Авторы: А. М. Тимошенко, Д. В. Никифоров, Я. С. Ворошилов, А. А. Поморцев.
Источник: Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2009. № 2. С. 54–64.
Тимошенко А. М., Никифоров Д. В., Ворошилов Я. С., Поморцев А. А. Анализ существующих способов проветривания тупиковых подготовительных выработок. Рассмотрен существующий в отечественной и зарубежной практике опыт применения схем и способов проветривания тупиковых подготовительных выработок. Выполнена оценка условий применения рассмотренных способов проветривания тупиковых подготовительных выработок, их эффективности, преимуществ и недостатков.
Проветривание подготовительных выработок на шахтах осуществляется согласно действующему нормативному документу – «Руководству по проектированию вентиляции угольных шахт» [1], в котором указано, что основным способом проветривания тупиковых подготовительных выработок является нагнетательный. При проведении выработок проходческими комбайнами рекомендуется применять нагнетательно-всасывающий способ с использованием пылеотсасывающих установок. Всасывающий способ проветривания рекомендуется применять в негазовых шахтах. Этот способ может также применяться в газовых шахтах при использовании вентиляторов местного проветривания (ВМП), допущенных для отсоса метановоздушных смесей, а также эжекторов (п. 5.3.10) [1].
Выбор определенного способа проветривания связан, прежде всего, с техническими возможностями шахты и никак не обусловлен индивидуальным подходом к каждому конкретному подготовительному забою. Между тем, использование какого-либо способа проветривания как средства борьбы с опасными и вредными составляющими рудничной атмосферы (газ и пыль) имеет свои преимущества и недостатки.
Рассмотрим подробнее каждый из известных способов проветривания тупиковых выработок.
В связи с тем, что «Руководство…» [1] рассматривает нагнетательный способ проветривания как основной, «Правила безопасности в угольных шахтах» [2] также трактуют требования к проветриванию тупиковых выработок в основном как требования к нагнетательному способу.
При нагнетательном способе проветривания вентилятор (или группа вентиляторов) находится в выработке со свежей струей воздуха на расстоянии не менее 10 м от струи, исходящей из проветриваемой тупиковой выработки [1, 2]. От вентилятора до забоя прокладывается вентиляционный трубопровод, как правило, из гибких вентиляционных труб, по которому в забой поступает свежий воздух. При этом расстояние от конца вентиляционных труб до забоя в газовых шахтах не должно превышать 8 м, а в негазовых 12 м.
Свежая струя поступает в забой, омывает его, перемешиваясь с присутствующими в призабойном пространстве газом и пылью, и, развернувшись на 180 градусов, уходит по выработке к ее устью, принимая на своем пути утечки свежего воздуха из неплотностей вентиляционного трубопровода и газ из отбитой горной массы и стенок выработки. Техническая и теоретическая стороны нагнетательного способа проветривания достаточно хорошо отработаны и изучены, так как осваивались в течение многих десятилетий как в нашей стране, так и за рубежом, и отражены в работах многих исследователей.
Одним из главных достоинств нагнетательного способа является хорошее перемешивание метана, выделяющегося в призабойное пространство подготовительной выработки, вентиляционной струей, выходящей из трубопровода. Однако даже в этом случае в призабойном пространстве и, в первую очередь, в зоне действия исполнительного органа комбайна возможны появления местных скоплений метана с концентрацией, превышающей среднее для призабойного пространства значение [3, 4]. Это объясняется недостаточной степенью турбулизации воздушных масс у забоя и говорит о неполноте выноса газа.
Эффективность использования воздуха в призабойном пространстве подготовительных выработок, проветриваемых нагнетательным способом, изучалась целым рядом исследователей, которые оценивали ее с помощью коэффициентов [5]. При этом авторы вкладывали в них неодинаковый физический смысл, в соответствии с которым были использованы различные названия: «коэффициент турбулентной диффузии», «коэффициент полезного действия», «коэффициент захвата», «коэффициент использования струи». Соответственно и величины коэффициентов, использованные разными исследователями, зависели от различных параметров.
Для тупиковых выработок, проводимых с помощью буровзрывных работ и проветриваемых нагнетательным способом, Воронин В. Н. [5] назвал отношение среднего содержания газа в произвольном сечении ядра постоянной массы свободной струи, поступающей в призабойное пространство из нагнетательного трубопровода, к содержанию метана на ее границе коэффициентом турбулентной диффузии. Этот коэффициент характеризует, прежде всего, процесс выноса газа и зависит от основных горнотехнических параметров призабойного пространства выработки.
Всасывающий способ проветривания подготовительных выработок исследовался в работах многих авторов [5]. При всасывающем способе проветривания вентилятор располагается, как и при нагнета-тельном способе, в выработке со свежей струей воздуха и со стороны всаса подключается к жесткому трубопроводу, проложенному по всей длине выработки до забоя. Со стороны нагнетания или выхлопа может присоединяться гибкий трубопровод, и исходящая струя воздуха из забоя тупиковой выработки в таком случае будет выбрасываться в предназначенную для этого выработку, расположенную на некотором расстоянии от работающего вентилятора.
