В.А.Трофимов, В.М. Харьковой, Е.Б.Николаев. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ НА ПРОВЕТРИВАНИЕ ГЛУБОКИХ ШАХТ

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ НА ПРОВЕТРИВАНИЕ ГЛУБОКИХ ШАХТ

В.А.Трофимов, В.М. Харьковой, Е.Б.Николаев

Источник: Известия Донецкого Горного института №3, 2002 год

Аннотация

              В статье рассматриваются особенности учета влияния естественной тяги на проветривание горных выработок и определения аэродинамических сопротивлений этих выработок. Приведены аналитические зависимости, условия и методические основы, позволяющие учесть и оценить влияние естественной тяги на аэродинамические параметры горных выработок в элементарном вентиляционном контуре.
               Неправильный учет действия естественной тяги на глубоких шахтах приводит к возникновению погрешности при определении аэродинамических параметров горных выработок. В дальнейшем это может привести к значительным погрешностям в вентиляционных расчетах при нормальных и аварийных условиях.
               Наиболее часто ошибки возникают из-за неправильной трактовки условий применения уравнения Бернулли. Известно, что это уравнение определяет величину потерь энергии при движении воздуха по отдельной выработке. Однако естественная тяга формируется не в отдельной наклонной (вертикальной) выработке, а в вентиляционном контуре содержащем, как минимум, две такие выработки. Только в этом случае возникает разность давлений двух столбов воздуха с разной средней плотностью.
               Это означает, что для условий шахт или подземных сооружений уравнение Бернулли можно применить только для тех выработок, которые представляет собой последовательное соединение или могут быть приведены (методом эквивалентной замены) к такому соединению. При этом следует помнить, что депрессия естественной тяги затрачивается на перемещение воздуха только в выработках составляющих данный вентиляционный контур. Это означает, что депрессия положительной естественной тяги «суммируется» с той частью депрессии вентилятора главного проветривания, которая приходится на выработки этого контура, а отрицательная – «вычитается».
                      Следующей особенностью, которую необходимо учитывать при определении аэродинамических параметров шахты, является точное определение таких понятий как сопротивление вентиляционной сети шахты и сети вентилятора главного проветривания (ВГП). Сопротивление шахты это сопротивление той части сети, которая примыкает снизу к каналу вентилятора, а сеть ВГП включает в себя пути внешних утечек (подсосов) воздуха и каналы ВГП. Этот момент является принципиальным, так как в большинстве учебников по рудничной аэрологии 1,2,3 рассматривается применение уравнения Бернулли для упрощенной или «идеальной» схемы шахты (рис.1A).

Рис. 1

В этой схеме отсутствуют пути внешних подсосов воздуха и канал ВГП. В этой связи можно считать, что уравнение Бернулли (1), полученное для такой условной схемы шахты, нельзя применять в реальной сети.
              h_в± h_e = h_d± h_c ,(1)
где h_в – депрессия вентилятора; h_e – депрессия естественной тяги; h_d – потери депрессии на создание динамического напора, при выходе воздуха в атмосферу; h_c – потери депрессии на перемещение воздуха в вентиляционной сети.
                 Из этого следует, что использование уравнения (2) для расчета аэродинамического сопротивления реальной сети ВГП, некорректно, так как величина R_с.в является активизированным сопротивлением сети ВГП.
               R_с.в. = (h_в± h_e) / Q² _._в_. (2)
              Вместе с тем, это уравнение применяется для расчетов аэродинамических параметров вентиляционных сетей в условиях реальных шахт. Получается, что и совпротивление сети ВГП и сопротивление сети шахты расчитывается с учетом действия естественной тяги, т.е. ее действие учитывается дважды. В этой связи необходимо отметить, что для схемы вентиляции приближенной к реальным условиям (рис.1B) действие естественной тяги необходимо учитывать только при определении аэродинамического сопротивления шахтной вентиляционной сети (R_ш). Расчетная формула имеет следующий вид
R_ш = (h_ш± h_e) / Q² _ш , (3)
где h_ш – депрессия вентилятора приходящаяся на шахтную вентиляционную сеть;
h_e – депрессия естественной тяги шахты;
Q_ш – расход воздуха в шахте.
               Аэродинамическое сопротивление данной сети (R_s.m) должно определяться как сумма двух сопротивлений (4): параллельного соединения 1(5) – 5 и канала вентилятора (R_ch).

