книги / Рудничная аэрология.-1

лики угля, вентиляционные двери перемычки и др.), называются

и з о л я т о р а м и .

Утечки снижают поступление воздуха к основным местам его потребления — забоям очистных и подготовительных выработок. Для компенсации утечек в шахту приходится подавать воздуха больше, чем требуется по условиям поддержания его достаточной чистоты. Это, в свою очередь, приводит к увеличению расхода элек­ троэнергии на вентиляцию.

Если не принимать своевременно мер по герметизации изолято­ ров, воздухопроницаемость последних под действием горного давле­ ния и других факторов будет непрерывно повышаться и может дос­ тигнуть таких величин, что борьба с утечками одним увеличением подачи воздуха окажется уже невозможной. При этом предугадать место и время опасных нарушений в изоляторах практически невоз­ можно. В результате вентиляция становится неустойчивой, плохо управляемой.

Просачивание воздуха через трещины в целиках может вызвать самовозгорание полезного ископаемого.

Уменьшение поступления воздуха в очистные забои вследствие утечек приводит к повышению содержания в воздухе вредных и взрывчатых газов.

Практика показывает, что при хорошо организованной борьбе с утечками их величина может быть значительно снижена. Так, если суммарная величина их на шахтах может достигать 70—80% ог дебита вентилятора, при правильно организованной борьбе с утеч­ ками они могут быть снижены до 40% и менее.

Утечки воздуха делятся на п о д з е м н ы е (внутришахтные) — между отдельными выработками в шахте, п о в е р х н о с т н ы е — подсосы воздуха с поверхности в подземные выработки или, наобо­ рот, потери воздуха через эти неплотности из подземных выработок в атмосферу и о б щ е ш а х т н ы е , включающие подземные и по­ верхностные утечки.

Различают следующие виды утечек воздуха в шахтах:

1)через вентиляционные сооружения;

2)через выработанные пространства:

а) через выработанные пространства между горизонтами; б) через выработанные пространства, соединяющие выработки

сземной поверхностью;

3)в параллельных выработках через перемычки и целики угля. Кроме того, имеют место утечки в вентиляционных трубопрово­

дах вентиляторов местного проветривания, которые рассматриваются в главе XVII.

Основные утечки в шахте происходят через вентиляционные сооружения (до 70—90% от всех подземных утечек).

По характеру утечки делятся на м е с т н ы е (сосредоточенные) г н е п р е р ы в н о р а с п р е д е л е н н ы е и к о м б и н и р о ­ в а н н ы е . Первые из них сосредоточены в отдельных местах венти­ ляционной сети; это, как правило, утечки через вентиляционные

сооружения. Непрерывно распределенные утечки происходят цо всей длине выработки через выработаппое пространство, бутовые полосы, продольные перегородки и т. п. Комбинированные утечки включают в себя как местные, так и непрерывно распределенные; это, например, утечки в параллельных выработках, происходящие •через перемычки и целики угля.

Утечки воздуха измеряются как в абсолютных величинах (м3/мин), так и в процентах от начального количества воздуха (например, подаваемого в шахту, в начало выработки и т. п.).

§ 75. Основные законы движения воздуха

По характеру движения воздуха при утечках последние можно разделить на две основные группы: утечки, происходящие через отдельные, мало связанные между собой каналы достаточно большого поперечного сечения (типа щелей и трещин), и утечки через пори­ стую среду, в которой воздухопроводящие каналы распределены непрерывно по всему объему изолятора. В первом случае к утечкам применимы основные законы движения воздуха в каналах типа труб, выработок и т. п., во втором случае — законы фильтрационного движения.

