Эффективные способы вентиляции подземных горнодобывающих предприятий

Н.Н.Мохирев, проф., Пермский Государственный технический университет


До недавнего времени схема вентиляции подземных горнодобывающих предприятий, будь то всасывающая, нагнетательная или комбинированная, предусматривала размещение главных вентиляторных установок в устье одного из стволов. Создавая в районе размещения на стволах огромную депрессию, в случае работы на всасывание, или давление, в случае нагнетания воздуха в шахту, такие установки характеризовались большими утечками воздуха, величина которых колебалась от 7 до 70% их производительности. Так, на 1-м Соликамском калийном руднике утечки воздуха в надшахтном комплексе (скипо-клетьевой ствол) доходили до 75% (данные 1995 года), на 2-м Соликамском калийном руднике (скиповой ствол) – до 60%. Средняя величина утечек воздуха в надшахтных комплексах шахт Кривбасса составляла в свое время 24.1% производительности вентиляторных установок [1]. Утечки воздуха в надшахтных комплексах вентиляторных установок нормируются, однако, как показало обследование 27 башенных копров 25-ти угольных шахт Украины [2], поверхностные утечки превышали в 2–8 раз нормируемые.

В зарубежной практике при вентиляции шахт и рудников давно уже широко используются вентиляторные установки подземного размещения. К сожалению, Россия значительно отстает в этом отношении.

Как показывает практика, использование вентиляторов подземного размещения обеспечивает:

-    наименьшие утечки воздуха в районе установочного комплекса;

-    надежность и стабильность работы вентиляторных установок, особенно в районах Крайнего севера, характеризующихся длительным периодом отрицательных температур;

-    снижение уровня шума в пределах производственной площадки, прежде всего, при работе осевых быстроходных вентиляторов;

-    упрощение схемы поверхностного производственного комплекса.

В качестве примера, подтверждающего преимущества подземного размещения вентиляторных установок перед поверхностным, может служить опыт проветривания рудника 1-го Соликамского калийного рудоуправления, который до 1989 г. проветривался с использованием подземной вентиляторной установки на базе вентиляторов ВУПД-24 (700 об/мин). Утечки воздуха в пределах установочного комплекса, включающего резервный вентилятор и каналы, колебались в пределах от 5 до 7% производительности вентилятора, при этом по подземным горным выработкам рудника циркулировало до 150 м3/с свежего воздуха. В 1989 году была запущена в эксплуатацию поверхностная вентиляторная установка на базе вентиляторов ВРЦД-4,5. В последнее время утечки воздуха в поверхностном комплексе превышают 50%, а по горным выработкам циркулирует чуть больше 200 м3/с свежего воздуха. Установочные мощности возросли почти в три раза, а прирост расхода воздуха в выработках – всего на 25%.

В настоящее время запущена в работу подземная вспомогательная вентиляторная установка главного проветривания на базе вентиляторов ВОД-30м в руднике 2-го Березниковского калийного рудоуправления (рис. 1). Проект установки выполнен проектной организацией ОАО «Галургия» (г. Пермь) по исходным данным, подготовленным в Пермском государственном техническом университете (ПермГТУ). Рудник, разделенный на два крыла, при его сдаче в эксплуатацию (1969–1970 гг.) проветривался поверхностной вентиляторной установкой главного проветривания ВРЦД-4,5 (375 об/мин). Общий порядок отработки шахтного поля прямой, порядок отработки панелей обратный. При отходе рабочих зон к северной и южной границам шахтного поля встал вопрос о реконструкции вентиляционной системы. Согласно проекту в северном и южном крыльях рудника должны быть установлены две подземные вентиляторные установки, состоящие каждая из двух вентиляторов – рабочего и резервного.

В дальнейшем проект был изменен: в северном крыле была запущена предусмотренная первоначально вентиляторная установка, в южном – вентиляторная установка, работающая в режиме эжекции и состоящая первоначально из 8 вентиляторов местного проветривания (рис. 2). В дальнейшем число вентиляторов снизили до 6. Общий объем воздуха, который подавался эжектирующей установкой, превышал собственную суммарную производительность вентиляторов в 1.7–2.1 раза. В таком виде вентиляционная система рудника эксплуатировалась в течение более 15 лет.

