книги / Рудничная аэрология.-1

быть сконденсированы в конденсаторе 4. Конденсация осуще­ ствляется водой, которая в дальнейшем охлаждается в градирне или брызгальном бассейне 5. Сконденсированный хладагент высокого давления движется по трубопроводу 3, где проходит через специаль­

и охлажденного рассола применяются насосы S, 9.

Рис. 27. Принципиальная схема охлаждения рудничного воздуха

При установке воздухоохладителя 7 под землей в выработке, по которой проходит свежая струя на участок или группу участков, охлажденный рассол подается в шахту по трубопроводам под высо­ ким давлением, обусловленным геодезическим напором. При этом воздухоохладитель, поверхность охлаждения которого составляет тысячи квадратных метров (при глубине ^ 1000 м) также находится под давлением порядке 100 атм .

Существуют схемы холодильных установок, в которых между трубопроводом, подающим в шахту охлажденный рассол, и воздухо­ охладителем вблизи рабочего горизонта смонтированы сидящие на одном валу гидротурбина, насос и электродвигатель. Охлажден­ ный рассол поступает в гидротурбину, пройдя которую попадает в сливной бак, откуда насосом нагнетается в воздухоохладитель. Пройдя воздухоохладитель, отепленный рассол попадает в насос, откуда подается па поверхность в испаритель. При этой схеме трубо­ проводы, по которым движется рассол, как и в предыдущем случае, находятся под большим давлением и, кроме того, расходуется допол­ нительная мощность на преодоление потерь в гидротурбине и насосе, общий к. п. д. которых не превышает 0,5—0,6.

Имеются схемы, в которых вся холодильная установка размещена на глубоком горизонте, что уменьшает потери холода в трубо­

проводах и позволяет применять трубопроводы низкого давления. При этом на поверхности осуществляется только охлаждение воды, циркулирующей в конденсаторе. В качестве хладоносителя в подоб­ ной установке, применяемой на одной из бельгийских шахт, при­ меняется вода. Анализ работы холодильных установок показывает, что экономически выгоднее подавать с поверхности не хладоноситель, а охлаждающую воду, так как при этом упрощаются циркуляционные сети и сокращается степень сжатия хладагента. Подобные установки громоздки, но они могут быть упрощены и станут более эффектив­ ными при отводе тепла от холодильных машин в окружающую среду непосредственно на глубоких горизонтах.

Схема установки с подземным расположением всех узлов при­ ведена на рис. 28. В этом случае воздухоохладитель 1 размещается в откаточном штреке вбли-

денсатором 3 обеспечивается применением насосов 5 и б. Охлаждение конденсаторов может осуществляться и шахтной водой, что несколькоупрощает установку,однако такая схема на­ дежна лишь при постоянном гарантированном притоке шахтных вод.

В шахтах глубиной более 1000 м даже воздух, идущий для про­ ветривания только одной лавы, необходимо охлаждать до отрица­

в дополнительном охлаждении воздуха непосредственно в самой лаве, которое можно осуществить использованием в нескольких пунктах холодного воздуха, идущего по трубопроводу, проложен­ ному вдоль лавы; прокладкой вдоль лавы теплообменников той или иной конструкции, охлаждаемых водой; ступенчатым охлаждением воздуха в нескольких пунктах вдоль лавы.

Сравнение перечисленных схем показывает, что на больших

глубинах наиболее рационально применять ступенчатое охлаждение по длине лавы, принципиальная схема которого приведена на рис. 29. При этом холодильная установка располагается в уширении откаточ­ ного штрека, часть охлажденной в испарителе 1 воды поступает в «мокрый» воздухоохладитель 2, установленный перед лавой и сни­ жающий температуру поступающей в лаву струи до некоторой расчет­ ной; остальная часть охлажденной воды поступает в передвижной воздухоохладитель 5, установленный в лаве. Отепленная вода воз­ вращается по трубопроводу в испаритель 1, где вновь охлаждается. Охлаждение хладагента осуществляется в конденсаторе 4, по кото­ рому циркулирует вода, в свою очередь, охлаждаемая в водоохладителе 5, установленном на вентиляционном горизонте.

Рис. 29. Схема ступенчатого охлаждения воздуха по длине лавы специальным воздухоохладителем

На ряде глубоких шахт Донбасса запроектированы и частично построены центральные и местные холодильные установки. Так, на шахте им. X X II съезда КПСС построена местная установка, на шахте «Бутовская-Глубокая» сооружена установка с охлаждением воздуха на поверхности и вблизи лав, на шахте № 17—17-бис дей­ ствует подземная холодильная установка холодопроизводительностью 1,5 млн. ккал/ч.