Вследствие отмеченных особенностей режим движения воздуха при утечках может быть либо турбулентным (в крупных трещинах и щелях), либо ламинарным (при фильтрации). Часто при фильтра­ ции в одних каналах наблюдается турбулентное движение, в дру­ гих — ламинарное. В результате во всем объеме фильтрации режим движения оказывается промежуточным. Соответственно этому при утечках возможен линейный, квадратичный или промежуточный закон сопротивления. В последнем случае часто закон сопротивления записывается не в обычной одночленной форме

где R' и R " — линейная и квадратичная составляющие аэродина­ мического сопротивления путей утечек с размер­ ностями соответственно кГ-сек/мъ, кГ -сек2/м8;

Q — расход воздуха при утечках.

Появление утечек в шахте указывает на наличие путей движе­ ния воздуха, параллельных основным, вследствие чего общее сопро­ тивление шахты уменьшается, а количество поступающего в нее воздуха увеличивается. Последнее, однако, не означает, что в забои будет поступать больше воздуха. На рис. ИЗ, а изображена схема вентиляции шахты 1—6, в которой ветвь 2—5 представляет утечки. На рис. ИЗ, б приведены характеристики вентилятора, работа­ ющего на эту сеть (3), на сеть без утечек (2) и с утечками (2) по пути

2—5 (принято JR2_5 = 1,975 яр,, яр). Как видно, при утечках общее поступление воздуха в шахту возросло с 47 до 52 м3/сек. Расход в ветви 2—5—4—5 будет

т. е. поступление воздуха в забой 5—4 уменьшилось на 47—43,5 = = 3,5 м3/сек.

Таким образом, утечки воздуха уменьшают общее сопротивление шахты и в то же время снижают поступление воздуха в забои.

0 ZO ЬО Ц,м3/сек

Рпс. 113. К анализу влияния утечек на вентиляцию шахты

Существуют два основных метода расчета утечек — аналитиче­ ский и по нормам.

А н а л и т и ч е с к и й р а с ч е т основан на использовании формул типа h = RQn = -£-Qn, где R —сопротивление изолятора,

к — его воздухопроницаемость. Для утечек через вентиляционные сооружения обычно используют одночленный закон сопротивления, Для утечек через выработанные пространства используют как одно­ членный, так и двучленный закон. Величины R и к определяют экспериментально.

В последнее время стали широко применять расчеты, основанные На н о р м а х у т е ч е к , определяемых экспериментально. Поскольку Полностью устранить утечки воздуха в шахтах при современном состоянии техники невозможно, возникла задача определить «нор­ мальные», т. е. минимальные в среднем (статистически) утечки через Сооружения. Нормы утечек зависят от типа сооружения, его кон­ струкции, материала, размеров, состояния вмещающих пород, Депрессии, под которой находится сооружение.

в них сквозных щелей подчиняются линейному закону. Утечки в местах примыкания сооружений к породам обычно подчиняются промежуточному или квадратичному закону, а утечки через сквоз­

Рйс. 114. Замер утечек через вентиляционные сооружения. Крестиками обозначены места замеров, пунктирными стрел­ ками — пути утечек

Поскольку в каждом сооружении обычно имеются пути утечек с раз­ ными законами движения воздуха, общий закон движения утечек Жэрез сооружение зависит от удельного веса частных утечек. В ре­ зультате, например, утечки через целики угля обычно подчиняются Линейному закону, через вентиляционные двери и кроссинги — квадратичному, через глухие перемычки — промежуточному или квадратичному.

Замер утечек. Для определения величины утечек обычно изме­ няют количество воздуха, проходящего перед вентиляционным соору­ жением и за ним (рис. 114, а, б). Вследствие пульсаций расхода воздуха в горных выработках замеры желательно производить Одновременно, а места их желательно располагать не ближе десяти Диаметров выработки от мест возможного возмущения потока (пово­ роты, сопряжения выработок и т. п.). Недостаток данного способа аамера — возможность больших ошибок, особенно если утечки

невелики по сравнению с проходящим мимо количеством воздуха.. Например, если утечки через сооружение равны 1 м3/сек, а коли­ чество воздуха, проходящего перед сооружением и за ним, — 20 и 19 м3/сек, то при измерении анемометром с обычной погрешностью

5% средняя ошибка составит 19 0,05^? 1 м9/сек, т. е. ошибка

будет равна измеряемой величине. Чтобы избежать этого, иногда применяют предложенные П. И. Мустелем прямые замеры утечек.

