Энергетическая концепция проветривания призабойного пространства подготовительных выработок
В.Б. Артемьев, д.т.н., профессор, ОАО «СУЭК», Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор,
И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, Р.В. Ткачук, горный инженер, Шахтинский институт ЮРГТУ
Для снижения концентрации метана необходимо к месту его выделения подвести достаточный объем свежего воздуха. Проблема разбавления метана в забоях подготовительных выработок считается давно решенной. Имеются нормативные документы расчета и контроля параметров вентиляции, которые применяются на всех шахтах. Однако, несмотря на подачу к забою расчетного расхода свежего воздуха, в призабойном пространстве выработок происходят взрывы метановоздушных смесей (табл. 1).
Наиболее мощные взрывы с большим количеством человеческих жертв прогремели в Кузбассе (Россия), Китае, Украине, Казахстане. В период с 1970 г. по 2007 г. на шахтах России произошло 317 взрывов, в т. ч. с 2000 г. по 2007 г. - 76 взрывов с тяжелыми материальными и человеческими потерями. При этом в призабойных зонах подготовительных выработок произошло 17 взрывов или 22.4% (табл. 1). Источником воспламенения послужили неисправности электрооборудования, выработанное пространство, фрикционное трение и др. (табл. 2).
В подготовительных выработках основным источником воспламенения и взрывов метановоздушной смеси является искрение металлических частей и электрооборудование (электрические муфты, электрические пускатели, соединительные муфты на проходческом комбайне и т.п.). Из 17 взрывов причиной 12 (71%) было электрооборудование, т.е. источник находился в нижней части выработки и в зонах возможного снижения скорости воздуха и турбулентных процессов.
Взрывы происходили в призабойных пространствах подготовительных выработок при различных системах разработки на пологих и крутопадающих угольных пластах (табл. 3). Площадь поперечного сечения и расчетный расход воздуха были различными. Одинаковым было только представление о надежности расчетов необходимого воздуха.
Концепция проветривания тупиковых забоев была разработана в 1950-е годы, на основе которой сформировались поколения горняков, и в настоящее время ведется подготовка специалистов в области технологии и вентиляции, осуществляющих проектирование, эксплуатацию и надзор безопасности вентиляционных сетей на угледобывающих шахтах. На основе этой концепции разработаны и применяются нормативные документы для расчета и контроля параметров вентиляции тупиковых забоев.
Особенностью действующей методики расчета параметров вентиляции является то, что вычисленный расход воздуха для разбавления метана у забоя отождествляется с расходом воздуха, который истекает из выходного отверстия вентиляционной трубы. И в этом, по нашему мнению, заключается ошибка в представлении о закономерностях распределения воздушного потока в призабойном пространстве и в определении требуемого объема свежего воздуха для разбавления метана до допустимой ПБ концентрации.
На практике нашел применение нагнетательный способ подачи воздуха к забою выработки как более эффективный по сравнению со всасывающим. Однако по технологическим условиям проходческих работ вентиляционная труба рас-пологается с некоторым отставанием от забоя. В призабойном пространстве между исходящим отверстием вентиляционной трубы и забоем находятся проходческий комбайн или погрузочная машина, электрические кабели, электрооборудование и другое технологическое оборудование. В применяемой методике расчета априори принято, что все 100% свежего воздуха достигают забоя и участвуют в разбавлении метана. Такое представление основано на применении эмпирических закономерностей, полученных Г.Н. Абрамовичем применительно к свободным струям. Но свободная струя не должна иметь ограничений и встречно направленного потока.
При этом дальнобойность вентиляционной струи в призабойном пространстве, выведенная на основе формул Г.Н. Абрамовича, зависит от площади поперечного сечения выработки: с увеличением площади в современных выработках дальнобойность только увеличивается. Какой бы расход воздуха ни подавали по вентиляционной трубе, считается, что эффективность проветривания при отставании трубы от забоя до 8 м будет одинаковой. Расчеты по формулам проф. Г.Н. Абрамовича показывают, что при диаметре отверстия 0.6 м свободная струя на расстоянии 8 м от отверстия должна иметь диаметр 4.95 м. Но в горной выработке диаметр струи не может быть больше габаритов этой выработки. Поэтому в при-забойном пространстве будет уже не свободная струя воздуха и закономерности ее распространения другие.
Авторами предложена новая энергетическая концепция проветривания призабойного пространства, созданная на фундаментальных основах аэродинамики и шахтных экспериментах. Основные положения концепции:
- воздушный поток, выходящий из вентиляционной трубы, движется в ограниченном стенками выработки и потоком воздуха, движущимся в обратном направлении, пространстве;
- при отсутствии разделительной преграды часть свежего воздуха, подаваемого вентилятором, соединяется с возвращающимся потоком загрязненного воздуха, не достигая забоя;
- дальнобойность струи зависит от кинетической энергии массы воздуха, как физического тела, выходящего под давлением из вентиляционной трубы.
