книги / Проветривание подземных горнодобывающих предприятий

3.ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ СЕТИ

3.1.Различные типы соединений выработок н способы определения их общего сопротивления

Общее сопротивление любой системы горных выработок, соединенных между собой разными способами, это величина, эквивалентная суммарному сопротивлению выработок системы. Соединенные между собой горные выработки рудников и шахт образуют сложную вентиляционную сеть. Вентиляционная сеть - это схематический безмасштабный, изображенный в одной плоскости, чертеж, на котором показано взаимное расположение важнейших выработок в виде линий с указанием направления движения по ним воздуха и расположения источников тяга. Линии, изображающие выработки вентиляционной сети, называются ветвями, а места соединения выработок (ветвей) - узлами. Существуют схемы вентиляции, иногда выполненные в аксонометрической проекции, которые объемно изображают взаимное расположение выработок (и соответственно потоки воздуха в них), источников тяги, вентиляционных сооружений.

При расчетах вентиляционной сети или, что то же самое, схемы вентиляции необходимо определить:

1)общее сопротивление системы соединения горных выработок;

2)объемы и направление движения потоков воздуха в выработках (ветвях) вентиляционной сети;

3)режимы работы источников тяги (вентиляторов, эжектирующих установок, естественной тяги) и места установки регулирующих устройств.

Взависимости от сложности вентиляционной сети приведенные выше задачи решаются различно. Система соединений горных выработок

состоит из комбинации простейших соединений последовательных, параллельных и диагональных.

Рассмотрим упрощенную схему вентиляции рудника, отрабаты­ вающего залежь одним крылом (рис. 3.1, а). Воздух объемом Q поступает по стволу 0-1>затем по квершлагу 1-2 к рабочей зоне 2-3. Исходящая струя по вентиляционному квершлагу 3-4 и вентиляционному стволу 4-5 вентилятором выбрасывается на поверхность. Данную схему можно представить вентиляционной сетью безмасштабно в виде линии (рис.3.1, б), состоящей из отрезков, соединенных по схеме: конец каждого предыдущего отрезка соединен с началом каждого последующего. Такое соединение называется последовательным. В вентиляционных сетях отрезки, условно обозначающие выработки, называются, как уже говорилось выше, ветвями, а точки их соединения узлами*' Потеря давления в каждой выработке (ветви) вентиляционной сети на рис. 3.1: ho-i = Ro-i Q2, hi_2 = Ri-2 Q2, ho-i = Ro-i Q2 и т.д., a сумма всех потерь должна равняться развиваемому вентилятором давлению, т.е.

Ho hB= RpQ2, где Rp - аэродинамическое сопротивление рудника, тогда на основании уравнения (3.1) мойсно сделать вывод, что Rp = RO-I+RI-2+R2-3+

+... или, что то же самое

горизонта оба потока сливаются в один (Q), который по вентиляционному стволу с помощью вентилятора выбрасывается на поверхность. Строим вентиляционную сеть (рис. 3.2,6): по стволу поток Q подходит к точке 7,

Для-схемы'на рис. 3.2: если Ri = R2, то R^ = Ri / 22 = Ri / 4. Если в схеме на рис. 3.3 Ri = R2 = R3 =.. Ri, то Rn = Ri / n2. Итак, сопротивление параллельного соединения, состоящего из п ветвей с равными сопротив­ лениями, меньше сопротивления каждой из ветвей соединения в п2 раз.

Рассмотрим схему флангового проветривания шахты, отрабаты­ вающей 3 пласта на рис. 3.4, а. Свежий воздух поступает по стволу к точке 1, в которой делится на два потока: один поступает в рабочую зону, другой

ки не рассчитывается, т.е. нет формул для определения общего сопротивления соединения и потоков воздуха в ветвях, как, к примеру, в параллельном соединении формулы (3.5) или формулы (3.9) и (3.10). Единственное, что можно определить - это направление потоков воздуха в диагонали по соотношению сопротивлений ветвей, подводящих воздух к

диагонали или отводящих от нее. Чтобы понять методику определения направления движения воздуха в диагонали,, рассмотрим схемы соединений на рис. 3.5.

