Трубопроводная вентиляция на карьерах

А.С.Морин, Красноярская государственная академия цветных металлов и золота

Глубина многих действующих карьеров измеряется сотнями метров. По мере понижения горных работ обостряется проблема нормализации состава воздуха на рабочих местах.

Существующие в настоящее время технические предложения по обеспечению воздухообмена между внутрикарьерной атмосферой и окружающей средой принято делить на две основные группы: способы интенсификации естественного проветривания и способы искусственной вентиляции [1, 2, 3].

Способы, входящие в первую группу, могут быть реализованы с помощью специальных технологических мероприятий, а именно: путем ориентации карьера или вскрывающих выработок в плане по направлению господствующего ветра; сноса отвалов, расположенных вблизи карьера, или выполаживания их откосов; разноса бортов карьера; создания плавной конфигурации борта карьера и уменьшения угла откоса уступа. Интенсификация естественного воздухообмена также может быть достигнута с помощью специальных сооружений и устройств подземного, наземного и воздушного базирования.

Вторая группа объединяет способы активизации воздухообмена с использованием следующих технических средств вентиляции: установок на базе вентиляторов или авиационной техники, а также с помощью тепловых установок. Многочисленные схемы применения этих устройств реализуют беструбный, нагнетательный, всасывающий или комбинированные способы искусственной вентиляции карьеров. Высокопроизводительные беструбный и нагнетательный способы проветривания направлены на формирование в загрязненном технологическом пространстве свободных турбулентных воздушных струй, истекающих непосредственно из силовых вентиляционных установок или подсоединенных к ним нагнетательных воздуховодов. Экологичный, но малопроизводительный всасывающий способ проветривания обеспечивает удаление загрязненного воздуха из карьера по всасывающим воздуховодам. Комбинирование нагнетательного способа вентиляции со всасывающим или беструбного способа с нагнетательным или всасывающим способами [4] позволяет интенсифицировать процесс проветривания. При осуществлении искусственной вентиляции силовые установки располагают на поверхности и рабочих площадках карьера или в его воздушном пространстве. Воздуховоды прокладывают по бортам и рабочим площадкам, устанавливают вертикально на наземных опорах или подвешивают в воздухе. В качестве воздуховодов могут быть использованы подземные горные выработки, пройденные с поверхности к нижним горизонтам карьера.

Многие годы наиболее перспективным считался беструбный способ искусственной вентиляции. На базе обширных теоретических и экспериментальных исследований был разработан и испытан в условиях производства ряд струйных вентиляторных установок различного назначения: ОВ-1, ОВ-2, ОВ-3, АВК-3, АВК-35, АИ-20КВ, НК-12КВ, УМП-1, УМП-14, УМП-21 и др. Ожидалось, что проблема искусственной вентиляции глубоких карьеров из стадии поисковых работ скоро перейдет в область практического внедрения эффективных инженерных решений [5]. Однако до сих пор этот прогноз не сбылся. Результаты исследований, проведенных в Горном институте КНЦ СССР, поставили под сомнение эффективность беструбного способа вентиляции глубоких карьеров исходя из энергоемкости процесса [6]. В работе [7] авторы выполнили численные расчеты каскадных схем беструбного проветривания и установили, что для активного выноса загрязненного воздуха из чаши карьера глубиной 450 м и инверсии g = –0.03 К/м понадобится 7 вентиляторных установок суммарной мощностью 340 тыс. кВт. Выделение требуемого количества энергии для нужд вентиляции делает открытый способ разработки недр неэкономичным. Поэтому в последующие годы исследования постепенно были переориентированы на разработку методов и средств очистки воздуха в застойных зонах за счет распыления воды и генерирования снега, а также средств автономного воздухоснабжения горнорабочих [8]. В результате глубокие карьеры продолжают работать в рваном ритме в условиях сильной запыленности и смога и остаются источником залповых пылегазовых выбросов гигантского объема в периоды смены метеорологической ситуации. Нерешенность проблемы проветривания глубоких горизонтов карьеров в некоторых случаях предопределяет преждевременный переход на подземный способ доработки месторождений.

Анализируя достоинства и недостатки рассмотренных выше способов искусственной вентиляции, можно предположить, что при инверсионном состоянии атмосферы глубокого карьера энергетически выгоднее воздействовать на нее, используя нагнетательный способ проветривания. При этом обеспечивается подача к нижним горизонтам более теплого воздуха, который способствует компенсации дефицита тепловой энергии в атмосфере карьера и налаживанию естественных воздухообменных процессов. Конечно, удельные энергозатраты на перемещение 1 м3 воздуха через выходное сечение нагнетательной трубопроводной системы будут больше, чем у беструбной, но в данном случае этот параметр не имеет решающего значения. Более важно оценить эффективность энергетических затрат той и другой вентиляционной системы. Для такой оценки введем показатель эффективности энергетического воздействия на атмосферу карьера


где Nв – мощность механического и теплового воздействия вентиляционной системы на атмосферу карьера, Вт; N – мощность, потребляемая приводом вентиляционной системы, Вт.

