книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

4. Естественная тяга

4.1. Общие сведения

Естественная тяга в рудниках и шахтах возникает вследствие разности плотностей воздуха в вертикальных и наклонных выработках. Процесс возникновения естественной тяги разной направленности в нагорном руднике рассмотрен в разделе 2.1.3 на стр. 61 и 62. Естественная тяга возникает и тогда, когда устья двух стволов шахты расположены на разных отметках. В зимнее время (рис.4.1, а) наружный атмосферный столб воздуха (как более тяжелый) высотой h будет вытеснять более теплый столб воздуха той же высоты, находящийся в стволе.

воздух начнет поступать в рудник по одному стволу, а исходящая струя с постоянной температурой, равной

температуре пород, начнет выдаваться из рудника по другому стволу. В летнее время теплый атмосферный воздух заполнит воздухоподающий ствол, а более холодный и, следовательно, более тяжелый вентиляционный ствол, вследствие чего возникнет естественная тяга, направление действия которой будет противоположно направлению работы вентилятора. Таким образом, в летнее время всегда действует отрицательная естественная тяга. В зимнее время наоборот: §олее холод­ ный воздух заполняет воздухоподающий ствол, а более теплый и, следовательно, легкий - вентиляционный ствол, а поэтому возникающая естественная тяга будет направлена в сторону действия вентилятора, т.е. в зимнее время возникает положительная естественная тяга.

Отрицательная естественная тяга может возникнуть и в зимний период. Как уже было сказано, в средних широтах России и мира в зимний период воздух, поступающий в рудники, подогревается калориферами.

Согласно [10, 35] нижний предел подогрева воздуха составляет + 2 °С, однако очень часто из-за отсутствия аппаратуры контроля эта температура поддерживается на более высоком уровне (иногда до 17 - 20 °С), в результате чего и возникает отрицательная естественная тяга. В этом случае рудники несут двойной убыток от перерасхода энергии: а) на чрезмерный нагрев воздуха; б) на преодоление вентилятором депрессии естественной тяги.

Вентиляторы, как механические побудители тяги, появились в середине XIX столетия. Впервые центробежный вентилятор был создан в России русским инженером Саблуковым А.А. в 1832 году [6], а в 1835 году он был установлен для проветривания Чигирского рудника на Алтае. В Англии первый вентилятор [81] с деревянными лопатками, загнутыми назад под углом 45°, был установлен на руднике Elsepar (горный район Yorkshire) в 1862 году и подавал 2490 мэ/мин воздуха при скорости вращения рабочего колеса 60 об/мин (диаметр его равнялся 6,6 м и ширина -1,5 м).

До появления вентиляторов рудники и шахты проветривались исключительно естественной тягой. Для этого под одним из стволов помещалась жаровня с горящими углями, с помощью которой подогревался воздух в стволе. В дальнейшем появились горны - печи специальной конструкции, горячий воздух от которых подавался в вентиляционный ствол или вентиляционное отделение ствола, если месторождение было вскрыто всего одним стволом. К примеру, к 1864 году в Англии было зарегистрировано 3215 угольных шахт, 370 из которых (все они находились в Шотландии) имели всего один ствол с вентиляционным и воздухоподающим отделениями [81]. Хотя горны имели искрогасящие устройства, однако в вентиляционных стволах (отделениях) довольно часто возникали пожары. В наихудшем положении в случае пожара оказывались шахтеры тех шахт, которые имели всего один ствол. Так в декабре 1966 года взрыв метана и начавшийся после этого пожар в единственном стволе шахты Oaks Colliery унесли жизни 334 шахтеров, на следующий день пожар в стволе шахты Talk O’Th'Hill закончился гибелью 91 шахтера.

Некоторые шахты проветривались естественной тягой, вызванной падающей водой.

4 1 Измерение давления естественной тяги

Существует несколько методов измерения величины естественной

тяги:

1. Измерение через перемычку. При остановленном вентиляторе перекрывают пути движения воздуха перемычкой (рис. 4.2) и депрсссиометром (микроманометром, микробарометром, U-образной

Выбирается та кривая характеристики, для которой значение s* наименьшее.

