Основные положения методики оценки влияния способа вентиляции шахты на эффективность дегазации выработанного пространства

Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)»;

В.Б. Артемьев, д.т.н., профессор, ОАО «Сибирская Угольная Энергетическая Компания» (СУЭК);

И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)»;

Е.И. Любомищенко, аспирант, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)» На шахтах Кузбасса применяется нагнетательный и нагнетательно-всасывающий способы проветривания горных выработок. На шахтах Донецкого и Печорского бассейнов применяется всасывающий способ. На угольных шахтах эти способы проветривания предусматривались Правилами безопасности (ПБ). Такой выбор обосновывался тем, что при нагнетательном способе вентиляции во время остановки главного вентилятора будет увеличиваться поступление метана из выработанного пространства. Однако практика проветривания не подтвердила этого опасения, и поэтому в действующих ПБ [1] к способам вентиляции предъявляется лишь одно требование: исключение самопроизвольного опрокидывания и закорачивания вентиляционных струй.

В последние годы на шахтах возросли темпы очистной выемки углей. Пропорционально увеличились за лавами объёмы выработанного пространства, которые заполняются метановоздушной смесью опасной концентрации. Поэтому совсем недавно принят Закон РФ [2], в котором записано, что в целях снижения содержания взрывоопасных газов совместно с вентиляцией должна проводиться дегазация выработок.

Известно, что вентиляция служит для разбавления и удаления вредных примесей из атмосферы шахтных выработок на дневную поверхность, а дегазация выработанного пространства призвана удалить метановоздушную смесь путём, изолированным от вентиляционных потоков. Распространённый способ дегазации – отвод метановоздушных смесей на дневную поверхность через специальные дегазационные скважины. Отвод осуществляется специальными вентиляционными системами типа ВМЦ или вакуумнасосными станциями, которые имеют значительно меньшие рабочие параметры, чем вентиляторы главного проветривания.

Таким образом, по нашему мнению, на метанообильных шахтах должны совмещаться два способа удаления взрывоопасных газов, имеющие свои независимые нагнетатели, так как объектом вентиляции служит очистное пространство, а объектом дегазации – выработанное пространство. Однако эти пространства не имеют твёрдой границы. Поэтому вентиляторы главного проветривания могут оказывать влияние на эффективность работы дегазационной системы.

Для сравнения двух способов вентиляции выработок на рис. 1 и 2 показаны упрощённые схемы движения воздушных потоков в них. Характерные изменения воздушных потоков в схемах показаны точками от 1 до 11. На первый взгляд, для работы дегазационных скважин (ветви 8–11 на рис. 1 и 6–10 на рис. 2) нет никакой разницы в том, какой способ вентиляции выработанного пространства применяется.

Рис. 1 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при нагнетательном способе

Рис. 1 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при нагнетательном способе

Рис. 2 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при всасывающем способе

Рис. 2 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при всасывающем способе

Рассмотрим в вентиляционных сетях аэродинамику потоков газов. Параметры перемещаемых потоков при нагнетательном и всасывающем способе вентиляции различны. Вспомним, что поток воздуха характеризуется двумя энергетическими параметрами: напором и давлением. Давление вентилятора представляет собой энергию, сообщённую единице объёма газа, прошедшего через вентилятор.

Методика расчётов параметров при нагнетательном способе вентиляции

В выходящем потоке создаётся повышенное полное давление Рп, величина которого с увеличением расстояния от вентилятора уменьшается (рис. 3).