Свежая струя воздуха поступает в призабойное пространство по тупиковой выработке, и в месте расположения открытого конца всасывающего трубопровода делает поворот в направлении всасывающего отверстия, входит в него, перемещается по нему до вентилятора и выбрасывается в проходящую мимо вентилятора струю воздуха либо в предназначенную для этого выработку.
Движение свежей струи воздуха к забою по выработке имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Преимуществом всасывающего способа перед нагнетательным является то, что вся пыль прижимается к забою и затем поступает во всасывающий трубопровод, где ее можно улавливать с помощью фильтров обеспыливающей установки или в специальных камерах на выхлопе из гибкого трубопровода от нагнетательного патрубка вентилятора. Ряд авторов [5] отмечают, что запыленность атмосферы подготовительных выработок при всасывающем способе проветривания значительно ниже, чем при нагнетательном. Но, с другой стороны, поступающая по тупиковой выработке к забою свежая струя воздуха принимает на своем пути весь газ, выделяющийся из стенок выработки и транспортируемой горной массы. Привнесенное в забой количество газа может достигать нескольких кубических метров в минуту, что потребует значительного увеличения количества отсасываемого воздуха из призабойной части выработки по сравнению с количеством воздуха, подаваемым в забой при нагнетательном способе проветривания.
Движение воздуха в призабойном пространстве выработок при всасывающем способе проветривания резко отличается от движения при нагнетательном способе проветривания. Если при нагнетательном способе воздух выходит из конца трубопровода в виде свободной струи с наиболее высокой скоростью движения, чем скорость движения в самой выработке, то при всасывающем способе проветривания поле с повышенной скоростью движения воздуха в свободном пространстве выработки создается непосредственно у конца всасывающего трубопровода и имеет шарообразную форму. Поэтому значительная часть потока воздуха может не использоваться для проветривания призабойной части, поступая из выработки непосредственно во всасывающий трубопровод [1].
Замерами, проведенными на шахте «Комсомольская» (ПО «Челябинскуголь»), установлено, что нулевые скорости потока располагаются в сфере, центром которой является отверстие всасывающего трубопровода. Поэтому при проветривании выработки всасывающим способом должно быть регламентировано не только расстояние конца всасывающего трубопровода.
Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ проветривания является промежуточным между нагнетательным способом и всасывающим и в известной степени исключает недостатки обоих способов и суммирует их преимущества. Комбинированный способ проветривания позволяет быстрее проветривать выработку при сравнительно небольшом количестве воздуха, при этом выработка на всем протяжении остается чистой, что обеспечивает возможность выполнения других технологических операций одновременно с проветриванием призабойного пространства от взрывных газов. Наряду с преимуществами, комбинированное проветривание имеет и недостатки. Например, нагнетательный вентилятор может устанавливаться в зоне, наиболее подверженной загазированию, что нежелательно по соображениям безопасности. Требуемые для реализации этого способа два вентиляционных трубопровода загромождают сечение выработки [4].
Названный способ широко применяется на шахтах Великобритании. При этом пылеотсасывающая установка, состоящая из всасывающего трубопровода и вентилятора, находится в 20–30 м от забоя и соединяется с гибким трубопроводом, подвешиваемым на тросе. Вентилятор и пылеотсасывающее устройство устанавливались на рельсовом ходу, а трубопровод крепился к комбайну.
Эффективность существующих способов подтверждается также результатами физического моделирования.
Представленный выше анализ способов проветривания подготовительных выработок показывает, что основу требований при переходе к технологическим схемам всасывающего и нагнетательно-всасывающего способов проветривания составляют эффективный изолированный отвод пыли и газа из зон наиболее интенсивного пылеобразования и газовыделения и турбулизация воздуха в призабойном пространстве. При всасывающем проветривании в условиях негазовых шахт при должном отставании трубопровода от забоя такие требования, как правило, реализуются за счет отсоса количества воздуха, рассчитанного по минимально допустимой скорости движения при работающих средствах пылеподавления, а также при установке в забое дополнительных эжекторов.
Для газовых шахт необходима дополнительная турбулизация призабойной зоны для предотвращения местных скоплений метана. Поэтому в таких случаях следует переходить на нагнетательно-всасывающее проветривание. При этом основная роль нагнетательного вентилятора состоит в турбулизации воздуха как при работе средств пылеподавления, так и при остановках комбайна.
Однако при значительном газовыделении, когда для проветривания выработки требуется подача воздуха, несопоставимая с техническими средствами пылеотсоса, для наибольшей эффективности проветривания нагнетательная установка, кроме того, должна обеспечивать аэродинамическую изоляцию призабойного пространства. Такое условие реализуется с помощью установки в нагнетательном трубопроводе специального воздуховыпускного клапана на границе призабойного пространства. Выпуск воздуха лучше производить на расстояниях от забоя, соответствующих расположению перегруза горной массы на стационарные или мобильные средства ее транспортировки.
В результате призабойное пространство, где происходит основное пылеобразование, проветривается потоком воздуха, направленным к забою и всасу пылеулавливающей установки, а остальная часть выработки, аналогично нагнетательному способу, потоком воздуха к устью выработки, который формируется за счет количества воздуха на выхлопе пылеулавливающей установки и определенной частью от расхода воздуха через воздуховыпускной клапан. При расположении пылеулавливающих установок за пределами выработок обратный поток к забою формируют только за счет необходимой настройки воздуховыпускного клапана.