книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

огромное количество пыли, в том числе способной к диффузии, а в свежей струе пыли гораздо меньше (по крайней мере более чем в 100 раз); 5) турбулентность. При расходе воздуха в 120-150 м3/мин через половину сечения выработки течение потоков явно турбулентное. Как же два турбулентных потока, движущиеся навстречу друг другу, не могут перемешаться? 6) движущийся по выработке самоходный вагон явно смешивает два потока. Какая же сила заставляет эти потоки снова восстановиться? 7) при движении потоков жидкостей и газов должен сохраняться общий закон гидродинамики: потоки движутся из зоны с повышенным давлением в зону пониженного давления. Из этого следует, что начало потока обладает большим давлением, чем конец потока. Вблизи забоя формируется начало исходящего потока воздуха с повышенным давлением, но в этом же сечении выработки кончается поток свежего воздуха с пониженным давлением. Следовательно, в одном сечении выработки должен существовать перепад давления между струями. Почему же этот перепад не замкнет эти струи?

В то же время есть работы ученых объединенного института физики Земли РАН, в которых с помощью математического и гидравлического моделирования утверждается, что в замкнутом объеме, как и вообще в природе, цикл или циклон (в конкретном рассматриваемом случае непосредственно создаваемый в забое с помощью ЗУАП вихреобразный поток воздуха) должен порождать антицикл (антициклон), последний снова порождает цикл (циклон) и т.д. Этот процесс затухает, если нет дополнительной подпитки энергией извне. По всей видимости метод вентиляции тупиковых забоев с помощью ЗУАП - не более чем принятие желаемого за действительное.

11.3.Использование поршневого эффекта движущегося

ввыработке транспорта для целей вентиляции

Любое транспортное средство, двигаясь в ограниченном пространст­ ве - в выработке, к примеру, действует как поршень, увеличивая (если направление движения транспорта совпадает с направлением движения воздуха) или уменьшая (если направление движения транспорта противоположно ему) поток воздуха. Таким образом, транспортное средство (железнодорожный состав, поток автотранспорта или отдельная автомашина) в выработке играет роль источника тяги, с действием которого нельзя не считаться.

Особенно заметно действие поршневого эффекта при движении транспорта в железнодорожных или автодорожных тоннелях (в том числе в тоннелях метрополитена). При продольной схеме проветривания тоннеля, когда источниками тяги являются эжекторы, состоящие из нескольких струйных вентиляторов, размещенных в одном сечении (обычно под

кровлей), их действие чаще всего направлено в сторону движения потока транспорта. Для усиления действия вентиляции таких источников тяги (сечений с расположенными в них вентиляторами) по длине тоннеля может быть несколько. Примером организации такого проветривания может служить схема вентиляции подводного автодорожного тоннеля Лим-фьорд (Дания) [53]: в специальном, пройденном перпендикулярно оси тоннеля, углублении в кровле устанавливается ряд струйных вентиляторов (до 8 ппук в ряду), создающих мощную струю воздуха вдоль оси тоннеля. Эта струя и является основным движителем воздуха. Кроме того, используется и поршневой эффект движущегося автотранспорта, для чего направление струи вентиляторов и направление движения автотранспорта совпадают.

В настоящее время при строительстве метрополитенов стараются учесть возникающий поршневой эффект и как-то использовать данное явление. К примеру, при строительстве метрополитена в г. Екатеринбурге с целью усиления вентиляции станций вдоль тоннелей установлены примыкающие к станциям диафрагмы (в двухпутевом перегоне) длиной 50-80 м, которые уменьшают сечение тоннеля и усиливают поршневое воздействие на потоки воздуха [48].

Заметное влияние оказывает движущийся транспорт на вентиляцию выработок рудников, обладающих небольшим аэродинамическим сопротивлением. Падение давления на перемещение потоков воздуха павыработкам в таких рудниках (калийных, соляных или гипсовых, [к примеру) небольшое, а поэтому движущийся транспорт может развить такой перепад давления, который может даже опрокинуть струю воздуха на отдельном участке вентиляционной сети [26].

Изменение воздухораспределения в выработках рудников вследствие воздействия движущегося самоходного транспорта является непродол­ жительным во времени (от нескольких минут до десятков минут, за которые транспорт проходит отдельные отрезки выработок). Однако периодичность этих изменений в течение рабочей смены высока, что сказывается на снабжении рабочих зон и отдельных забоев свежим воздухом и на состоянии газовой обстановки в них.

При определении степени воздействия транспорта на поток воздуха в воздуховоде рассмотрим два случая:движения его в спутном потоке.

Случай 1. Транспортное средство (в дальнейшем предмет) движется со скоростью и ш превышающей скорость движения начального потока воздуха в воздуховоде, т.е. UM> и ш (рис. 11.8), при этом = QnJS, где Ой, - поток воздуха в воздуховоде, имеющем площадь поперечного сечения S, при обычном установившемся проветривании; UMскорость предмета (машины, транспортного средства, состава вагонеток, поездов в метро), м/с.