Проводимые регулярно на руднике воздушно-депрессионные съемки показали, что поверхностная установка на базе вентиляторов ВРЦД-4,5 характеризуется утечками воздуха в пределах от 20 до 26% ее производительности,  в то время как подземная – в пределах от 4 до 7% и эжектирующая – 0,0%.

Подземные вентиляторные установки помогли решить проблему вентиляции многих рудников, имеющих вентиляционные связи с поверхностью через выработанные пространства, по которым воздух проникает в шахты или, наоборот, выдается на поверхность. Согласно [3] средняя величина прососов воздуха с поверхности составляет 30–40% дебита главных вентиляторных установок (ГВУ). Чаще всего этот воздух не участвует в проветривании рабочих зон, но на его циркуляцию затрачивается огромная энергия. Большие прососы воздуха через выработанные пространства делают вентиляционные сети рудников трудно управляемыми, а для регулирования потоков воздуха вынужденно применялись дополнительные энергоемкие регуляторы воздухораспределения, т.к. обычные, общедоступные и дешевые средства регулирования с помощью перемычек становятся неэффективными.

К подобным предприятиям относятся шахты ОАО «Севуралбокситруда». Как показали исследования, на двух крупнейших шахтах этого акционерного общества прососы воздуха с поверхности составляют: на шахте «Красная Шапочка» – 32%, на шахте «Кальинская» – 34.5% производительности ГВУ, расположенных на флангах шахтного поля. Естественно, что с целью улучшения общего состояния вентиляции шахт постоянно ведется поиск путей уменьшения прососов воздуха не только с поверхности, но и из горных выработок под землей.

Хорошо известным способом предотвращения прососов воздуха с поверхности является установление таких режимов работы вентиляторных установок, при которых в шахте образуется зона нулевой депрессии. Эта зона, а вернее точка с нулевой депрессией, может быть достигнута работой минимум двух вентиляторных установок, одна из которых должна работать на нагнетание (в точке А, рис. 3), а другая (в точке В) – на всасывание. В любом случае режимы работы вентиляторных установок определяются из условия равенства давления hA, которое развивает нагнетательный вентилятор в выработках от точки А до точки С с нулевой депрессией, депрессии hB, которая создается всасывающим вентилятором в выработках за точкой С по ходу струи до точки В. Это равенство давления hA и депрессии hB опишется выражением

Естественно, что для других выработок этого же горизонта точка с нулевой депрессией будет располагаться в какой-то точке D. Для выработок другого горизонта точки с нулевой депрессией расположатся, к примеру, в точках E и F. В пределах выработанного пространства, расположенного над выработками шахты, точки с нулевой депрессией также будут существовать (точка G и т.д.). Таким образом, в шахте образуется кривая плоскость (правильнее, поверхность) с нулевой депрессией, вдоль которой движение воздушных струй невозможно.

С одной стороны этой плоскости (со стороны воздухоподающего ствола A) будет существовать область с избыточным давлением, с другой (со стороны вентиляционного ствола B) – область с депрессией. Из первой области во вторую будет перетекать воздух перпендикулярно кривой плоскости с нулевой депрессией. В области с повышенным давлением преобладающим направлением движения воздушных масс будет к поверхности и к плоскости с нулевой депрессией, во второй области наоборот – от поверхности и от плоскости с нулевой депрессией к действующим выработкам. Изменяя режимы работы вентиляторов, т.е. изменяя местоположение плоскости с нулевой депрессией, можно или увеличить выбросы воздуха через выработанное пространство на поверхность (в атмосферу) или, наоборот, увеличить поступление воздуха в шахту.

Данный метод позволяет регулировать движение воздушных струй через выработанные пространства, однако решить кардинально проблему прекращения выбросов воздуха в атмосферу или поступления из атмосферы в шахту через выработанные пространства не может. Необходимо отметить также, что это весьма дорогой способ вентиляции и в существующих условиях доступен не всем шахтам.