R_a.l – аэродинамическое сопротивление путей внешних подсосов (утечек) воздуха.
              Активизированное сопротивление сети ВГП равно R_с.в = h_в / Q²_в , (5)
где Qш – подача вентилятора главного проветривания.
              В связи с вышеизложенным, можно считать, что при определении аэродинамических параметров современных глубоких шахт должны учитываться их реальные условия – действие одного или нескольких ВГП и естественной тяги в отдельных вентиляционных контурах. Так, если в вентияляционной сети действует несколько источников тяги (ВГП и естественная тяга), то, о сопротивлении такой сети, следует говорить как об активизированном, т.е. оно формируется не только аэродинамическими сопротивлениями горных выработок (с учетом местных и лобовых сопротивлений), а и взаимодействием различных источников тяги.
              Отсутствие понимания различий между вентиляционной сетью шахты и сетью ВГП приводит к формированию неправильного представления о действии естественной тяги после остановки ВГП [1,2,3].
              Рассмотрим в качестве примера упрощенную схему шахты (см. рис.1A). Примем допущение, что действие естественной тяги можно приравнять к действию точечного источника тяги, депрессия которого не зависит от величины расхода воздуха в сети. Другими словами, характеристика этого источника тяги имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Местом приложения или «установки» такого источника тяги в сети можно считать наклонные (вертикальные) выработки, в которых естественная тяга формируется.
              После остановки ВГП схема вентиляционных соединений изменяется. Теперь она должна строится относительно естественной тяги, как точечного источника, который «действует» в шахтных стволах. В каком из стволов «установлен» этот источник тяги, в данном случае, не имеет значения, т.к. в упрощенной схеме вентиляции стволы (1-2, 3-4) и шахтная сеть (2-3) представляют собой последовательное соединение, а устье ствола (4-5) и канал с остановленным вентилятором (4-6-7) – параллельное соединение, соединенное с остальной сетью последовательно.

Рис. 2 Схема вентиляционных соединений шахты с остановленным вентилятором

В такой схеме вентиляционных соединений, депрессия естественной тяги распределяется пропорционально сопротивлениям участков сети, соединенных последовательно. Расход воздуха в этой сети (Q_d), можно определить из следующего выражения

где R_i - сопротивление последовательного соединения стволов и остальной части шахтной сети (1-2-3-4); R_j – сопротивление параллельного соединения из ветвей, составляющих устье ствола (4-5) и канал с остановленным вентилятором (4-6-7).
В условиях реальной шахты, оценить величину расхода воздуха, поступающего в шахту (после остановки ВГП), можно, только после определения аэродинамического сопротивления параллельного соединения, состоящего из устья ствола (4-5) и вентиляторной установки (4-6-7). Для определения сопротивления устья ствола (Rу) и остановленного вентилятора (Rв) необходимо измерить расход воздуха в стволе, с остановленном вентилятором (при работе остальных в реверсивном режиме), расход воздуха в канале и депрессию вентиляторной установки с остановленным вентилятором (или депрессию, измеренную через устье ствола с остановленным вентилятором). При этом можно оценить возможность усиления проветривания шахты за счет естественной тяги, при остановленных ВГП. Для этого необходимо провести, вышеописанные измерения, после уменьшения сопротивления устья ствола (открыть двери шлюза в надшахном здании ствола или атмосферную ляду в вентиляторной установке) при остановленном вентиляторе.
В реальных шахтах, условия формирования естественной тяги могут значительно отличаться от приведенных выше. Это относится, прежде всего, к стволам, при наличии в них промежуточных горизонтов. Так, например, при наличии одного промежуточного горизонта, упрощенная схема вентиляции шахты, с положительной естественной тягой, имеет следующий вид (рис.2). Здесь естественная тяга формируется в двух вентиляционных контурах, включающих стволы – 1-2-5-6 и 2-3-4-5. Местом ее приложения или «включения» в сеть можно рассматривать участки стволов 4-5 и 5-6 или 1-2 и 2-3. В случае остановки ВГП, схема вентиляционных соединений трансформируется, и приобретает следующий вид (рис.4)

Рис.3 Упрощенная схема шахты с двумя горизонтами

Рис.4 Схема вентиляционных соединений шахты с промежуточным горизонтом и остановленным вентилятором

В общем случае, эта схема вентиляции представляет собой последовательно-параллельное соединение с двумя источниками тяги (h_е1, h_e2). Особенность этих источников – линейная характеристика, параллельная оси абсцисс. В контуре 1-2-5-6, источник тяги (hе1) «установлен» в ветви представляющей собой участок ствола (1-2 или 5-6), а в контуре 2-3-4-5 источник тяги (he2) «установлен» в ветви параллельного соединения (точечный источник тяги на участке ствола 2-3 или 5-6). Такое расположение точечных источников тяги, моделирующих действие контурной естественной тяги, можно рассматривать как методику моделирования действия естественной тяги в параллельно-последовательном соединении шахтной вентиляционной сети. Расчет воздухораспределения в таком соединении можно выполнить с помощью метода приведенной характеристики.

ВЫВОДЫ

              Рассмотрены особенности применения уравнения Бернулли для расчетов вентиляции открытого вентиляционного контура
              Выделены особенности определения аэродинамического и активизированного сопротивлений вентиляционной сети.
              Определены условия, позволяющие оценить действие естественной тяги в вентиляционной сети шахты при работающем и остановленном вентиляторе главного проветривания.
              Приведены методические основы моделирования естественной тяги в шахтной вентиляционной сети.

Библиографический список

Рудничная вентиляция. Справочник (под ред. К.З. Ушакова). – М.: Недра, 1988. – 440 с.
Ушаков К.З. и др. Аэрология горных предприятий. – М.: Недра, 1987.- 421с.
Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. – М.: Углетехиздат, 1951.– 563 с.
Зюков Ю.Е., Трофимов В.А. Влияние естественной тяги на проветривание угольных шахт// Известия Донецкого горного института. – Донецк, 2002,– № 3. – С.51-54.
Трофимов В.А., Зюков Ю.Е., Харьковой М.В. Влияние естественной тяги на проветривание элементарного вентиляционного контура// Горноспасательное дело: сб.науч.трудов/ НИИГД, – 2003. – С.133-138