Естественно, что начальный расход воздуха в выработке поддерживается постоянно существующим перепадом давления h, которое создается каким-то внешним источником тяги (падением общерудничной

выработки и поверхностью предмета,) м3/с;

UMUi - скорость потока воздуха относительно движущейся в том же направлении, поверхнрсти предмета, м/с.

Если рассмотреть сечение выработки в месте прохождения предмета, то в нем можно выделить два движущихся относительно неподвижной стенки воздуховода объема: - предмет, движущийся со скоростью UM, и,

объемов в единицу времёки должна быть равна расходу воздуха в воздуховоде, т.е. Q = Qi + UMSM, откуда

Обычно поток воздуха, двигаясь относительно шероховатой поверхности, теряет часть своей энергии на преодоление сопротивления трения этой поверхности. Это рассуждение справедливо относительно стенок (поверхности) воздуховода. Что касается поверхности йредмета, то в этом случае наоборот: шероховатая поверхность предмета, перемещаясь относительно потока воздуха в стесненном пространстве со скоростью (UMUi), т.е. обгоняя его, создает своими шероховатыми поверхностями давление, заставляющее воздух двигаться в этом же направлений. Это давление пропорционально объему условного потока воздуха, протекающего мимо поверхности предмета

QXM= ( U M- U 1) ( S - S m) ,

h™ = а* Ры L* Q™2/ (S -S*)3 = OMPMLM[(U* - U,) (S - SM)]2/ (S - Suf

Подставив вместо Ui его значение, получим

Ьн + Ьш + hp +h = hjp + hra

или, подставив значения (11.15), (11.16), (11.19), (11.20), (11.21) и (11.22), будем иметь:

А-Фн i(UMS - QyS]2 + a*PMU(UMS - Q)2/(S - SM)3 + A <Pp[(UMS - Q)/(S - S„)]2 +

+ RQ2m = RQ2 + a,P , U (Q - UM-SM)2/(S - SM)3

Иначе

RQ пап + [А*фн/ S2+ ctjj PMLM/(S - Sn)3 + A q>p/ (S - SM)2] (UMS - Q)2 = RQ2 + (XBPBLH (Q - UMSm)2/(S - SM)3

Обозначим

- полное сопротивление предмета, которым и будет обусловлен поршневой эффект. Назовем его условно поршневым сопротивлением предмета (машины, поезда метро, состава вагонеток в руднике или шахте).

где А - полное аэродинамическое сопротивление воздуховода, включая сопротивление трения в стесненном пространстве, уменьшенное на полное (поршневое) сопротивление предмета.

где В - условное давление, созданное предметом с миделевым сечением S уменьшенное на потерю давления на преодоление сопротивления трения выработки в стесненном пространстве при протекании в нем потока, равного по величине реальному объему предмета, при ламинарном течении.

где С - условный создаваемый в воздуховоде перепад давления и состоящий из потери давления, затраченного на преодоление сопротивления трения в стесненном пространстве при протекании в нем потока, равного реальному объему предмета, уменьшенный на величину давления, создаваемого внешним источником тяги, а также на величину давления, созданного поршнем - предметом, не имеющим в воздуховоде зазоров.

С учетом (11.25), (11.26) и (11.27) выражение (11.24) запишется A Q2 + B-Q + С = 0, откуда искомая величина Q буд£г определяться

Случай 2. Транспортное средство (машина, предмет) движется со скоростью, меньшей, чем скорость движения начального потока воздуха, но в данном случае предмет будет представлять дополнительное сопротивление в выработке. Рассуждая точно также, как и в случае 1, будем иметь:

где А - полное аэродинамическое сопротивление воздуховода, включая сопротивление трения в стесненном пространстве и полное (поршневое) сопротивление предмета.

сопротивления трения в стесненном пространстве при протекании в нем потока, равного реальному объему предмета, и давления, созданного поршнем-предметом, не имеющем в воздуховоде зазоров, уменьшенные на величину давления внешнего источника тяги.

Определив значения А, В и С, искомую величину Q вычислим по формуле (11.28). Таким же образом определяются потоки воздуха в случае движения предмета в выработке с начальным встречным движением воздуха или в Выработке, в которой начальное движение воздуха отсутствовало/а это означает отсутствие внешнего источника тяги. Все случаи воздействия транспорта на потоки воздуха подробно описаны в работе [27].

Представим себе выработку с неизменным сечением без внешнего источника тяги, но тогда единственным источником тяги будет движущееся транспортное средство. В выработке определенной длины и, следовательно, определенного аэродинамического сопротивления транспортное средство, движущееся с неизменной скоростью и № создаст давление, равное h = hH+ h™ + hp или сумме давлений, вычисляемых по формулам (1121)и(11.22), а также поток воздуха Q. Если изменить длину выработки, то ее аэродинамическое сопротивление также изменится. При той же скорости движения транспортного средства UMвеличины h и Q будут другими.