Рис. 3 Эпюры давления, создаваемого вентилятором в потоке воздуха при нагнетательном способе вентиляции: Рп, Рст, Рд – соответственно полное, статическое и динамическое давление в потоках воздуха, даПа

Рис. 3 Эпюры давления, создаваемого вентилятором в потоке воздуха при нагнетательном способе вентиляции: Рп, Рст, Рд – соответственно полное, статическое и динамическое давление в потоках воздуха, даПа

При нагнетательном способе вентилятор выбирается по полному давлению hv, которое должно быть создано в точке выхода струи в атмосферу (см. рис. 1, точка 9), и определяется по формуле

066 5(1)

где: h2–9 – суммарные потери давления в вентиляционной сети между сечениями 2–9 (см. рис. 1), даПа; ρ – плотность воздуха, кг/м3; V – скорость воздуха в выходном сечении из сети в атмосферу (см. рис. 2, точка 9), м/c; g – ускорение свободного падения, м/с2; РН, РВ – соответственно давление после выхода из сети и перед входом в сеть (см. рис. 1, точки 10 и 1).

Согласно утверждённой современной методике для расчёта параметров вентиляции и выбора вентилятора определяется его давление, которое он обеспечивает. Однако в атмосфере выработок одновременно действуют и изменяются два типа давления: создаваемое вентилятором и гидростатическое атмосферное давление, которое определяется величиной столба воздуха от поверхности. Поэтому статическое давление в любой выработке равно сумме гидростатического давления и избыточного давления, создаваемого вентилятором в вентиляционной струе воздуха.

Статическое или избыточное давление в струе в любой точке сети равно сумме потерь между данной точкой и точкой на выходе из сети. Например, при движении воздушного потока по лаве от точки 5 к точке 6 (см. рис. 1) статическое давление уменьшается.

В точке 6 это давление достигает значения, определяемого по формуле:

066 6

где: h6–9 – суммарные потери статического давления в сети от точки 6 до точки 9; R – аэродинамическое сопротивление (кг·с2/м8); Q – расход воздуха в сети (м3/с) между точками 6 и 9.

В точке 6 лавы также, как и в выработанном пространстве в точке 8, суммарное статическое давление будет равно

066 9(2)

где: ρ – средняя плотность воздуха в исходящем потоке из лавы на участке между точками 6–9, кг/м3; Н – вертикальное расстояние между уровнями точек 9 и 6, м. Из формулы (2) видно, что в точке 5 статическое давление будет больше, чем в точке 6. Поэтому метановоздушная смесь из выработанного пространства в результате разности давлений выдавливается к точке 8, а затем и в верхний куток лавы. Статическое давление при нагнетательном способе может иметь и отрицательное значение при резком уменьшении площади поперечного сечения и увеличении динамического давления. Полное давление при этом всегда положительное. Если в точке 6 (см. рис. 1) уменьшится площадь поперечного сечения, то приток метановоздушной смеси в лаву резко увеличится. Подсос метановоздушных смесей из законсервированных выработанных пространств может нарастать с увеличением скорости перемещаемого воздуха в приграничных выработках.

Рис. 4 Эпюры давления, создаваемого вентилятором в потоке воздуха при нагнетательном способе вентиляции: Рп, Рст, Рд – соответственно полное, статическое и динамическое давление в потоках воздуха, даПа

Рис. 4 Эпюры давления, создаваемого вентилятором в потоке воздуха при нагнетательном способе вентиляции: Рп, Рст, Рд – соответственно полное, статическое и динамическое давление в потоках воздуха, даПа

Влияние нагнетательного способа вентиляции на эффективность дегазации выработанного пространства шахты Дегазация производится с поверхности через скважину 8–11 (см. рис. 1). Все дегазационные вентиляторные и вакуумнасосные установки, находящиеся на поверхности или в шахте, работают по принципу всасывания. Рассмотрим физические процессы, протекающие в линии всаса любых нагнетателей. Из рис. 3 и 4 видно, что при нагнетании и при всасе эпюры давления в перемещаемых потоках – не одинаковы. Во всасывающем воздуховоде статическое давление – всегда отрицательное, а динамическое – положительное. Применяемые дегазационные установки развивают давление, которое рассчитывается по формуле:

066 7(3)

где: h8–11 – суммарные потери давления в дегазационной сети между сечениями 8–11 (см. рис. 1) или 0–1 (см. рис. 4), даПа; ρ1 – плотность метановоздушной смеси, кг/м3; V1 – скорость метановоздушной смеси воздуха в выходном сечении сети (см. рис. 4, сечение 1 или рис. 1 точка 11), м/c; g – ускорение свободного падения, м/с2; РН, РВ – соответственно давление на дневной поверхности после выхода вентиляционной струи из сети и в выработанном пространстве (см. рис. 1, точки 11 и 8), даПа.

