натурными наблюдениями.

Глоссарий наиболее употребляемых терминов:

Аэрология– наука о свойствах рудничной атмосферы, законах движения воздуха, пыли и тепла в горных выработках.

Вентиляционные двери (шлюз из двух дверей) – служат для изоляции и регулирования воздушных потоков в горных выработках.

Газовый баланс шахты– это её суммарная абсолютная метанообильность по различным источникам газовыделения. Газовыделение в шахте непостоянно во времени, поэтому нужно производить замеры его, а по величине относительной газообильности оценивают категорию угольных и сланцевых шахт по газу.

Газообильность шахты – это степень изменения состава шахтного воздуха за счёт выделения шахтных газов. Абсолютная – количество газа, выделяющегося в выработки в единицу времени, измеряется в м3/мин. Относительная газообильность – количество газа, выделяющегося в шахте за какой-то период времени, отнесённое к количеству добытого полезного ископаемого за этот же промежуток времени.

Депрессия – разность между атмосферным давлением и давлением, создаваемым всасывающим вентилятором (см. напор).

Каптаж – улавливание в скважины, затем отсасывание метана из дегазационных скважин в специальный газопровод и далее - на земную поверхность.

Кессон – шлюзовая камера с избыточным атмосферным давлением (обычно до 0,2 МПа), используется при проходческих работах в обводнённых породах с напором вод до 20 м.

Кроссинг – воздушный мост, устанавливаются на пересечении выработки со свежей и выработкой с исходящей струями, служат для разделения потоков. Например, вентиляционная дверь и обходная сбойка (или труба) для пропуска потока воздуха в обход пересекаемой выработки.

Напор – разность между атмосферным давлением и давлением, создаваемым нагнетательным вентилятором.

ПДК – предельно-допустимая концентрация вредных веществ, превышение которых вызывает у людей те или иные заболевания.

Полная депрессия – (или напор) вентилятора затрачивается на преодоление сопротивления вентиляционной сети шахты, самой вентиляторной установкой и на создание скоростного (динамического) напора на выходе воздуха в атмосферу.

Реверсия вентиляционной струи – искусственное изменение направления движения воздуха в горных выработках – на обратное.

Роза ветров – векторная диаграмма, характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям. Длины лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях, пропорциональны повторяемости ветров этих направлений. Розу ветров учитывают при планировке населенных мест, отвалов, хвостохранилищ, их расположения относительно шахт и карьеров.

Способ вентиляции – способ подачи воздуха в шахту: нагнетательный, всасывающий и комбинированный (нагнетательно-всасывающий). Всасывающий способ рекомендуется только на газообильных шахтах.

Статическая депрессия – является разностью полной депрессии и скоростного напора.

Схемой вентиляции – называется определённый порядок распределения и движения воздуха по горным выработкам.

Схемой проветривания – называется чертёж, на котором показано расположение вентиляторов и направление движения воздуха по важнейшим выработкам.

Суфлярные выделения – интенсивные выделения (более 1 м3/мин), например, метана или углекислого газа, – из крупных разломов, трещин, видимых полостей, может достигать 20 м³/мин.

Эквивалентное отверстие – воображаемое отверстие в тонкой стенке, через которое проходит то же количество воздуха, что и через рудник, под влиянием разности давления, равной депрессии рудника.