Какие способы проветривания выработок

Анализ существующих способов проветривания тупиковых подготовительных выработок

Авторы: А. М. Тимошенко, Д. В. Никифоров, Я. С. Ворошилов, А. А. Поморцев.
Источник: Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. 2009. № 2. С. 54–64.

Аннотация

Тимошенко А. М., Никифоров Д. В., Ворошилов Я. С., Поморцев А. А. Анализ существующих способов проветривания тупиковых подготовительных выработок. Рассмотрен существующий в отечественной и зарубежной практике опыт применения схем и способов проветривания тупиковых подготовительных выработок. Выполнена оценка условий применения рассмотренных способов проветривания тупиковых подготовительных выработок, их эффективности, преимуществ и недостатков.

Проветривание подготовительных выработок на шахтах осуществляется согласно действующему нормативному документу – «Руководству по проектированию вентиляции угольных шахт» [1], в котором указано, что основным способом проветривания тупиковых подготовительных выработок является нагнетательный. При проведении выработок проходческими комбайнами рекомендуется применять нагнетательно-всасывающий способ с использованием пылеотсасывающих установок. Всасывающий способ проветривания рекомендуется применять в негазовых шахтах. Этот способ может также применяться в газовых шахтах при использовании вентиляторов местного проветривания (ВМП), допущенных для отсоса метановоздушных смесей, а также эжекторов (п. 5.3.10) [1].

Выбор определенного способа проветривания связан, прежде всего, с техническими возможностями шахты и никак не обусловлен индивидуальным подходом к каждому конкретному подготовительному забою. Между тем, использование какого-либо способа проветривания как средства борьбы с опасными и вредными составляющими рудничной атмосферы (газ и пыль) имеет свои преимущества и недостатки.

Рассмотрим подробнее каждый из известных способов проветривания тупиковых выработок.

Нагнетательный способ проветривания тупиковых выработок

В связи с тем, что «Руководство…» [1] рассматривает нагнетательный способ проветривания как основной, «Правила безопасности в угольных шахтах» [2] также трактуют требования к проветриванию тупиковых выработок в основном как требования к нагнетательному способу.

При нагнетательном способе проветривания вентилятор (или группа вентиляторов) находится в выработке со свежей струей воздуха на расстоянии не менее 10 м от струи, исходящей из проветриваемой тупиковой выработки [1, 2]. От вентилятора до забоя прокладывается вентиляционный трубопровод, как правило, из гибких вентиляционных труб, по которому в забой поступает свежий воздух. При этом расстояние от конца вентиляционных труб до забоя в газовых шахтах не должно превышать 8 м, а в негазовых 12 м.

Свежая струя поступает в забой, омывает его, перемешиваясь с присутствующими в призабойном пространстве газом и пылью, и, развернувшись на 180 градусов, уходит по выработке к ее устью, принимая на своем пути утечки свежего воздуха из неплотностей вентиляционного трубопровода и газ из отбитой горной массы и стенок выработки. Техническая и теоретическая стороны нагнетательного способа проветривания достаточно хорошо отработаны и изучены, так как осваивались в течение многих десятилетий как в нашей стране, так и за рубежом, и отражены в работах многих исследователей.

Одним из главных достоинств нагнетательного способа является хорошее перемешивание метана, выделяющегося в призабойное пространство подготовительной выработки, вентиляционной струей, выходящей из трубопровода. Однако даже в этом случае в призабойном пространстве и, в первую очередь, в зоне действия исполнительного органа комбайна возможны появления местных скоплений метана с концентрацией, превышающей среднее для призабойного пространства значение [3, 4]. Это объясняется недостаточной степенью турбулизации воздушных масс у забоя и говорит о неполноте выноса газа.

