Расчет средней плотности воздуха в стволах при нагнетательном способе проветривания рудников

Температура пород в руднике в течение года практически постоянна – для Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) колеблется в пределах 7–9 ⁰С. В виду большой протяженности подземных горных выработок температура воздуха, проходящего по руднику, становиться равной температуре пород, т.е. на выходе из рудника (в вентиляционном стволе) температура воздуха также в течение года имеет постоянное значение. Температура воздуха, подаваемого в рудник (в воздухоподающем стволе) зависит от климатических условий, а, следовательно, значение ее изменяется довольно в широких пределах. Так в летнее время года, когда температура наружного воздуха значительно выше температуры пород рудника, в воздухоподающий ствол будет поступать теплый воздух (более легкий). На выходе же из рудника будет выдаваться более холодный (по сравнению с атмосферным), а, следовательно, более тяжелый воздух. При этом в руднике возникает перепад гидростатических давлений, в результате чего более легкий воздух будет стремится подняться вверх, а более тяжелый – опуститься вниз. Это явление носит название естественная тяга (тепловая депрессия).

При отработке полезных ископаемых подземным способом вопрос надежности вентиляции является одним из важнейших. Поэтому, в связи с тем, что естественная тяга оказывает значительное влияние на процесс проветривания, необходимо учитывать это явление как неотъемлемую составляющую вентиляционной системы.

Направление естественной тяги будет определять степень ее влияния на процесс проветривания. В случае, если направление действия естественной тяги совпадает с требуемым направлением движения воздуха, ее принято называть «положительной естественной тягой» (холодное время года), при встречном направлении – «отрицательной» (теплое время года).

Основные факторы, влияющие на появление тепловой депрессии в процессе проветривания рудников и шахт известны достаточно давно. До появления механических вентиляторов естественная тяга была практически единственным средством проветривания рудников и шахт, где требовались относительно незначительные объемы воздуха. Позже Правилами Безопасности [1] было запрещено проветривать шахты и рудники только с помощью тепловой депрессии ввиду ее неустойчивости по количеству подаваемого воздуха и направлению, а также в связи с тем, что подаваемые объемы воздуха были недостаточны для нормального проветривания шахт.

Известно много способов измерения и подсчета величины тепловой депрессии. Однако в существующих формулах подсчета не были учтены следующие факторы:

1. Потеря депрессии в элементах вентиляционной сети;

2. Приращение температур в потоках воздуха за счет адиабатического сжатия (в воздухоподающих стволах и нисходящих выработках) или расширения (в вентиляционных стволах и восходящих выработках);

3. Взаимное расположение стволов (разность высотных отметок устьев и околоствольных дворов);

4. Взаимное влияние тепловых депрессий, возникающих между стволами.

Для калийных рудников, обладающих малыми эквивалентными сопротивлениями, вопрос потери давления в элементах вентиляционной сети (п. 1) является наиболее значимым. Полученные ранее математические зависимости были определены в основном для угольных шахт, обладающих большими аэродинамическими сопротивлениями, в связи с чем, применение их в расчетах для калийных рудников дает значительную ошибку.

Потеря депрессии в основных элементах вентиляционной сети в значительной степени сказывается на величине приращения температуры и барометрического давления в стволе (п. 2), которые, в свою очередь, влияют на величину плотности воздуха:

где P_i и t_i – соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (⁰C) в i-ой точке.

Величина тепловой депрессии определяется по формуле гидростатического метода расчета

где ρ_ср.i и ρ_ср.j – средние плотности воздуха в i-ом и j-ом сообщающихся стволах, кг/м³; H_ств – глубина стволов, м; – ускорение свободного падения, м/с².

Ввиду того, что и для каждого конкретного рудника есть величины постоянные, параметрами, определяющими абсолютное значение тепловой депрессии, будут являться величины средних плотностей воздуха в сообщающихся стволах.

Исходя из формул (1) и (2) в работе [2] был определен следующий порядок расчета средних плотностей воздуха в стволах.