Первый способ состоит в замере утечек в окнах специально возводимых перемычек, устанавливаемых перед вентиляционным сооружением (рис. 114, в). При этом окно следует делать таких размеров, чтобы, с одной стороны, создать достаточно высокую скорость движения утечек в проеме окна, а с другой — не вызвать значительного увеличения сопротивления путей утечек и тем самым не изменить их величину.

Второй способ применяется, если замеряются утечки через, несколько дверей (шлюз). Их прямой замер можно осуществить в проеме одной из дверей, открыв ее частично или полностью так, чтобы в проеме можно было определить скорость движения воздуха (рис. 114, г). Тогда, если N — число всех дверей в шлюзе, утечки при N закрытых дверях будут

можно производить как по их воздухопроницаемости, так и по нормам утечек.

Для глухой перемычки при тщательной изоляции мест ее при­ мыкания к окружающим породам утечки могут быть подсчитаны по

няется при открывании одной из его дверей. В действительности она будет не­ сколько изменяться. При квадратичном законе утечек это будет вызывать по­ грешность в их измерении в основном в пределах 5—10%.

Q --- kxlSh, м2/сек , (XIII,6)

где k — воздухопроницаемость перемычки, м3/кГ-сек;

S — площадь перемычки, перпендикулярная направленшо уте­ чек, м2;

h — депрессия, под которой находится перемычка, кГ/м2;

кх — воздухопроницаемость перемычки толщиной 1 м, м2/кГ-сек\ I — толщина перемычки, м.

Из выражений (X III,5) и (X III,6) следует, что коэффициенты воздухопроницаемости к и кх равны количеству воздуха, проходя­ щего в единицу времени через единицу площади перемычки толщи­ ной I (для к) или толщиной, равной единице (для кх) при разности давлений, также равной единице.

Формула (X III,6) удобна тем, что она применима для пере­ мычки любой толщины, так как кх зависит только от материала перемычки, в то время как к зависит также и от ее толщины и, сле­ довательно, должен определяться для каждой перемычки отдельно.

М. А. Патрушевым предложен способ расчета утечек через пере­

где к — коэффициент воздухопроницаемости, м3 5/кГ°'ъ -сек(табл.11);

Т а б л и ц а И

Значения к для дверей изменяются в пределах 0,001—0,02.

В настоящее время для расчета утечек через вентиляционные сооружения широко используют нормы утечек, устанавливаемые экспериментально для каждого типа сооружений.

Для глухих перемычек нормы утечек находятся в пределах от 7 до 30 м3/мин, для перемычек с дверями — от 40 до 150 м3/минг для кроссингов — от 35 до 75 м3/мин. Нормы утечек для шлюзов определяются умножением норм утечек для перемычек с дверями на коэффициент ср. Утечки через герметизирующий комплекс на поверх­ ности в зависимости от назначения комплекса (комплекс на скиповом стволе, на клетевом стволе, шурфе и т. п.) принимаются в размере 10—30% от поступающего в шахту количества воздуха.

Утечки через загрузочные устройства в околоствольном дворе принимаются равными 5% от количества воздуха, выходящего с околоствольного двора в выработки шахты.

Борьба с утечками. Для снижения утечек воздуха через вентиля­ ционные сооружения необходимо следить за правильностью их кон­ структивного исполнения (см. главу XVIII), своевременно произво­ дить ремонт, применять материалы с малой воздухопроницаемостью и покрытие герметизирующими составами.

Глухие перемычки следует устраивать с достаточно глубоким врубом в окружающие породы, после чего периметр перемычки тща­ тельно промазывать цементным или глинистым раствором. Поверх­ ность перемычки штукатурится цементно-известковыми растворами (со стороны большего давления). Существует и ряд других веществ различной рецептуры, нанесение которых на поверхность перемычки существенно снижает ее воздухопроницаемость (латекс, смеси из глины и силикатного клея, жидкого стекла и гипса, хлористого кальция и смачивателя ДБ и др.).