Эффективность использования воздуха в призабойном пространстве подготовительных выработок, проветриваемых нагнетательным способом, изучалась целым рядом исследователей, которые оценивали ее с помощью коэффициентов [5]. При этом авторы вкладывали в них неодинаковый физический смысл, в соответствии с которым были использованы различные названия: «коэффициент турбулентной диффузии», «коэффициент полезного действия», «коэффициент захвата», «коэффициент использования струи». Соответственно и величины коэффициентов, использованные разными исследователями, зависели от различных параметров.

Для тупиковых выработок, проводимых с помощью буровзрывных работ и проветриваемых нагнетательным способом, Воронин В. Н. [5] назвал отношение среднего содержания газа в произвольном сечении ядра постоянной массы свободной струи, поступающей в призабойное пространство из нагнетательного трубопровода, к содержанию метана на ее границе коэффициентом турбулентной диффузии. Этот коэффициент характеризует, прежде всего, процесс выноса газа и зависит от основных горнотехнических параметров призабойного пространства выработки.

Всасывающий способ проветривания тупиковых выработок

Всасывающий способ проветривания подготовительных выработок исследовался в работах многих авторов [5]. При всасывающем способе проветривания вентилятор располагается, как и при нагнета-тельном способе, в выработке со свежей струей воздуха и со стороны всаса подключается к жесткому трубопроводу, проложенному по всей длине выработки до забоя. Со стороны нагнетания или выхлопа может присоединяться гибкий трубопровод, и исходящая струя воздуха из забоя тупиковой выработки в таком случае будет выбрасываться в предназначенную для этого выработку, расположенную на некотором расстоянии от работающего вентилятора.

Свежая струя воздуха поступает в призабойное пространство по тупиковой выработке, и в месте расположения открытого конца всасывающего трубопровода делает поворот в направлении всасывающего отверстия, входит в него, перемещается по нему до вентилятора и выбрасывается в проходящую мимо вентилятора струю воздуха либо в предназначенную для этого выработку.

Движение свежей струи воздуха к забою по выработке имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Преимуществом всасывающего способа перед нагнетательным является то, что вся пыль прижимается к забою и затем поступает во всасывающий трубопровод, где ее можно улавливать с помощью фильтров обеспыливающей установки или в специальных камерах на выхлопе из гибкого трубопровода от нагнетательного патрубка вентилятора. Ряд авторов [5] отмечают, что запыленность атмосферы подготовительных выработок при всасывающем способе проветривания значительно ниже, чем при нагнетательном. Но, с другой стороны, поступающая по тупиковой выработке к забою свежая струя воздуха принимает на своем пути весь газ, выделяющийся из стенок выработки и транспортируемой горной массы. Привнесенное в забой количество газа может достигать нескольких кубических метров в минуту, что потребует значительного увеличения количества отсасываемого воздуха из призабойной части выработки по сравнению с количеством воздуха, подаваемым в забой при нагнетательном способе проветривания.

Движение воздуха в призабойном пространстве выработок при всасывающем способе проветривания резко отличается от движения при нагнетательном способе проветривания. Если при нагнетательном способе воздух выходит из конца трубопровода в виде свободной струи с наиболее высокой скоростью движения, чем скорость движения в самой выработке, то при всасывающем способе проветривания поле с повышенной скоростью движения воздуха в свободном пространстве выработки создается непосредственно у конца всасывающего трубопровода и имеет шарообразную форму. Поэтому значительная часть потока воздуха может не использоваться для проветривания призабойной части, поступая из выработки непосредственно во всасывающий трубопровод [1].

Замерами, проведенными на шахте «Комсомольская» (ПО «Челябинскуголь»), установлено, что нулевые скорости потока располагаются в сфере, центром которой является отверстие всасывающего трубопровода. Поэтому при проветривании выработки всасывающим способом должно быть регламентировано не только расстояние конца всасывающего трубопровода.

Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ проветривания подготовительных выработок

Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ проветривания является промежуточным между нагнетательным способом и всасывающим и в известной степени исключает недостатки обоих способов и суммирует их преимущества. Комбинированный способ проветривания позволяет быстрее проветривать выработку при сравнительно небольшом количестве воздуха, при этом выработка на всем протяжении остается чистой, что обеспечивает возможность выполнения других технологических операций одновременно с проветриванием призабойного пространства от взрывных газов. Наряду с преимуществами, комбинированное проветривание имеет и недостатки. Например, нагнетательный вентилятор может устанавливаться в зоне, наиболее подверженной загазированию, что нежелательно по соображениям безопасности. Требуемые для реализации этого способа два вентиляционных трубопровода загромождают сечение выработки [4].

Названный способ широко применяется на шахтах Великобритании. При этом пылеотсасывающая установка, состоящая из всасывающего трубопровода и вентилятора, находится в 20–30 м от забоя и соединяется с гибким трубопроводом, подвешиваемым на тросе. Вентилятор и пылеотсасывающее устройство устанавливались на рельсовом ходу, а трубопровод крепился к комбайну.

Эффективность существующих способов подтверждается также результатами физического моделирования.

Выводы

Представленный выше анализ способов проветривания подготовительных выработок показывает, что основу требований при переходе к технологическим схемам всасывающего и нагнетательно-всасывающего способов проветривания составляют эффективный изолированный отвод пыли и газа из зон наиболее интенсивного пылеобразования и газовыделения и турбулизация воздуха в призабойном пространстве. При всасывающем проветривании в условиях негазовых шахт при должном отставании трубопровода от забоя такие требования, как правило, реализуются за счет отсоса количества воздуха, рассчитанного по минимально допустимой скорости движения при работающих средствах пылеподавления, а также при установке в забое дополнительных эжекторов.

Для газовых шахт необходима дополнительная турбулизация призабойной зоны для предотвращения местных скоплений метана. Поэтому в таких случаях следует переходить на нагнетательно-всасывающее проветривание. При этом основная роль нагнетательного вентилятора состоит в турбулизации воздуха как при работе средств пылеподавления, так и при остановках комбайна.

Однако при значительном газовыделении, когда для проветривания выработки требуется подача воздуха, несопоставимая с техническими средствами пылеотсоса, для наибольшей эффективности проветривания нагнетательная установка, кроме того, должна обеспечивать аэродинамическую изоляцию призабойного пространства. Такое условие реализуется с помощью установки в нагнетательном трубопроводе специального воздуховыпускного клапана на границе призабойного пространства. Выпуск воздуха лучше производить на расстояниях от забоя, соответствующих расположению перегруза горной массы на стационарные или мобильные средства ее транспортировки.

В результате призабойное пространство, где происходит основное пылеобразование, проветривается потоком воздуха, направленным к забою и всасу пылеулавливающей установки, а остальная часть выработки, аналогично нагнетательному способу, потоком воздуха к устью выработки, который формируется за счет количества воздуха на выхлопе пылеулавливающей установки и определенной частью от расхода воздуха через воздуховыпускной клапан. При расположении пылеулавливающих установок за пределами выработок обратный поток к забою формируют только за счет необходимой настройки воздуховыпускного клапана.

Источник

Способы проветривания при проветривании горных выработок.

Наиболее часто при строительстве тупиковых выработок их вентиляцию осуществляют с использованием вентиляторов местного проветривания (ВМП). Применяют три способа вентиляции: нагнетательный, всасывающий и комбинированный.

Нагнетательный способ проветривания (рис. 4.1, а) имеет наибольшее распространение, а на газовых шахтах он является обязательным и единственным. Его достоинство состоит в том, что призабойное пространство проветривается струей свежего воздуха, выходящего из трубопровода с большой скоростью. Эффективность этой струи сохраняется при расстоянии от конца трубопровода до забоя, равном lт ≤ 4 S ,

где S – площадь поперечного сечения выработки в свету, м2.

По Правилам безопасности на газовых угольных шахтах отставание трубопровода от забоя не должно превышать 8 м, а в негазовых –12 м.

