Вентиляция шахт и рудников осуществляется для разбавления до нормативных (безопасных) концентраций метана, иных природных и техногенных газов (взрывчатых и токсичных), создания здоровых условий труда. Атмосферный воздух, прошедший через воздухоподаюший ствол, распространяется по сети выработок, обогащаясь примесями (загрязняясь) и удаляется через вентиляционный ствол. Побудителями движения воздуха являются вентиляторы главного проветривания (ВГП), расположенные на поверхности и вентиляторы местного проветривания (ВМП) в горных выработках.
Основные количества удаляемых вентиляцией газов выделяются (образуются) в очистных и проходческих забоях и в выработанных пространствах лав. Расчёты необходимых для разбавления примесей до нормативных концентраций расходов воздуха - Q, депрессий – H, аэродинамических сопротивлений - R в каждой i-й выработке шахтной вентиляционной сети осуществляются при проектировании строительства и эксплуатации шахт. Места соединения трех и более выработок называются узлами сети, а цепь последовательно соединенных выработок между узлами - ветвью. Основные виды соединения выработок: последовательное, параллельное, диагональное.
Режимы вентиляции определяются направлением движения и расходам воздуха. В нормальном (штатном) режиме проветривания на отдельных добычных участках и в шахте в целом поддерживаются определенные расходы воздуха. В переходном режиме вентиляции изменяются расход и (или) направление движения воздуха в отдельных ветвях, что осуществляется ВГП, ВМП и вентиляционными сооружениями (трубопроводами, перемычками, вентиляционными дверьми). Переходный режим характерен для регулирования вентиляции (планового изменения параметров вентиляционной сети) и для аварийных процессов. Прекращение (по различным причинам) работы ВГП приводит к резкому сокращению расхода и уменьшению скорости движения воздуха по выработкам — "нулевому" режиму вентиляции. Остаточное движение воздуха при этом обусловлено естественной тягой - депрессией, связанной с отличием удельных весов воздуха в различных точках вентиляционной сети. Наблюдения в шахтах показали, что в нулевом режиме по стволам проходит: 16,7-18,5% от нормального количества воздуха (шахта им. Бажанова); 10,6-17,2% (шахта им. Калинина); 6,2-9,5% (шахта "Объединенная"). В зимний период расход естественной тяги возрастает. Направление движения вентиляционной струи в нулевом режиме обычно сохраняется.
В начальной стадии подземного пожара иногда прибегают к реверсивному режиму вентиляции, когда направление струи меняется на противоположное, а расход воздуха снижается на 30-40%. На практике отмечены случаи большего снижения расхода (до 70-78%). Характерные времена переходных процессов от нормального к нулевому и обратно - 15-30 мин., а от нормального к реверсивному - 20-60 мин.
Регулирование расхода воздуха в вентиляционной сети может не сводиться к установлению нормального или реверсивного режима. Часто возникает необходимость в гибком оперативном управлении расходом воздуха в выработках, добычных участках, крыльях шахты. Это связано с тем, что при ведении горных работ параметры вентиляционной сети могут изменяться: длина и сечение выработок, вид и состояние их крепи, влияющие на аэродинамическое сопротивление, монтаж и демонтаж оборудования, интенсивность газовыделення и т.д. Эти изменения могут происходить с различным темпом; относительно быстрые из них (когда какой-либо параметр существенно меняется за минуты или первые десятки минут) называют скачкообразными. Регулирование может осуществляться на шахте в целом (изменением режима работы ВГП, изменением аэродинамического сопротивления шахты или ее существенных частей) и локально (в выработках, ветвях, добычных участках). Регулирование работы ВГП производится: по расходу воздуха при постоянной депрессии; по депрессии при постоянном расходе; по расходу и депрессии одновременно. Локальное регулирование осуществляется изменением аэродинамического сопротивления, установкой, демонтажем или изменением режима работы ВГП, устройством воздушных завес, перемычек, вентиляционных окон. Для снижения опасности поступления большого количества метана из выработанного пространства при увеличении расхода воздуха на участке (и, соответственно, возрастании утечек из выработанного пространства), используют ступенчатое или плавное (линейное) регулирование расхода воздуха. Характерные времена отдельных фаз переходных процессов составляют первые десятки минут. Иногда регулирование может быть гораздо более медленным, когда оно (увеличение расхода или депрессии воздуха) должно компенсировать медленное монотонное падение расхода воздуха в выработках, обусловленное их аэродинамическим старением.