Итак, изменяя аэродинамическое сопротивление воздуховода только за счет его длины, можно получить режимы работы (давление и расход воздуха) источника тяги - движущегося транспортного средства, которые в координатах h Q образуют кривую, являющуюся характеристикой источника тяги и описываемую уравнением h = a +bQ +CQ2. Если транспортное средство начнет менять скорость движения, то полученные режимы работы в координатах h - Q UM образуют поверхность, описываемую зависимостью h = f (Q, UM).

Описанная методика построения характеристики источника тяги движущегося транспортного средства в выработке - позволяет решать известными сетевыми методами сложные задачи распределения воздушных потоков в вентиляционных сетях, а это дает огромные

возможности, к примеру, для метрополитенов: определив расположение поездов в вентиляционное сети (в том числе график и интервалы движениях скорость в определенных перегонах и необходимое сечение тоннелей можно создать безвентиляторную (или с меныпим числом вентиляторов) схему проветривания метрополитена. Но тогда наблюдаемый в нынешних условиях перерасход электроэнергии, затрачиваемой на преодоление составами воздушного сопротивления, а это при 26 парах пятивагонных поездов в час составляет в год 1,9 млн. кВт-ч [48], в новых условиях будет затрачена на вентиляцию.

11.4. Ишипше отработанных пространств на процесс нровстржваим рудников

Заметное влияние на процесс вентиляции рудников и на режимы работы вентиляторов главного проветривания оказывают отработанные пространства, если их объем пустот значителен. Эти пространства могут играть также роль источников тяги в течение сравнительно долгого периода времени (до 1 часа и более).

Большие объемы пустот в отработанных пространствах рудников образуются в том случае, когда из-за наличия водоносных пород (горизонтов) в кровле отрабатываемой залежи ее приходится жестко поддерживать на оставляемых целиках. К таким рудникам относятся калийные на Верхнекамском месторождении (г.г. Соликамск и БерезникиХ каменно-соляные (г. СолотвиноХ гипсовые (г.г. Новомосковск и Камское Устье) и T-Д. Благодаря сжимаемости воздуха отработанные пространства могут дополнительно вместить в себе воздух при увеличении избыточного давления (при нагнетательной схеме проветривания) или, наоборот, отдать часть воздуха при понижении давления (при всасывающей схеме проветривания). В любом случае это сказывается на режимы работы вентиляторных установок главного проветривания при запуске их в работу (после продолжительной остановки) или реверсии общерудничной вентиляционной струи.

Втабл. 11.1 приведены измеренные параметры вентилятора ВОД-ЗО, работающего в нормальном режиме на нагнетание, при его включении после продолжительной остановки и затем длительной работе на рудник, в котором имеется до 36 млн. м3 пустот в отработанных пространствах (гипсовый рудник, г. Новомосковск). Максимальная подача воздуха в первый момент после включения вентилятора объясняется тем, что в этот период вентилятор преодолевает только сопротивление воздухоподающего ствола и системы выработок от данного ствола до отработанных пространств, а весь воздух, подаваемый вентилятором в рудник, идет на заполнение пустот в отработанных пространствах.

Впроцессе наполнения пространств воздухом и возрастания в них за счет этого избыточного давления начинается движение воздуха за

отработанными пространствами и в вентиляционном стволе, следовательно, развиваемое вентилятором давление также начинает расти! И, наконец, при установившемся режиме объем воздуха, посту­ пающего в рудник, равен объему воздуха, выдаваемому из него. В данный момент вентилятор преодолевает полное сопротивление рудника с установившимся постоянным потоком воздуха до и после отработанных пространств, а поэтому развивает максимальное давление (и, естественно, минимальную подачу).

Подобная картина наблюдалась и при испытании вентилятора ВРЦЦ-4,5, работающего на всас на одном из калийных рудников (г. Березники, 2-е рудоуправление). На рис. 11.10 приведена запись расходомера, автоматически регистрирующего подачу вентилятора:

.позиция а: рабочий вентилятор работает в нормальном режиме про­ ветривания рудника;

позиция б: рабочий вентилятор переведен в реверсивный режим работы - резко возросла подача, которая со временем уменьшается, причем время стабилизации проветривания превышает 35 мин. Резкое увеличение подачи объясняется тем, что при нормальной работе на всас в отработанных пространствах создается разрежение, а при переводе вентилятора в режим реверсии (нагнетания воздуха в рудник) пустоты в отработанных пространствах наполняются воздухом вначале до нулевого давления, а затем до избыточного и емкость пространств за счет этого увеличивается почти вдвое;