Для поиска путей снижения прососов воздуха через выработанные пространства были смоделированы вентиляционные системы реальных шахт, для чего в качестве вентиляционных сетей были приняты пространственные решетки, в которых ветви представляли существующие выработки и пути движения воздуха в выработанных пространствах. Толщина решетки была эквивалентна сумме вынимаемой мощности пласта и мощности разрушенной пачки налегающих пород, длина – ширине шахтного поля по простиранию пласта и высота – наклонной высоте вынимаемого пласта по падению. Аэродинамические сопротивления ветвей, представляющих выработки, определялись расчетным путем или на основании натурных измерений, а ветвей, представляющих пути движения воздуха в выработанном пространстве, – с использованием методик, описанных в работах [3, 4]. На рис. 4 показаны упрощенно схемы движения потоков, являющихся результирующими векторов расходов воздуха в элементарных ячейках (контурах) пространственной решетки. Схемы движения потоков приняты для одной из плоскостей, лежащей (проходящей) в пространственной решетке и ориентированной по падению отрабатываемого пласта.

Расчеты вентиляционной сети проводились применительно к шахте «Красная Шапочка» ОАО «Севуралбокситруда» при следующем расположении главных вентиляторных установок:

-    двух на поверхности, работающих на нагнетание на воздухоподающем стволе и на всасывание на вентиляционном стволе (см. рис. 3 и рис. 4а);

-    одной на поверхности, работающей на всасывание на вентиляционном стволе (рис. 4б);

-    одной под землей у вентиляционного ствола (рис. 4в);

-    одной под землей у воздухоподающего ствола (рис. 4г).

Расчеты проводились при условии подачи требуемых объемов воздуха в рабочие зоны условно двух отрабатываемых горизонтов. Моделирование вентиляционных систем, приближенных к условиям реальных шахт, дали следующие результаты.

При работе двух вентиляторных установок (см. рис. 4а) развиваемые ими параметры (давление и подача) зависят от выбранных режимов их работы, которые в свою очередь зависят от того, в какой точке необходимо получить нулевую депрессию. При примерно равных развиваемых давлении и депрессии вентиляторы, если они одного типа, имеют примерно равные подачи. Последнее при оценке состояния вентиляции приводит к следующему. Если подходить формально с точки зрения ведения воздушно-депрессионных съемок, когда многие параметры вентиляции определяются косвенным путем, а не путем непосредственных измерений, то движение воздуха в шахту или из шахты по выработанным пространствам не обнаруживается, т.к. поступление воздуха в шахту по воздухоподающему стволу будет примерно равным выдаче исходящего воздуха по вентиляционному стволу. В то же время расчеты вентиляционной сети показывают, что результирующий поток, складывающийся из потоков, выходящих из шахты (в области, примыкающей к воздухоподающему стволу) и входящих в нее (в области, примыкающей к вентиляционному стволу) по выработанным пространствам может составить в среднем до 17% средней подачи ГВУ для реальной шахты. Здесь под подачей следует понимать не производительность ГВУ, а ту часть объема воздуха, подаваемого непосредственно в ствол или выдавемого из него.

При работе поверхностного вентилятора на всасывание (см. рис. 4б), что является типичной схемой проветривания шахт ОАО «Севуралбокситруда», ГВУ должна развивать достаточно высокие параметры (на 15 – 25% больше, чем в предыдущем примере), чтобы обеспечить воздухом все рабочие зоны, а это приводит к большим прососам воздуха с поверхности по выработанным пространствам. Общая величина прососов для тех же условий, какие были приняты при работе двух ГВУ, составляет уже 29.5% производительности вентилятора, установленного на вентиляционном стволе.

При работе подземной ГВУ у вентиляционного ствола (см. рис. 4в) ее параметры на 12.3% меньше, чем при работе одной ГВУ на поверхности, а прососы воздуха по выработанным пространствам составляют всего 12.7% производительности вентилятора.