Давление в выработанном пространстве определяется по формуле (2), а давление дегазационной установки, с учётом влияния давления в выработанном пространстве, составит:

066 11(4)

После преобразований формулы (4) получим расчётную формулу:

066 12(5)

Из формулы (5) видно, что при нагнетательном способе вентиляции потери давления в сети увеличиваются. Депрессия, создаваемая дегазационной установкой, увеличивается на величину статического давления в вентиляционной ветви. Для верхней части лавы это давление равно суммарным потерям статического давления в сети от точки 6 до точки 9 (см. рис. 1).

Методика расчёта параметров при всасывающем способе вентиляции

Выбор вентилятора при таком способе (см. рис. 2) производится по статическому давлению в сети, определяемому по формуле:

066 13(6)

где: h1–8 – суммарные потери давления в вентиляционной сети между сечениями 1–8 (см. рис. 2), даПа; ρ – плотность воздуха, кг/м3; V – скорость воздуха в выходном сечении из сети в атмосферу (см. точку 9 рис. 2), м/c; g – ускорение свободного падения, м/с2; РН, РВ – соответственно давление после выхода из сети и перед входом в сеть (см. рис. 2, точки 9 и 1), даПа.

Статическое давление в вентиляционном потоке всегда имеет отрицательный знак и равно сумме полного и динамического давления. Суммарное гидростатическое и статическое давление потока в лаве в точке 4 равно

066 14(7)

где: h1–4 – суммарные потери давления в вентиляционной сети между сечениями 1 и 4; ρ – средняя плотность воздуха в исходящем потоке из вентилятора, кг/м3; Н– вертикальное расстояние между уровнями точек 1 и 4, м; V – скорость воздуха в выходном сечении из сети в атмосферу (рис. 2, точка 9), м/c.

Если сравнивать суммарное статическое давление в точках 3 и 4 лавы, то из формулы (7) видно, что в верхней части лавы отрицательное значение статического давления увеличивается на величину, равную потери давления на участке 3–4. Суммарное давление уменьшается. Из выработанного пространства происходит приток метановоздушной смеси в лаву из точки 6 в точку 4. Разность давления между точками 3 и 4 зависит также и от местного сопротивления на выходе вентиляционной струи из диффузора вентилятора.

Из сравнения формул (2) и (7) видно, что суммарное статическое давление в лаве при всасывающем способе вентиляции меньше, чем при нагнетательном способе.

Влияние всасывающего способа вентиляции на эффективность дегазации выработанного пространства Дегазация выработанного пространства за лавой производится с поверхности через скважину 6–10 (см. рис. 2). Во время установившегося режима вентиляции суммарное давление в лаве и выработанном пространстве равно разности гидростатического и статического давления, развиваемого вентилятором главного проветривания на уровне дегазационной сети. Дегазационная установка также работает на всас метановоздушной смеси из выработанного пространства. Применяемая дегазационная установка развивает давление, которое рассчитывается по формуле:

066 15(8)

где: H6–10 – суммарные потери давления в дегазационной сети между сечениями 6–10 (см.рис. 2), даПа; ρ1 – плотность метановоздушной смеси, кг/м3; V1 – скорость метановоздушной смеси воздуха в выходном сечении из сети (рис. 2, точка 10 ), м/c; g – ускорение свободного падения, м/с2; Рн, Рв – соответственно давление на поверхности после выхода из сети и в выработанном пространстве (см. рис. 2, точки 10 и 6), даПа.