Охлаждение воздуха, поступающего на рабочие участки, имеет огромное значение не только для улучшения условий труда в лавах, но и в забоях подготовительных выработок, так как в ряде случаев для проветривания последних проходческие вентиляторы могут засасывать охлажденный воздух.

Если для проветривания глухих забоев в глубоких шахтах ис­ пользуется неохлажденный воздух, целесообразно применять пере­ движные холодильные установки типа КПШ производительностью 40—90 тыс. ккал/ч, рассчитанные на охлаждение такого количе­ ства воздуха, которого достаточно для проветривания глухих

забоев. Так, установка КПШ-3 имеет холодопроизводительность 90 тыс. ккал/ч, в качестве хладагента применен фреон-12.

При разработке крутых угольных пластов, опасных по внезап­ ным выбросам, в целях безопасности применяется пневматическая энергия. В этих случаях целесообразно применять воздушные холо­ дильные машины, в которых сжатый воздух с температурой около + 3 0 ° С поступает непосредственно от шахтной сети в турбодетандер. При расширении сжатый воздух охлаждается до —45° С и, смеши­ ваясь с вентиляционной струей, поступает в забой.

§ 29. Подогрев подаваемого в шахту воздуха

Поскольку в большинстве районов СССР в зимнее время темпе­ ратура атмосферного воздуха отрицательна, возникает опасность обмерзания воздухоподающих выработок с образованием наледей, нарушения нормальной работы шахтного подъема, обледенения лестничных отделений, нарушения несущей способности крепи и т. п. Поэтому зимой подаваемый в шахту воздух должен подогре­ ваться с тем, чтобы температура его была не ниже + 2 ° С.

Подогрев воздуха осуществляется обычно паровыми калорифе­ рами и в отдельных случаях — электрокалориферами. Как правило, подогревается сравнительно небольшая часть общешахтного дебита, не превосходящая 20—25%, до температуры 60—70° С, с тем чтобы после смешивания с основной вентиляционной струей температура емеси равнялась + 2 ° С.

Подогретый воздух вентилятором по специальному каналу нагне­ тается в ствол, где и происходит смешивание с основной вентиля­ ционной струей, поступающей через устье ствола. Такая схема неудобна тем, что устье ствола должно быть открытым, в результате чего в зимнее время создаются неблагоприятные условия для работы людей и механизмов на приемной площадке.

Схема подогрева, при которой над устьем воздухоподающего ствола может быть установлено отепленное надшахтное здание, характеризуется тем, что свежий воздух поступает в специальную будку, из которой проходит в канал, где смешивается с подогретым воздухом. Смешанный воздух поступает в ствол через специальные окна в стенках ствола, расположенные ниже нулевой отметки.

Для выбора калорифера необходимо определить теплопроизводительность калориферной установки, а также количество подогрева­ емого воздуха и температуру подогрева.

Введем обозначения:

С?общ — весовой дебит поступающей в шахту воздушной струи,

кг/мищ

(гпод — весовой дебит подогреваемой части воздуха, кг/мин\ tnoд — температура подогретого в калорифере воздуха, °С;

tCM— температура воздушной смеси, поступающей в шахту, °С; *нар — температура наружного воздуха, °С.

Характерными особенностями отличается кондиционирование воздуха в рудниках, расположенных в районах Крайнего Севера с суровым, резко континентальным климатом. Проф. Ю. Д. Дядькин рекомендует в этих условиях подогревать весь рудничный воздух зимой и охлаждать его в летнее время почти целиком за счет исполь­ зования скрытой теплоты замерзания воды и таяния льда.

Установка представляет собой траншею, примыкающую к воздухоподающей выработке. Зимой воздух, двигаясь по траншее, проходит через зону интенсивного разбрызгивания воды, которая, отдавая тепло воздушному потоку, замерзает, образуя в траншее равномерное намораживание льда. Температура поступающего

вшахту воздуха повышается до —8, —9° С.

Влетнее время теплый наружный воздух, проходя по траншее, охлаждается за счет таяния льда, вследствие чего температура посту­ пающей в шахту струи поддерживается ниже нуля, что препятствует оттаиванию вечномерзлого грунта и способствует поддержанию выработок.

Р у д н и ч н а я а э р о м е х а н и к а — наука о законах дви­ жения воздуха, а также его газообразных и твердых примесей (метан, углекислый газ, пыль и др.) в шахтных вентиляционных потоках.

Изучение законов движения воздуха было бы весьма затруднено, если бы ему не предшествовало рассмотрение действующих в воздухе сил и условий равновесия воздушной среды. Поэтому настоящая часть курса начинается с изложения основных законов аэростатики.