При работе ГВУ, расположенной у воздухоподающего ствола (см. рис. 4г), развиваемые параметры на 9.9% меньше, чем у ГВУ на поверхности, при этом прососы воздуха (выбросы на поверхность по выработанным пространствам) составляют 14.8% производительности вентилятора.

Параметры подземных вентиляторов зависят в основном от соотношения сопротивлений сети выработок со стороны всасывания или нагнетания вентиляторов. Для рассматриваемого примера сопротивление вентиляционного ствола несколько выше сопротивления воздухоподающего, как и существует на шахте, поэтому оказалось, что сопротивление со стороны нагнетания у подземного вентилятора большое, а поэтому его показатели (в т.ч. просос воздуха через выработанное пространство на дневную поверхность) хуже, чем у вентилятора, расположенного у вентиляционного ствола. Может оказаться и наоборот. В любом случае параметры и показатели работы подземных вентиляторных установок намного лучше, чем у поверхностных, а потоки воздуха по выработанным пространствам намного ниже, чем при работе поверхностных вентиляторов, следовательно, выше безопасность работ. Однако в любом случае предпочтение должно отдаваться установке ГВУ у вентиляционного ствола, т.е. там, где нет движения транспорта и грузов. В данном случае намного упрощается конструкция ГВУ, т.к. отпадает необходимость в сооружении дорогостоящих вентиляционных устройств (шлюзов и т.д.). Размещение ГВУ у воздухоподающего ствола требует сооружения шлюза, выдерживающего перепад давления, развиваемого этим ГВУ, а случайное разрушение шлюза приведет к нарушению всей вентиляционной системы шахты, т.е. к серьезной аварии, требующей остановки работ в шахте.

Проведенные расчеты выполнены без осуществления каких-то специальных мероприятий по дополнительной изоляции выработок, чтобы уменьшить протекание воздушных масс по выработанным пространствам. Однако, предусмотрев специальные вентиляционные выработки (базовые вентиляционные горизонты), можно еще более повысить эффект от работы подземных вентиляторных установок. Следуя этому, были выбраны места размещения подземных вентиляторных установок и базовых горизонтов при реконструкции вентиляционной системы шахты «Красная Шапочка» ОАО «Севуралбокситруда», при которых обеспечивались минимальные просачивающиеся через выработанные пространства объемы воздуха.

Таким образом, подземное размещение ГВУ достигает три цели:
-    повышается безопасность работ подземных рабочих, т.к. уменьшается просос воздуха с поверхности и сводятся к минимуму рециркулирующие по выработанным пространствам объемы воздуха;
-    обеспечивается более экономичная работа вентиляторных установок;
-    увеличиваются перепады давления в пределах выработок рабочих горизонтов, что делает эту часть вентиляционной системы более управляемой.
На базе проведенных расчетов был выполнен проект реконструкции шахты (Специализированный проектный институт «СУБР-ПРОЕКТ»), который прошел экспертизу в Госгортехнадзоре РФ и был рекомендован к осуществлению. Подобные расчеты и анализы проведены еще для двух шахт ОАО «Севуралбокситруда».

ЛИТЕРАТУРА:
1. Слюсаренко В.Г., Ошмянский И.Б. Состояние и проблемы вентиляции рудников Кузбасса // Изв. вузов. Горный журнал. –1982. -№ 8. –С. 65-70.
2. Кара В.В., Пальчик Д.А., Переверзев И.П. Утечкам воздуха в шахтах – заслон // Безопасность труда в промышленности. –1989. -№ 6. –С. 31-32.
3. Алборов И.Д., Худиев Ч.М. Аэродинамическое сопротивление зон обрушения // Безопасность труда в промышленности. –1995. -№ 3. –С. 23-27.
4. Ярцев В.А. Аэродинамическое сопротивление обрушений // Горный журнал. Известия ВУЗов. –1966. -№ 2. –С. 50-56.

Журнал "Горная Промышленность" №5 2004