Пусть диагональное соединение на рис. 3.5, а представлено схемой

Ri > R2. Воздух, подойдя к точке ветвления /^разделится так, что большая его часть пойдет по ветви с большим сечением, т.е. по ветви с

Р и с 3.5. Диагональное соединение выработок

сопротивлением R2. Далее от диагонали 2-3 отходят широкая ветвь с сопротивлением и узкая с сопротивлением R5. Широкая ве1вь, имеющая большое сечение, обладает сопротивлением R*, которое меньше сопротивления узкой ветви R* т.е. R4 < Rs. Старакйь пройти большим потоком по широкой ветви, воздух начнет перетекать Ï ветвь 3-4 по диагонали снизу вверх. Соотношение сопротивлений ветвей будет иметь

вид: Ri / R2 > R4 / R5-

На рис. 3.5, в все ветви имеют одинаковое сечение (и длины также), следовательно, Ri = R2 и R4 = R* тогда перетекания воздуха по диагонали нс произойдет, а соотношение сопротивлений будет иметь вид: Ri / R2 =

= R4/R5.

На рис. 3.5, г воздух, подойдя к точке ветвления /, разделится так, что наибольшая его часть потечет по более широкой ветви с сопротивлением Rb а наименьшая - по узкой ветви с сопр(У1тай&йием R2. Естественно, что величина сопротивления Ri широкой ветви меньйае узкой R2. Далее на пути большого потока встречается узкая ветвь с сопротивлением R*, а на пути малого потока широкая ветвь с сопротивлением R* т.е. R4 > R5. Естественно, что большой поток из широкой ветви 1-3 начнет перетекать в также широкую ветвь 2-4 по

диагонали сверху вниз (по стрелке). Соотношение сопротивлений ветвей будет иметь вид Ri / R2 < R4 / Rs*

Снова вернемся к рис. 3.4, а: нормальная ситуация с проветрива­ нием, которое изображено на рисунке, может измениться, если, к примеру, на вентиляционном штреке 3-4 произойдет обвал и тогда воздух в Iдиагонали 2-3 (в рабочей зоне !) сменит направление, он потечет сверху вниз (от точки 3 к точке 2), обходя обвал. Это значит, что одна из рабочих зон будет проветриваться исключительно исходящей струей. С этой точки зрения диагональные соединения неустойчивы как по величине потоков в них, так и по направлению движения потоков в диагоналях.

Следует иметь в виду, что при движении основных струй воздуха по главным транспортным и вентиляционным штрекам, в противоположных направлениях (см. рис. 3.2, а), схемы соединения выработок становятся параллельными. Если основные струи воздуха по глрным транспортным и вентиляционным штрекам имеют одно направление (рис.3,4, а), что характерно для фланговых схем вентиляции рудников, то схемы соединения выработок становятся диагональными. Очень сложно при фланговой схеме вентиляции избежать диагональных соединений.

Отсутствие аналитических формул для расчетов диагональных соединений вовсе не означает, что нет методов1расчета вентиляционных сетей в том числе и диагональных. Такие методы есть и они основаны на двух законах вентиляционных сетей.

3.2. Законы вентиляционных сетей

Рассмотрим вентиляционную сеть на рис. 3.2, б: если в точке 7 нет потерь воздуха, т.е. нет других воздуховодов, по которым часть воздуха |утекала бы, то на основании закона неразрывности потоков Q = Qi + Q2, то же самое в точке 2: Qi + Q2 = Q, тогда алгебраическая сумма потоков воздуха (Q - Qi + Q2) равна нулю. Таким образом, для любого узла вентиляционной сети можно записать

где п - количество ветвей в узле вентиляционной сети.

Выражение (3.11) и определяет 1-й закон вентиляционных сетей для любого узла.

Снова рассмотрим тот же рис. 3.2, б: для параллельного соединения справедливо равенство h1.3.2 = bi_B_2, при этом это соединение является рамкнутым, т.е. выйдя, к примеру, из точки 1 и попав в точку 2 по ветви 1- з-2, можно вернуться в исходную точку 7 через другую ветвь 7-в-2. Алгебраическая сумма падений давления hi_>2- h\+.2= 0.