Другим достоинством нагнетательного способа проветривания является то, что утечки воздуха через неплотности трубопровода разжижают вредные газы в исходящем по выработке потоке воздуха. При этом способе проветривания вентиляционный трубопровод на всем протяжении находится под повышенным давлением, которое распирает трубы изнутри. Это позволяет использовать легкие, гибкие трубы из герметичной ткани. Повышенное давление воздуха распрямляет и выравнивает их, уплотняя стыки и уменьшая аэродинамическое сопротивление. При нагнетательном способе проветривания ВМП устанавливается в выработке со свежей струей на расстоянии не менее 10 м от устья тупиковой выработки с тем, чтобы он не захватывал воздух из исходящей струи и не работал на рециркуляцию, а подача ВМП не должна превышать 70% количества воздуха, подаваемого к месту установки за счет проходящей сквозной струи.

К недостаткам нагнетательного способа проветривания следует отнести то, что при ведении взрывных работ ядовитые газы движутся по выработке и люди могут войти в выработку только тогда, когда содержание ядовитых газов в ней снизится до безопасных пределов. Однако при расчете проветривания учитывают то, что по мере движения газового облака от забоя выработки происходит непрерывное уменьшение концентрации ядовитых газов за счет разбавления свежим воздухом и диффузионных процессов. В результате этого на некотором расстоянии от забоя, называемом критической длиной выработки, концентрация ядовитых газов становится допустимой, поэтому при длине тупиковой выработки, большей критической, расчет проветривания ведут только на критическую длину.

Всасывающий способ проветривания (рис. 4.1, б) применяется в основном на шахтах, не опасных по газу. На газовых шахтах этот способ может применяться при использовании ВМП, допущенных для отсоса метановедущих смесей, а также эжекторов.

Основным достоинством этого способа является то, что свежий воздух отсасывается из призабойного пространства по трубопроводу, а свежий поступает к забою по выработке, поэтому она не загазовывается. Количество воздуха, необходимого для проветривания выработки, в этом случае меньше, люди могут находиться в выработке, но за пределами зоны отброса газов, которая имеет большие размеры.

Однако существенный недостаток этого способа проветривания – небольшая эффективность проветривания призабойной части и необходимость располагать конец вентиляционного трубопровода на весьма малом расстоянии от забоя, не превышающем lт = 0,5 S .

а – нагнетательный способ проветривания выработки.

б – всасывающий способ провеьтривания.

в – комбинированный способ проветривания

г – способ проветривания с использованием параллельной выработки

Рисунок. Способы проветривания тупиковых выработок:

1 – ВМП; 2 – вентиляционный трубопровод; 3 – вентиляционная перемычка

Так как при всасывающем способе проветривания трубопровод должен быть жестким, а конец его находится в зоне разлета кусков породы, трудно избежать повреждения труб. Использование гибкого трубопровода возможно только при установке ВМП в призабойной части, но и в этом случае с целью сохранности вентилятора к нему со стороны всасывания крепится металлическая труба. При комбинированном способе проветривания дополнительно к ВМП, работающему на всасывание, вблизи забоя устанавливается второй вентилятор (вспомогательный) с коротким нагнетательным трубопроводом, который эффективно проветривает призабойную зону. Подача нагнетательного вентилятора должна быть на 20-30% меньше расхода воздуха в месте его установки за счет всасывающего вентилятора. Этот способ проветривания сочетает достоинства первых двух способов. Применение его, как и всасывающего способа, целесообразно в условиях большой запыленности при комбайновом проведении выработок и силикозоопасных породах. Проветривание тупиковых выработок большой длины обычно осуществляется нагнетательным способом с использованием одного или нескольких установленных параллельно вентиляторов, работающих на трубопровод большого диаметра или на два параллельных трубопровода, либо каскадной установкой нескольких вентиляторов в начале трубопровода. На шахтах, опасных по газу и пыли, применяется также рассредоточенная по длине трубопровода установка вентиляторов. При этом расстояния между вентиляторами применяются такими, чтобы каждый вентилятор располагался в зоне повышенного давления, т. е. работал с подпором от предыдущего вентилятора.