Г л а в а V

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ АЭРОСТАТИКИ

А э р о с т а т и к а — наука о равновесии газов (воздуха). Она исследует условия, при которых воздух может находиться в непо­ движном состоянии — состоянии равновесия. Одной из основных задач аэростатики является определение изменения давления с вы­ сотой (глубиной) в покоящемся воздухе, а также условий равновесия

где p — давление;

p —. плотность воздуха;

X , У, Z — проекции объемной силы, отнесенной к единице массы; хуу, z — координаты.

Под объемной (или массовой) си л о й понимается сила, действу­ ющая на каждую частицу воздуха во всем его объеме (например, силы тяжести и инерции).

При неподвижной атмосфере в шахте единственной объемной силой является сила тяжести. Если ось Oz направить вертикально

Если в какой-либо выработке р = const или при переменной плотности ее можно характеризовать некоторой средней величиной, то из уравнения (V,3) имеем

Р = Р0+ёРК

где h — разность отметок начала и конца выработки.

§ 31, Барометрические формулы

Уравнение (V,2) можно переписать в виде

где R — газовая постоянная, после интегрирования выражения (V,4) в пределах от z = 0 до h при граничных условиях z = 0 р = р 0,

к = 1,41 — для адиабаты и к = п — для политропы.

Формулы для изотермического, адиабатического и политропического процессов дают весьма близкие результаты. Поскольку фор­ мула (V,7) наиболее проста, для определения приращения давления с глубиной целесообразно использовать ее.

Следует иметь в виду, что при расчетах по формулам (V,6) и (V,8) начальное давление р 0 должно иметь размерность в той же системе, что и остальные величины; при расчете по формуле (V,7) это не обя­ зательно и р 0 можно выразить в мм pm. cm., атмосферах и т. д.

Формулы (V,6)—(V,8) носят название б а р о м е т р и ч е с к и х ф о р м у л . Из них, в частности, следует, что приращение давления не зависит от поперечных размеров столба воздуха, т. е. д а в л е ­ н и е в в ы р а б о т к е не з а в и с и т от п л о щ а д и е е

Весьма важным свойством воздушной среды является то, что давление, действующее в данной ее точке, одинаково во всех напра­

такое же изменение давления во всех остальных точках среды. Дан­ ное свойство носит название з а к о н а П а с к а л я . Согласно ему, уменьшение давления на поверхности, например, на 5 мм pm. cm. вызовет уменьшение давления во всех выработках шахты также на 5 мм pm. cm.

Из закона Паскаля следует, что давление, воспринимаемое пла­ стинкой, расположенной в дапной точке пространства, не зависит от ее ориентации в пространстве. Следовательно, давления на одну и на другую ее плоскость равны (рис. 30). Поскольку давление Дей­ ствует по нормали к поверхности, то равнодействующая сил давле­ ния, приложенных к пластинке, равна нулю, т. е. аэростатическое давление не может вызвать перемещения тела.

Из закона Паскаля также следует, что давление на все стенки выработки, расположенные на одной вертикальной высоте, в не­ подвижном воздухе одинаково (см. рис. 30).

Рассмотрим силы, действующие на находящееся в воздухе ино­ родное тело. Пусть это будет некоторый объем Q газа, имеющего плотность, отличную от плотности заполняющего горизонтальную выработку воздуха (рис. 31). В каждой точке поверхности S этого объема по внутренней нормали к поверхности будет действовать

давление, вектор которого равен р . Главный вектор всех сил давления при этом будет равен

а его проекции на оси координат, расположенные так, как показано на рис. 31, будут:

s

где cos a, cos p, cos у — направляющие косинусы внутренней нор­ мали к поверхности S.

Давление р носит аэростатический характер и, следовательно, определяется формулой (V,4). Полагая в ней у = const, после ин­ тегрирования от 0 до z при граничном условии z = 0 р = р 0получим

Давление р 0 является внешним давлением на уровне кровли рассматриваемой горизонтальной выработки, которое передается в нее из соседних выработок.

Используя выражение (V ,ll), а также формулу перехода от по­ верхностного к объемному интегралу

Jр dS = — J grad р dQ

иимея в виду независимость координат х, у, zy получим следующие выражения для компонент главного вектора сил давления:

Из выражений (V,12) следует, что равнодействующая всех сил давления, приложенных к находящемуся в воздухе инородному телу, направлена вертикально вверх и равна весу воздуха в объеме

на поверхности с р 0 до р '0 вызывает такое же абсолютное изменение атмосферного давления в шахте (см. рис. 32).