Аналогичное можно сказать и о сети на рис. 3.4, б: падение давления вдиагональном соединении, если бы решили его измерить, было бы равно

случае hj-з + h34 - (hj 2 + h ^ ) - 0, что то же самое, если пройти с замерами из точки 1 через точку 3 в узел 4, а обратно в узел 1 вернуться, не прерываясь, через точку 2. Таким образом, маршрут 1-3-4-2-1 составит замкнутый контур. В случае параллельного соединения, идя по 'струе, мы брали падение давления hi_32 со знаком идя против струи - hi.B-2 со

знаком ’ При диагональном соединении то же самое: идя по струе,

Следовательно, в любом замкнутом контуре вентиляционной сети алгебраическая сумма падения давлений равна нулю или в общем виде это

где m - количество ветвей, входящих в любой замкнутый контур. Выражение (3.12) определяет 2-й закон вентиляционных сетей.

3.3.Расчет естественного распределения воздуха в вентиляционной сети

Рассмотрим расчет естественного воздухораспределения на примере вентиляционной сети, показанной на рис.3.6. Номера ветвей сети совпадают с индексами параметров R и Q: ветвь 1-3 - это ветвь 1, ветвь 3-4 это ветвь 4 и т.д. Для решения запишем уравнения 2-го закона вентиляционных сетей для замкнутых контуров, которыми могут быть контуры: 1-3-2-1, 3-4-2-3 и 1-3-4-2-1. Выбор количества контуров [55] производится на основании так называемого цикломатического числа М = = m n + 1, где ш и п соответственно число ветвей и узлов в вентиляционной сети. В сети на рис. 3.6 5 ветвей и 4 узла, следовательно, М - 2 и мы должны выбрать только два контура. Выбираем первые два и

обозначаем их 1 и 2.

Выразим расходы воздуха в узлах 1, 2 и 3 согласно 1-му закону вентиляционных сетей: Q2 = Q - Qi; Qs = Q2 - Q3 = Q - Qr Q3; Q4 = Qi + Qa-

Запишем для 1-го и 2-го (снизу вверх на рис. 3.6) контуров уравнения 2-го закона вентиляционных сетей:

Г Ri Q.2-R3 Q32-R2Q22- 0

(3.13)

I R3 Q32 + R4 Q42 - Rs Qs2= 0

Приведем подобные члены по степеням искомой величины Aqi, тогда будем иметь

V (R, - R3 - R2) + 2 Aqr (RiQi + R3Q3 + R2Q2) + (RxQi2 - R3Q32 - R2Q22) = 0 .

Свободный член полученного равенства представляет невязку давления в

контуре 1 - Àhi. Обозначим

г

\B = 2- (R1Q1+ R3Q3 + R2Q2) = Z 2(RiQ0

Иногда значения первоначально принятых Qi близки к действитель­ ным и тогда поправка Aqi становится малой величиной, a Aqi2 - величиной более высокого порядка малости, которой можно пренебречь, но тогда уравнение (3.17) примет вид Aqi *В + С = 0, откуда Àqi = -С/ В.

В том случае, если поправка Aqi получена положительной, новые значения расходов воздуха в данном контуре могут быть найдены по выражениям (3.13). Если поправка Aq! отрицательная, то новые значения расходов воздуха будут равны: Qi н = Qi - Aqb Qj н = Q3 + Aqb Q2 я = Ог + + Aqj. После внесения поправок в расходы воздуха в 1-м контуре находят значение поправки Aqz во втором контуре, корректируются значения расходов воздуха в нем и затем переходят к 3-му контуру и т.д.

После обхода всех контуров решение не будет окончательным. Действительно, после определения Aqi и коррекции расходов воздуха невязка депрессии в данном контуре становится равным нулю, т.е. Ahi = 0. Но при решении второго контура и коррекции в нем расходов воздуха в ветвях будет исправлен поток в общей для двух контуров ветви 3, но тогда в первом контуре снова появится невязка депрессии Ahi. Потребуется несколько последовательных повторений решения контуров (итераций)

пока невязки в контурах не будут равны какой-то бесконечно малой величине, т.е. ДЦ = е, где в - величина, определяющая точность расчета. Данный метод расчета называют еще методом последовательных приближений.

Первоначально произвольно принятые расходы воздуха могут иметь не только приблизительные численные значения, но и неправильные направления, поэтому при внесении поправки согласно равенств (3.15) новые значения расходов воздуха могут менять знак, что равносильно изменению направления течения потока воздуха в ветви. Поэтому уравнения (3.15) для контуров при последующих итерациях должны составляться с учетом полученных в результате предыдущих итераций направлений потоков воздуха в ветвях вентиляционной сети.