Протяженные наклонные выработки, в особенности по угольным пластам, зачастую проводятся неодиночными. В этом случае проводимые параллельно выработки соединяются между собой через определенные расстояния вентиляционными сбойками. Одна из выработок используется для подачи свежей струи за счет общешахтной депрессии, другая – для выдачи исходящей. Проветривание тупиков (за последней сбойкой) осуществляется с помощью вентиляционных труб и ВМП, установленных в выработке со свежей струей на расстоянии не менее 10 м до сбойки. По мере проведения новых сбоек старые должны изолироваться воздухонепроницаемыми перемычками. Количество сбоек необходимо принимать минимально возможным, т. к. они будут отрицательно влиять на вентиляцию при эксплуатации выработок.

Количество воздуха, необходимое для проветривания тупиковых выработок, определяется по пяти факторам: по расходу ВВ и разжижению выделяющегося газа; по числу людей в забое; по минимальной скорости движения воздуха по выработке; по пылевому фактору, по разжижению вредных примесей при работе дизельного оборудования.

Из методички

Количесвто воздуха, необходимое для проветривания тупиковых выработок, определяется по пяти факторам: по расходу ВВ и разжижению выделяющегося газа; по числу людей в забое; по минимальной скорости движения воздуха по выработке; по пылевому фактору, по разжижению вредных примесей при работе дизельного оборудования.

1. расчетное количество воздуха, необходимое для разжижения продуктов взрыва при нагнетательном способе проветривания, определяется по формуле П.И, Мустеля:

Где – время проветривания, принимается равной 30 минутам; А- расход ВВ на 1 цикл, кг; S – площадь поперечного сечения выработки в проходке, ; L –протяженность проветриваемой выработки, м.

2. Расчетное количество воздуха, необходимое для разжжижения продуктов взрыва при всасывающем способе проветривания, определяется по формуле А.И. Ксенофонтовой:

3. Расчетное количество воздуха, необходимое для разжижения продуктов взрыва при комбинированном способе проветривания, определяется по формуле В.Н. Воронина:

Где — расстояние от забоя до всасывающего трубопровода, м.

При проведении выработок источниками пыли в вентиляционном воздухе являются: разрушение горных пород при выполнении буровзрывных работ, работающие механизмы и оборудование (погрузочные машины, скреперные установки, конвейеры, элэктровозный транспорт итд)

Расчет необходимого количества воздуха по выносу пылевых частиц при проведении горной выработки выполняется по формуле А.Д. Ворониной:

Где – время проветривания, принимается равной 30 мин; S- площадь поперечного сечения выработки в проходке, ; L – протяженность проветриваемой выработки, м; — расстояние от забоя до всасывающего трубопровода (по безопасности до 10 м); – коэф. утечек воздуха через соеднинения звеньев вентиляционного трубопровода, принимает значения 1,3-1,6; — максимальная запыленность воздуха при проведении выработки, наблюдается после взрывных работ до 1000 мг/м 3 ; – норма запыленности вентиляционного воздуха по безопасности, 2 мг/м 3 ; – запыленность поступающего свежего вентиляционного воздуха в выработке, принимаем 0,2 мг/м 3 .

Обеспечение вентиляции по пылевому фактору требует проверки по допустимой скорости вентиляционного потока, который препятствует оседанию пылевых частиц по протяженности выработки:

Где — минимальная скорость вентиляционного воздуха в выработке по безопасности принимаем равным 0,25-0,3 м/с.

Если скорость по формуле (5) будет меньше скорости , то расход воздуха по пылевому фактору рассчитаем по формуле:

Расчет необходимого количества воздуха по числу одновременно работающих рабочих,

Где – количество рабочих; – коэффициент запаса возуха 1,3-1,5

Выбор вентилятора исходит из уравнения производительности вентилятора а также из необходимого напора воздуха.

Источник