Схема на рис. 1 рассматривалась как небольшой элемент эквивалентный вентиляционной сети, в котором перепад давления, равный депрессии главной вентиляторной установки (ГВУ) 1, затрачивается в 3-х ветвях: в воздухоподающем стволе 2 (a–b), непосредственно в руднике (b–c) и в вентиляционном стволе 3 (c–d).

При движении вниз по воздухоподающему и вверх по вентиляционному стволам температура воздуха изменяется в зависимости от возрастающего (для воздухоподающего) либо снижающегося (для вентиляционного) барометрического давления за счет давления (разряжения), создаваемого столбом воздуха (работой ГВУ), а также зависит от тепло- и влагообмена между поступающим воздухом и стенками ствола.

Исследовав процесс изменения параметров воздуха при движении его по стволам, теоретическим путем были получены коэффициенты, определяющие приращение температуры и барометрического давления, обозначенные через X для воздухоподающего и через Y для вентиляционного стволов [3]. Исходя из этого были уточнены формулы, определяющие величину средних плотностей воздуха в стволах калийных рудников.

Для воздухоподающего ствола:

Для воздухоподающего ствола:

где P_а – атмосферное давление, мм рт. ст.; t_а – температура наружного воздуха, ⁰C; R₁, R₃, R₂ – аэродинамическое сопротивление соответственно воздухоподающего, вентиляционного стволов и подземной части рудника, (Н∙с²)/м⁸; Q – объем воздуха, проходящего по руднику (для вывода формулы принимается условие, что в стволы и подземную часть рудника воздух подается при отсутствии утечек), м³/с; t_с – температура воздуха в околоствольном дворе вентиляционного ствола, ⁰C (находится по формулам [3]).

При определении средних плотностей воздуха по формулам (3), (4) и дальнейшем расчете по ним величины тепловой депрессии (2) для различных рудников ВКМКС выяснилось, что с учетом их взаимного действия (при количестве стволов более двух) [4] и разности высотных отметок стволов [5] (п. 3 и п. 4), отличие данных, полученных теоретическим путем от эмпирических исследований лежит в пределах 2 % [6].

Этот факт позволил сделать вывод о возможности использования приведенного алгоритма и коэффициентов, определяющих приращение температуры и барометрического давления, для определения величины естественной тяги, действующей между стволами.

Полученные математические зависимости позволяют определить величину средних плотностей воздуха в стволах при всасывающем способе проветривания.

При нагнетательном способе проветривания воздухоподающим будет являться ствол 3, а вентиляционным – ствол 1 (рис. 1). При этом направление обхода контура необходимо брать от точки a. Коэффициенты для стволов изменятся – для ствола 1 – Y, для ствола 2 – X.

По алгоритму [2] с учетом выведенных теоретическим путем коэффициентов [3] величины средних плотностей воздуха в стволах будут иметь вид

Величина тепловой депрессии, действующей между стволами, будет определяться по формуле

Полученные математические зависимости справедливы для случая, когда воздухоподающий и вентиляционный стволы имеют одинаковую высоту и расположены на равных высотных отметках, а также, если по ним проходит равный объем воздуха. В случае, если рудник не соответствует данным условиям, расчет необходимо корректировать по алгоритмам [4 – 7].

Литература:

1. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом: ПБ 03-553-03: утв. ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России» 13.05.03. М., 2003. Сер. 03. Вып. 33. – 200 с.

2. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. – 324 с.

3. Николаев А.В. Уточнение формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающими и вентиляционным стволами // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: тр. III междунар. конф. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. Горн. Ун-та, 2010. С. 246–250.

4. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. – Пермь, 2011. – №3. – С. 106–107.

5. Алыменко Н.И., Николаев А.В. О влиянии взаимного расположения шахтных стволов на величину возникающих между ними тепловых депрессий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – Новосибирск, 2011. – № 5. – С. 84–91.

6. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет величины общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – М.: Издательство «Горная книга». – 2001. – № 5. – С. 18–26.

7. Николаев А.В. Анализ теоретической формулы, определяющей величину естественной тяги действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – М., 2009. –№10. С.72–75.