4.3. Расчет величины естественной тяги

Для подсчета величины общерудничной естественной тяги, возникающей в основном между воздухоподающими и вентиляционными стволами, воспользуемся схемой на рис.4.4. Данная схема рассматривается как эквивалент вентиляционной сети, в которой развиваемая вентилятором депрессия затрачивается в 3-х ветвях.

3.Средняя плотность воздуха в стволе абВекшляционнаж

равна рсрд = 0,5(ра + Рб) или, подставив в уравнение сеть значения (4.7) и (4.8) и решив полученную зависимость относительно рфЛ, получим

4. Давление в точке в под вентиляционным стволом равно Р, = Рб - KRjQ2 = Ра + K(pcp.iHc - RiQ2) - KR2Q2 =

= P. + KtPcp.,Hc-(R 1+ R2)Q2], тогда плотность воздуха в данной точке равна

р» = 0,465РВ/(273 + U) = 0,465 (P. + К[РсрлНс - (Rt + RzJQ2 ]}/(273 + t,), причем t, - это температура воздуха в исходящей струе и, как правило, она равна температуре пород на данной глубине pà3pa6orm.

5. Давление в точке г Pr = Ра + K[pcp.iHc - (Rj + Rj + R3)Q2] - Крср.гНс, а температура воздуха tr = t, - К*Нс где К, - температурный градиент в вентиляционном стволе, связанный с тем, что при подъеме растет разрежение и, следовательно, происходит уменьшение температуры. Для калийных рудников К» = 0,00923 [24], для других рудников и шахт К„ = = 0,00911 - 0,00994 град./м [71]. Плотность воздуха в точке г равна

Рг = 0,465 {Ра + КЬерлНе - (R, + R2 + ЯэУЙ - К р * * } / (273 + 1, - К,Нс).

6. Средняя плотность воздуха в вентиляционном стволе Рср.2 = = 0,5-(рв + Рг) или, подставив найденные значения плотностей воздуха для точек в и г (пункты 4 и 5) и решив полученное выражение относительно Рср.2® ПОЛУЧИМ

Приведенные расчеты выполнены для случая работы вентилятора главного проветривания на всас. При работе до нагнетание давление в устье воздухоподающего ствола будет равно

Р . + К (R i + R2 + R3)Q2,

411 (

где Pt - атмосферное давление, мм рт.ст., а давление в точке б под воздухоподающим стволом

Pe = Pi + K[pcp,Hc + (R2 + R3)Q2]

и т.д. по аналогии с вышеперечисленными пунктами.

5. ВЕНТИЛЯТОРЫ

5.1. Типы рудничных вентиляторов

По принципу действия все вентиляторы делятся на центробежные и осевые. В центробежных вентиляторах воздушный поток, поступая через входной патрубок в торец рабочего колеса вдоль оси его вращения, делает поворот под углом 90° (рис.5Л, а) и под действием центробежных сил выбрасывается через раструб металлического кожуха в атмосферу.

Существует много различных конструкций центробежных вентиляторов, отличающихся друг от друга формой рабочих колес, расположением лопаток, способом подвода воздуха и т.д. Основные параметры вентиляторов - развиваемые давление, подача и КПД зависят от следующих факторов:

1. От формы рабочего колеса. Лопатки могут быть плоские и аэродинамической формы. Они могут быть изогнутые назад (рис. 5.1, а); прямые, отклоненные назад (рис. 5.1, б); прямые радиальные (рис.5Л, в); прямые, наклоненные вперед (рис.5.1, г); изогнутые, наклоненные вперед

ит.д. Колеса с лопатками, загнутыми вперед, дают возможность получить высокий напор при меньших оборотах

именьших габаритах, чем при других конструкциях колес. Однако КПД у вентиляторов с такой конструкцией колес ниже, чем у вентиляторов с другим типом колес, к примеру, колес

слопатками, загнутыми назад.

2.От количества лопаток. Рост числа лопаток ведет к увеличению давления и подачи вентилятора.

3.От длины лопаток. Осевая длина лопаток s на рис.5.1, д ведет к прямой пропорциональной зависимоета: при увеличении s растет подача (производитедьностъ) вентилятора.

4.От радиальной длины лопа­ ток г (рис.5.1, д). Увеличение г до определенного предела ведет к пропорциональному увеличению дав­ ления и подачи. Увеличение осевой (в)

ирадиальной (г) длин лопаток