Давление в выработанном пространстве определяется по формуле (7). Тогда давление дегазационной установки с учётом влияния давления в выработанном пространстве будет равно:

066 16(9)

После преобразования формулы (9) получим:

066 17(10)

Из формулы (10) видно, что при всасывающем способе вентиляции потеря давления в дегазационной сети уменьшается на величину отрицательного статического давления, которое образуется у входа в эту сеть. Из аэродинамических характеристик вентиляторов ВМЦГ и вакуум-насосов известно, что их производительность зависит от потерь давления в сети. При уменьшении потерь производительность возрастает. Таким образом, создаваемое вентилятором главного проветривания отрицательное статическое давление повышает эффективность дегазации выработанного пространства.

Влияние остановки вентилятора главного проветривания на режим поступления метановоздушной смеси в выработки:

• При нагнетательном способе в выработках суммарное статическое давление уменьшается на величину статического давления, развиваемого вентилятором (формула (2)), и равно гидростатическому давлению. Объём метановоздушной смеси в выработанном пространстве увеличивается в соответствии с физическим законом БойляМариотта, и приросшая часть объёма поступает в лаву и выработки.

• При всасывающем способе во время остановки главного вентилятора статическое давление в выработках существенно повышается и равно гидростатическому. При этом выход метановоздушной смеси из выработанного пространства снижается (формула (7)).

Влияние реверсирования вентиляционных струй в шахте на режим поступления метановоздушной смеси в выработки:

• При нагнетательном способе в транзитных выработках образуется такое же отрицательное статическое давление, как и при всасывающем способе. В результате разности давлений метановоздушная смесь из выработанного пространства начинает поступать в лаву и горные выработки.

• При всасывающем способе статическое давление в выработках продолжает увеличиваться, что способствует снижению выхода метановоздушной смеси из выработанного пространства.

При реверсировании вентилятора изменяется место выхода метановоздушной смеси в лаву. Вместо верхней части лавы (точки 6 и 4) эта смесь будет выходить в нижней её части (точки 5 и 3) (см. рис. 1 и 2). Интенсивность выделения метановоздушной смеси также будет зависеть от параметров, приведённых в формулах (2) и (7).

Выводы

В настоящее время при подземной разработке угольных месторождений применяются три способа вентиляции горных выработок: нагнетательный, всасывающий и нагнетательновсасывающий. В технической литературе отсутствует научное обоснование эффективности применения этих способов в условиях повышения интенсивности выемки угля и росте абсолютной метанообильности выработанных пространств. Применение дегазации выработанных пространств порождает новые, ранее не учитываемые физические процессы на границе разделения двух потоков. Так, метановоздушная смесь в выработанном пространстве находится под воздействием двух нагнетателей, имеющих различные энергетические характеристики.

При нагнетательном способе вентиляции положительное избыточное статическое давление в вентиляционной сети снижает производительность дегазационных систем. При всасывающем способе – отрицательное статическое давление в выработанном пространстве значительно повышает производительность дегазационных систем.

При нагнетательном способе вентиляции шахтных выработок остановка вентилятора главного проветривания приводит к поступлению метановоздушной смеси из выработанного пространства в шахтную атмосферу. При всасывающем способе вентиляции – объёмы поступающей метановоздушной смеси в шахтную атмосферу уменьшаются.

При работе главного вентилятора в реверсивном режиме в шахтных выработках изменяется не только направление воздушных потоков, но и их величина, и знак избыточного статического давления, а также – места выделения метановоздушной смеси в шахтную атмосферу. Изменяется и производительность дегазационных систем. Все эти факторы необходимо учитывать при проектировании и контроле параметров вентиляции шахт. Кроме того, считаем целесообразным с учётом этих факторов провести инспекторские ревизии схем вентиляции на действующих шахтах страны.


 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05#618#03). Серия 05. Выпуск 11/ Колл. авт. #М.: ГУП «Научно-технический Центр по безопасности в промышлен# ности Госгортехнадзора России», 2003. #296 с.

2. ФЗ №186 от 26.07.2010 г. «О государственном регулировании в области добычи и использования угля, об особенностях социальной защиты работников организаций угольной промышленности».

Журнал "Горная Промышленность" №5 (93) 2010, стр.66