Основное требование к таким покрытиям — высокая воздухо­ непроницаемость при достаточной вязкости в течение длительного времени. Вязкость способствует сохранению целостности покрытия при подвижках перемычек, связанных с горным давлением, высы­ хании и др.

Повышение герметичности дверей достигается плотным соеди­ нением досок дверного полотна (в шпунт, в зуб), применением не­ скольких их слоев с прокладкой из воздухонепроницаемого мате­

и фартуков в нижней части двери, устройством порогов, в которые утапливаются рельсы.

Кроссинги должны быть достаточно прочны, чтобы не разру­ шаться поД действием горного давления. Пространство между соб­ ственно мостом и породами должно быть хорошо забучено и прома­ зано с торцов, стены кирпичных кроссингов должны штукатуриться. Кроме того, необходимо тщательно герметизировать двери крос­ сингов.

Загрузочные и разгрузочные устройства обычно герметизируются слоем угля достаточной высоты, а также специальными заслонками.

Утечки через надшахтные здания снижаются штукатуркой стен, применением двойных оконных рам, перекрытием отверстий для каналов специальными клапанами, уплотнением грунта у здания.

Каналы вентиляторов должны штукатуриться, слой грунта над ними должен быть достаточной мощности и уплотнен. Требова­ ния к лядам аналогичны требованиям к вентиляционным дверям.

§ 77. Утечки через выработанное пространство

Если выработанное пространство находится под некоторой раз­ ностью давлений, через него происходит фильтрационное движение воздуха. В шахтах особое значение имеют утечки через выработан­ ное пространство добычных участков вследствие их относительно большой величины, а также их влияния на вынос из выработанного пространства различных газов.

Рис. 115. Линии тока в выработанном пространстве при утечках

Утечки через выработанные пространства добычных участков составляют от 10 до 35% поступающего в забой количества воздуха.

Величина утечек через выработанное пространство определяется схемой вентиляции участка, аэродинамическим сопротивлением (воздухопроницаемостью) заполняющих выработанное пространство пород, размером выработанного пространства (в первую очередь

к окружающим выработкам. На рис. 115, а изображены линии тока

ввыработанном пространстве при сплошной системе разработки. Как видно, в этом случае утечки уменьшают поступление воздуха

взабой; газы, выделяющиеся в выработанном пространстве,

выносятся в вентиляционный штрек. При столбовой системе (рис. 115, б) утечки уменьшают количество воздуха в нижней части лавы и увели­ чивают его в верхней. При этом газы из выработанного пространства заносятся в верхнюю часть лавы. При прямоточной схеме проветри­ вания с вентиляционным штреком в массиве угля (рис. 115, в) утечки происходят с откаточного штрека в лаву, одновременно туда зано­ сятся и газы из выработанного пространства.

Сопротивление выработанного пространства* Воздухопроница­ емость выработанного пространства обычно оценивается его удель­ ным сопротивлением. У д е л ь н ы м с о п р о т и в л е н и е м вы­ работанного пространства г называется сопротивление выделенного в нем куба с размером ребер, равным единице.

Рис. 116. Распределение количества воздуха и утечек вдоль вентиляционного штрека при сплошной системе разработки

Если R — сопротивление полосы выработанного пространства размером I X h X т (I — размер в направлении утечек, h — ши­ рина, т — высота полосы), то

Удельное сопротивление связано с проницаемостью выработан­ ного пространства к при ламинарной фильтрации соотношением

г =

Т *

где \i — абсолютная вязкость воздуха.

На рис. 116, а изображено распределение воздуха, а на рис. 116, б— утечек вдоль вентиляционного штрека при сплошной системе раз­ работки. Как видно, утечки происходят на некотором конечном