Аэродинамическое старение выработок - устойчивый рост их аэродинамического сопротивления из-за изменения формы и размеров поперечного сечения, его загромождения, разрушения, ремонта и замены крепей - обусловлено сдвижением (ползучестью) горных пород и другими проявлениями горного давления и факторов, связанных с ведением горных работ и эксплуатацией выработок. Наиболее часто встречаются сводчатые, трапециевидные, круглые, прямоугольные и арочные формы сечения выработок. Площади сечения выработок в последние 20 - 30 лет стали, ввиду усложнения условий проветривания глубоких шахт, возрастать, форма их оптимизируется в целях минимизации напряжений в горном массиве.
Крепи капитальных и подготовительных выработок (деревянная, металлическая, бетонная, анкерная, комбинированная и другие) под действием горного давления деформируются и разрушаются. Уменьшение площади сечении выработок, связанное с этим, динамика процессов изучались в ряде работ. На пластах пологого залегания, с удалением от лавы в сторону выработанного пространства, смешение пород кровли, почвы, боков возрастает, а сечение выработок уменьшается. Для площади сечения получена (обработкой наблюдений на пяти выемочных участках) зависимость:
где - площадь сечения в начальный момент, w = const; t - время эксплуатации выработки (мес.). Для одной из выработок S0 =5.0 м , а спустя месяц: S(1) = 4.3 м . Удельное аэродинамическое сопротивление (на 1 м длины) выработок возрастало по закону:
b,n - параметры, зависящие от горно-геологических и горнотехнических условий. Для двух конкретных лав было найдено в виде:
Конвергенция порол почвы и кровли незакрепленных очистных выработок составила 1,0 - 1,8 мм за 70 суток, причем за первые 10 суток она была 0,4 - 0,8 мм. На основе релаксационной модели ползучести Кельвина для конвергенции (мм) получено:
что удовлетворительно согласуется с результатами замеров. Гораздо более выражена была конвергенция кровли и почвы во вспомогательном бремсберге шахты им. А.А. Скочинского. За 10 суток v(f) = 60 мм, за 100 сут. = 380 мм. После инъекционного упрочнения пород соответствующие величины были 25 мм и 100 мм. Качественно динамика конвергенции неупрочненного массива соответствовала . Обширные исследования (около 2000 участковых и капитальных выработок) позволили найти эмпирические зависимости, связывающие динамику аэродинамического стареения выработок со способами их проведения и охраны, назначением, углом наклона, видом транспорта. Относительное удельное сопротивление y(t)= t0.5 дпя капитальных выработок достигало значения 4.0 (по материалам наблюдений за 25 лет), а для участковых - 8.0 (за период в 8 лет). Программа для ЭВМ, позволяющая находить потери площади сечения при деформации крепи (при отработке тонких крутых пластов Центрального Донбасса) разработана на базе шахтных наблюдений. Для средних условий, потеря первоначальной площади сечения штреков составила 3,5 м, что является существенной долей сечения при проходке (10,5 -11.0 м2 ). Обобщение данных по глубоким шахтам Донбасса дало среднюю скорость конвергенции 6-7 мм/сут. При этом отмечен рост числа случаев пучения почвы, что даёт 55-60% общей величины конвергенции. В зоне влияния очистного забоя отмечены случаи поднятия почвы на 20-30 % высоты выработки. Сочетание поднятия почвы с газодинамическим явлением сопровождается её разрушением с выделением больших количеств газа.
Аэродинамическое сопротивление выработок является суммарным понятием для трех, условно отдельных, видов сопротивления, оказываемого движущемуся воздушному потоку в горной выработке: сопротивлений трения, лобовых и местных. Сопротивление трения обусловлено шероховатостью и неровностью стенок выработки и вязкостью воздуха. Лобовое сопротивление выступами крепи и элементами оборудования, загромождающими сечение (конвейера, вагонетки, трубопроводы). Местные сопротивления потоку возникают при его поворотах, сужениях и расширениях.