У беструбной вентиляционной системы (БТВС), изображенной на рис. 1, а, Nв = N, а К = 1.

Показатель эффективности энергетического воздействия трубопроводной вентиляционной системы (ТВС) на атмосферу карьера (рис. 1, б) может быть рассчитан по уравнению вида


где

h – общий к.п.д. вентиляторной установки,

здесь l – коэффициент сопротивления трения;

Lэ – эквивалентная длина трубопровода, м;

D – внутренний диаметр трубопровода, м;

Q – объемный расход воздуха, м3/с;

Н – разность геодезических отметок точек входа и выхода из вентиляционной сети, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

rк и rт – средние плотности двух сообщающихся столбов воздуха высотой Н, расположенных соответственно в карьерном пространстве и в трубопроводе, кг/м3;

ср – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К);

DТ = Т1 – Т2 – разность температур атмосферного воздуха в точках входа и выхода из трубопроводной сети, К.

Полученное уравнение позволило дать оценку значений К для различных условий применения ТВС (рис. 2) при стандартном состоянии атмосферного воздуха, имеющего температуру Т1 = 293.15 К, давление р1 = 101325 Па, плотность r1 = 1.204 кг/м3, кинематический коэффициент вязкости n = 15.06 · 10–6 м2/с и удельную теплоемкость ср = 1005 Дж/(кг·К).

Результаты расчетов подтверждают высокую энергетическую эффективность использования ТВС при нагнетательном проветривании глубоких карьеров с инверсионным распределением температуры воздуха. В ряде случаев показатель эффективности энергетического воздействия К у этих вентиляционных систем в десятки раз превосходит аналогичный показатель использования БТВС (К = 1). Учитывая, что ТВС обеспечивают гарантированный в пределах производительности Q воздуходувной машины приток свежего воздуха в заданную точку независимо от метеорологической ситуации и дальности доставки при приемлемых значениях потребляемой мощности N, а также возможность быстрого перехода на всасывающий способ вентиляции с локализацией и очисткой загрязненного воздуха, можно говорить о большой перспективности использования ТВС в целях оздоровления атмосферы глубоких карьеров и прилегающих к этим карьерам территорий.

Недостатками традиционных наземных ТВС являются их стационарность и плохая совместимость с технологией и процессами ОГР. Этих недостатков лишен новый воздухопроводный комплекс [9, 10, 11,12], реализующий нагнетательный (рис. 3, а) или всасывающий (рис. 3, б) способы проветривания карьеров. Комплекс организует воздухообмен между рабочими зонами и поверхностью карьера по одному или нескольким гибким надувным плавучим трубопроводам путем нагнетания или всасывания воздуха через их нижние концевые части, перемещаемые по рабочим зонам с помощью мобильных устройств.

Комплекс состоит из гибкого трубопровода, верхний конец которого сочленен через переходной элемент со стационарной вентиляторной установкой, располагаемой на верхнем горизонте карьера (рис. 3) или в точке выхода вентиляционных подземных выработок на поверхность выработанного пространства карьера, а нижний конец закреплен на поворотном шарнире жесткой насадки, размещенной на самоходной установке.

Трубопровод (рис. 4) собран из отдельных звеньев с внутренним фиксированным отверстием. Звенья выполнены в виде надувных баллонов, заполненных аэростатным газом (например, гелием) с обеспечением плавучести собранного трубопровода в окружающей атмосфере. Условие плавучести трубопровода выполняется при следующем соотношении конструктивных параметров его основных элементов


где Dн и D – соответственно внешний и внутренний диаметры надувного баллона, м;

G – вес одного звена с соединительными элементами, кгс;

f – удельная подъемная сила аэростатного газа, кгс/м3 (у гелия при 0°С, f = 1.114 кгс/м3);

Lб – длина надувного баллона, м.

Друг с другом звенья соединены герметично с возможностью изгиба трубопровода в местах их сочленений. Для поддержания заданного избыточного давления в надувных баллонах предусмотрено подключение баллонов к источнику сжатого аэростатного газа. При нормальном монтаже и правильной эксплуатации трубопровод долгое время сохраняет работоспособность (до 5 лет) и высокую надежность (при температурах воздуха от –60 до +60°С). Легкая плавучая конструкция трубопровода не создает препятствий ведению открытых горных работ, безопасна для работающих в карьере людей и в случае необходимости быстро выводится на поверхность.

Рассмотренный комплекс за счет своей высокой мобильности позволяет эффективно управлять состоянием атмосферного воздуха в рабочих зонах карьера. Производительность одной установки может составлять 10–600 м3/с при внутреннем диаметре трубопровода 1–5 м.     

Журнал "Горная Промышленность" №3 2002