Использование усиливающих вентиляторов при подзменой добыче угля

Аннотация

Arash Hababi, Stewart Gillies. Use of Booster Fans in Underground Coal Mining to Advantage Определен альтернативный сценарий установки шахтной вентиляционной системы для удовлетворения требований по необходимому количеству воздуха в забоях и экономической целесообразности.

Введение

Усиливающий вентилятор – это подземное устройство вентиляции, установленное последовательно с основным вентилятором и используемое для повышения давления воздушного потока, проходящего через шахту. Правильные размер и расположение усиливающих вентиляторов создают безопасные условия работы и позволяют производить добычу полезных ископаемых с больших глубин. Усиливающий вентилятор может использоваться для сокращения давления на основной вентилятор, уменьшения утечки воздуха, а также сведения к минимуму вентиляционных расходов.

В Соединенных Штатах угольные шахты обязаны использовать поверхностные вентиляторы для вентиляции, однако использование усиливающих вентиляторов запрещено за исключением антрацитовых шахт. Усиливающие вентиляторы используются в шахтах во всех крупных угольных бассейнах стран, требующих такую форму подаваемого воздуха, в том числе Великобритании, Австралии, Польши, Южной Африки и Китая. В Соединенных Штатах статья 30, часть 75 подраздел D кодекса федеральных правил (CFR) определяет требования к подземной шахтной вентиляции (Федеральный реестр 2010).

Преимущества использования усиливающих вентиляторов:

• улучшение распределения воздушного потока в шахте, особенно в трудных для проветривания областях;

• обеспечение воздухом труднодоступных мест в поверхностных условиях (например, горных участков под водой/отстойников);

• уменьшение перепадов давления воздуха между потреблением и возвратом в вентиляционные пути;

• уменьшение давления на основной вентилятор.

Недостатки использования усиливающих вентиляторов:

• использование усиливающих вентиляторов снижает способность контролировать рециркуляцию воздуха под землей;

• если главный вентилятор поврежден, усиливающие вентиляторы ограничивают возможность восстановления вентиляции в некоторых областях;

• если необходимо отключить электроэнергию на определенном участке, вентиляция может быть прервана;

• пожар или взрыв может сделать невозможным контроль усиливающих вентиляторов для настройки вентиляции на определенном участке шахты;

• усиливающие вентиляторы также увеличивают уровень шума и шахтной пыли;

• проблемы в случае остановки основного вентилятора/усиливающего вентилятора;

• сложность системы вентиляции и ее управления;

• ненадлежащее использование опоры вентиляцонной установки, что может привести к увеличению расходов.

Предварительные исследования

Режим работы основных и усиливающих вентиляторов может определяться с помощью численных симуляторов, таких как Ventsim. Использование данного программного обеспечения для изучения многоуровневых и комплексных вентиляционных систем весьма полезно и оправданно тем, что позволяет выбрать сочетания различных моделей основных и усиливающих вентиляторов и просчитать давление на них на всех участках вентилирования шахты.

Моделирование и разработка конструкция вентилятора и процесса вентилирования:

1. Вентилирование и оценка потребности потока чистого воздуха. Решение этого вопроса сопровождается построением имитационных моделей вентилирования шахты.

   Данные для решения вопроса:

   • PQ-обзор для определения вентиляционных путей и коэффициентов трения в них;

   • основные требования к работе вентиляторов (кривые вентиляторов);

   • требуемое количество чистого воздуха в каждом забое.

2. Выбор вентилятора.
3. Установка и ввод в эксплуатацию.

Эксперимент

Была рассмотрена одна из шахт США, для которой экономическим преимуществом станет добавление усиливающего вентилятора как выполнение требования увеличения процента проветриваемости шахты. Был разработан оригинальный пятилетний план и смоделированы семь различных альтернативных сценариев для определения оптимальных критериев, при которых будет предполагаться самая низкая стоимость капитала и эксплуатационных расходов, а также будет обеспечиваться требования по оснащению всех забоев необходимым количеством чистого воздуха.

Общая информация о шахте:

• номер и ствол в угольной шахте. Толщина угольного пласта – 1,8 м;

• в настоящее время шахта имеет пять активных рабочих поверхностей;

• шахта вентилируется осевым вентилятором 670 кВт, используя притяжение выхлопной системы;

• вентилятор в настоящее время выпускает 230 м³/с чистого воздуха при давлении 1,95 кПа.

Исследуемые сценарии:

1. Пятилетний план с нынешнего подхода.
2. Добавление одного впускного вала.
3. Добавление двух впускных валов.
4. Добавление одного вытяжного вала.
5. Добавление дополнительно одного вытяжного поверхностного вентилятора.
6. Добавление двух подземных усиливающих вентиляторов.
7. Добавление одного подземного усиливающего вентилятора.

Структура исследования

На каждую рабочую грань требуется минимум 15м³/с свежего воздуха. Эксплуатационные расходы составляет приведенная стоимость электроэнергии, обслуживание и затраты на установку до 5 лет со скидкой в 10 %.Капитальные затраты – те расходы, которые затрачиваются при установке вентиляционной системы – инфраструктура, стоимость раскопок, оборотного капитала и приобретение оборудования, капитальные затраты при обустройстве ствола (стоимость раскопки шахтного ствола, способ раскопки, площадь поперечного сечения ствола,). Эта стоимость включает в себя фиксированную стоимость для мобилизации бурового оборудования. Погружающиеся расходы круглых бетонированных шахт с сиаметрами 2,2, 2,8 и 4,2 м составят $9760/м, $10500/м и $14500/м соответственно. Предполагается, что стоимость установки усиливающих вентиляторов составит по $105,000 (включая двигатель) каждый для сценария 6 и $ 340,000 для сценария 7. Плата за установку предполагалась около 50% из общей стоимости материалов.

Результаты исследования

При компьютерном моделировании различных сценариев установки вентиляционной системы были сделаны такие выводы:

1. Альтернативные варианты 2 и 3 не обеспечивают доставки достаточного количества воздуха во все забои.
2. Сценарий 4 выполняет требования воздушного потока в забоях, но общая стоимость очень высока - $ 9.6 млн.
3. Сценарий 5 – был добавлен второй вытяжной вентилятор, однако требуемый поток воздуха не был достигнут.
4. Сценарий 6 – была смоделирована установка двух усиливающих вентиляторов, выполнимо требование необходимого потока воздуха и общая стоимость превысила $ 5 млн.
5. Сценарий 7 – был установлен один усиливающий вентилятор, требование необходимого количества воздуха выполняется предельно.

Выводы

Сценарий 6 рекомендуется как лучшая альтернатива для серьезного рассмотрения, чтобы удовлетворить шахтные требования к вентиляции в пределах пятилетнего плана. Усиливающий вентилятор может быть использован для преодоления высоких сопротивлений и проветривания изолированных рабочих граней основного вентилятора. Усиливающие вентиляторы также можно использовать для уменьшения операционных затрат при большом давлении воздуха и уменьшения утечки воздуха.

Основной опасностью при использовании усиливающего вентилятора является неконтролируемая рециркуляция воздуха. Это может быть предотвращено при правильном планировании, установке вентилятора, мониторинге и управлении.