Структурно-классификационный анализ рудничных вентиляционных сетей по типам протекающих в них аэрологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурно-классификационный анализ рудничных вентиляционных сетей по типам протекающих в них аэрологических процессов

Б.П. Казаков

Современные рудники и шахты представляют собой сложные разветвлённые многоуровневые сети, состоящие из большого количества горизонтальных, вертикальных и наклонных выработок различных длин и сечений. Проветривание таких вентиляционных сетей осуществляется, как правило, несколькими источниками тяги - наземными и подземными вентиляторами главного проветривания и вспомогательными вентиляторами местного проветривания. Определённый вклад в движение воздуха вносят также естественная тяга и тепловые депрессии, возникающие в негоризонтальных выработках при значительной разнице температур воздуха в них. Наличие и важность для обеспечения нормальных микроклиматических параметров воздуха в руднике, а также связей между ними, определяются конкретными условиями проветривания: типом вентиляционной сети рудника (длины и сечения выработок), фрагментом сети (стволы, выработки главных направлений, удалённые участки, тупиковые выработки), режимом проветривания (обычный или аварийный), сезоном (тёплый или холодный период года). На основании анализа совокупности условий, в которых осуществляется проветривание, делается вывод о существенности тех или иных физических процессов, влияющих на изменения параметров вентиляционного воздуха.

Исходными данными для расчёта воздухораспределения в вентиляционной сети рудника являются величины источников тяги и сопротивления выработок, которые определяются на основании результатов воздушно-депрессионных съёмок, либо расчётным путём по известным длинам и сечениям. Однако, как показывает практика, такой подход к моделированию аэрологических процессов применим не всегда и в определённых случаях может приводить к существенным погрешностям, вплоть до получения ошибочных результатов. Причина этого - пренебрежение сопротивлениями сопряжений выработок. Эти сопротивления, как правило, не учитываются ни в расчётах, ни при проведении съёмок и обработке их результатов. И такое приближение вполне корректно для рудничных сетей и их фрагментов, в которых величины линейных сопротивлений выработок значительно превышают сопротивления сопряжений. В вентиляционных сетях и участках сетей, в которых это условие не выполняется, аэрологические процессы протекают иначе, поскольку основная потеря депрессии приходится не на выработки, а на места их сопряжений. Соответственно, описание и моделирование этих процессов должно быть другим.

Классификационным критерием степени несоответствия вентиляционной сети рудника стандартному подходу к расчёту воздухораспределения может послужить его эквивалентное отверстие. Чем оно меньше, тем меньше значимость и влияние местных сопротивлений на проветривание и тем меньшие ошибки даёт стандартный метод расчёта. Таким образом, классификация рудников по приведённым признакам может быть проведена следующим образом:

· рудники с выработками малых сечений (угольные шахты) - влияние местных сопротивлений несущественно и может не учитываться, основное падение депрессии приходится на линейные сопротивления;

· рудники с выработками средних сечений (калийные) - влияние местных сопротивлений существенно на отдельных участках: сопряжения стволов с горизонтами, вентиляционными и калориферными каналами, а также в рабочих зонах с большой плотностью узлов;

· рудники с выработками больших сечений (гипсовые) - стандартный метод расчёта воздухораспределения неприменим, основное падение депрессии приходится на сопряжения выработок, линейными сопротивлениями можно пренебречь.

На рис.1 представлены результаты численного моделирования скорости движения воздуха по группе открытых выработок (900 м) отработанного пространства гипсовой шахты - 5 параллельных выработок, сбитых через 50 м. Скоростного напора потока воздуха от эжекторной установки хватает примерно на 250 метров пути, в ходе которого через сбойки происходят утечки в параллельные выработки. Основные потери энергии при таком движении приходятся на местные сопротивления, связанные с процессами смешения-разделения и сужения-расширения потоков воздуха при прохождении ими сбоек между выработками. На рис. 2 представлены результаты численного моделирования падения депрессии в тройнике «ствол - вентиляционный канал» в калийном руднике. Распределение цветов наглядно подтверждает необходимость учёта этого местного сопротивления в расчётах воздухораспределения.

Рис.1. Скорость движения воздуха в группе 5 параллельных открытых выработок диаметром 10 м, сбитых через 50 м, с вентилятором ВМЭ-12А

С целью решения проблемы расчёта узловых сопротивлений разработана универсальная математическая модель потерь депрессии на сопряжении горных выработок, допускающая интеграцию её в методы расчёта воздухораспределения в вентиляционной сети рудника. Модель протестирована на расчётных сетях рудников различного типа и показала удовлетворительную сходимость и хорошее соответствие ожидаемым результатам. воздухораспределение вентиляционный сеть рудник

Численный расчёт воздухораспределения на упрощённой сети калийного рудника БКПРУ-2 позволил оценить влияние учёта сопротивлений сопряжений на общий расход воздуха. При «включении» этих сопротивлений расчётное значение подачи воздуха уменьшилось на 22%. Локальные изменения расходов в основном более существенны, вплоть до опрокидывания, особенно в зонах влияния других источников тяги. Расчёт расходов воздуха для подробной расчётной сети калийного рудника БКПРУ-4 показал, что учёт потерь депрессии во всех узлах сети уменьшает подачу воздуха на 73%, т.е. более чем в 3 раза. Подобный, на первый взгляд, противоречащий данным воздушно-депрессионных съёмок факт, объясняется тем обстоятельством, что в процессе ВДС отделить аэродинамические сопротивления выработок и узлов невозможно, и потому результаты замеров представляются, как потери депрессии только в выработках, а потери в узлах считаются равными нулю. Очевидно, что погрешность такой обработки данных ВДС тем больше, чем крупнее и сложнее вентиляционная сеть рудника.

Рис.2. Падение депрессии на сопряжении вентиляционного канала со стволом

Вклад сопротивлений сопряжений в распределение воздухопотоков возрастает также с увеличением сечения выработок. Объясняется это тем обстоятельством, что линейные сопротивления выработок обратно пропорциональны (S - сечение выработки), в то время как для сопряжений сопротивление R_i~1/. Таким образом, с ростом линейные сопротивления убывают быстрее, а долевой вклад узловых сопротивлений растёт. Численный эксперимент на примере упрощённой расчётной сети гипсовой шахты «Гипс-Кнауф» показал, что при «включении» узловых сопротивлений расход воздуха через рудник уменьшается на 60%, что значительно больше, чем для сети калийного рудника аналогичного размера и сложности.

Анализ изменений расходов воздуха в отдельных выработках сети выявил следующую статистическую закономерность относительно удалённости выработок от стволов. Чем дальше выработка от основных потоков воздуха через рудник, тем больше относительное изменение расхода воздуха через неё при «включении» местных сопротивлений, и тем меньше абсолютное изменение расхода. Для стволов и выработок околоствольного двора, напротив, абсолютное изменение расхода может быть весьма существенно, а относительное - нет.

Размещено на Allbest.ru