В результате шахтных замеров установлено:
- расход воздуха после истечения струи из трубы только на расстоянии от 0.5 до 0.7 м не изменяется. На этом участке происходит резкое уменьшение скорости воздушного потока. Замеры на расстоянии 0.6 м от трубы показали, что скорость по оси воздушной струи составляет в среднем 50-60% от скорости на выходе из отверстия трубы;
- скорость воздуха в потоке при движении в сторону забоя не постоянна. В отдельных точках скорость равна нулю или меньше 0.15 м/с;
- после достижения забоя выработки загрязненный поток газовоздушной смеси движется в обратном направлении. В этом потоке скорость движения воздуха также не постоянна;
- исходящая струя воздуха занимает больший объем приза-бойной части выработки, чем свежая, свежий воздух частично не доходит до забоя (рис. 1).
Лабораторные исследования производились на изготовленной специально модели выработки в масштабе 1:13. Были рассчитаны коэффициенты геометрического и энергетического подобия. Для исследования распространения воздушных струй в выработку под давлением подавался дым с использованием дыма машины. В призабойное пространство подавался дым, распространение которого фиксировалась на цифровой носитель видеокамеры 28 кадров/сек.
Исследовались варианты распространения воздушного потока в призабойном пространстве без аэродинамического сопротивления на пути движения потока (фото 2) и с аэродинамическим сопротивлением (фото 3).
В результате исследования на модели установлено, что в конце участка внезапного расширения вентиляционной струи ее диаметр составлял от 1.18do до 1.25do (do - диаметр выходного отверстия трубы). Для дальнейшего расчета приняли диаметр струи воздуха после внезапного расширения d1 = 1.2do. Снижение скорости струи после внезапного расширения находим из отношения потери давления к динамическому давлению струи воздуха в выходном сечении, которое является коэффициентом местного сопротивления
So, S1 - соответственно поперечное сечение вентиляционной трубы и вентиляционной струи после внезапного расширения;
Vo, V1 - соответственно средняя скорость воздушной струи на выходе из вентиляционной трубы и в конце участка внезапного расширения.
Сечения So и S1 известны, поэтому, если будет известна скорость V1, то можно определить скорость и расход воздуха на выходе из вентиляционной трубы Vo. Скорость воздушного потока в конце участка внезапного расширения принята за основу расчета, т.к. за этим участком происходит частичное разрушение потока и до забоя может дойти только расход воздуха Q3. Некоторая часть свежего воздуха в виде распределенных утечек переходит в загрязненный поток, двигающийся от забоя. Это хорошо видно на моделях (рис.1).
В результате замеров установлено, что при отставании трубы от забоя на 8 м диаметр компактной струи свежего воздуха у забоя равен двум диаметрам выходного отверстия трубы. При изменении расстояния от выходного отверстия до забоя диаметр струи у забоя можно определить по формуле:
l - расстояние от вентиляционной трубы до забоя выработки, м.
Площадь поперечного сечения компактной струи свежего воздуха у забоя
После определения необходимого расхода воздуха для разбавления метана Q3 и проверки его на допустимую скорость у забоя, определяем V1, Vo и необходимый расход свежего воздуха на выходе из вентиляционной трубы:
- при диаметре трубы do = 0.6 м:
Из выше приведенных выражений видно, что Qo больше, чем необходимый расход воздуха у забоя. При этом величина Qo зависит от расстояния трубы до забоя.
Однако при увеличении расхода воздуха, подаваемого к забою, кинетическая энергия выходящей массы из трубы будет такой, что весь поступающий по трубе воздух будет достигать забоя. Тогда в вышеприведенных формулах Qo получается меньше Q3. В этом случае необходимо определить минимальный расход свежего воздуха, при котором Q3 = Qo
m - коэффициент, равный 1.13 (при do = 0.6 м), и равный 1.02 м (при do = 0.8 м).
При дальнейшем увеличении Q3 при определении параметров вентилятора необходимо принимать Qo = Q3.
Авторами разработана методика и программное обеспечение для расчетов на ЭВМ, которые позволяют определить параметры вентиляционной сети и выбрать ВМП для эффективного разбавления метана в забое.
Выводы:
1. При расчете расхода свежего воздуха, подаваемого в забой подготовительной выработки, необходимо учитывать, что дальнобойность струи зависит от средней скорости истекающего воздуха из отверстия вентиляционной трубы и расстояния этого отверстия до забоя.
2. При расчете расхода воздуха из условия метанобезопасности необходимо учитывать, что расход свежего воздуха у забоя меньше по сравнению с расходом исходящего потока из вентиляционной трубы.
3. При недостаточном расходе свежего воздуха, достигающего забой, в призабойном пространстве формируются локальные застойные зоны с повышенной концентрацией метана. Такие зоны образуются в нижней части выработки, т.е. там, где расположено электрооборудование.
