Обоснование методики расчёта режима вентиляции метанообильных забоев подготовительных выработок

Е.А.Колесниченко, И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев

В настоящее время количество возгораний и взрывов метановоздушных смесей в забое и призабойном пространстве подготовительных выработок остаётся достаточно большим. Только за последние 8 лет на шахтах Кузбасса в призабойном пространстве и в забое произошло 17 воспламенений и взрывов метана, в результате которых было травмировано 160 человек, в том числе с летальным исходом – 63 человека.

Источниками воспламенения метана в забоях было искрение при фрикционном трении рабочего органа комбайна о горные породы и взрывные работы, а в призабойном пространстве причиной возгорания являлись неисправности электрооборудования, электромагнитных станций и нарушение изоляции в электрических кабелях. Все эти источники возгорания находятся в зонах, в которых концентрация метана по Правилам безопасности [1] и по расчётам расхода свежего воздуха для вентиляции выработки не должна превышать 1%.

По нашему мнению, основной причиной взрывов является недостаточный расход свежего воздуха для разбавления метана в отдельных зонах призабойного пространства выработки. Эта причина заложена в согласованном ещё с Госгортехнадзором СССР и применяемом на шахтах руководстве по расчёту вентиляции [2], в соответствии с которым считается, что при расстоянии между вентиляционной трубой и забоем не более 8 м (по ПБ) весь объём свежего воздуха достигает забоя. Такая концепция заложена во все нормативные документы и основана на результатах исследования распространения свободной струи проф. Г.Н. Абрамовичем.

Выполненные нами исследования показали, что эта концепция не отражает реальных процессов перемещения воздушных потоков в стеснённых условиях призабойного пространства. Для расчёта параметров вентиляции больше подходит гипотеза об энергетическом потенциале воздушного потока. Выполненные асп. Р.В. Ткачуком замеры показали, что скорость струи воздуха после выхода из экспериментальных труб уменьшается до нуля. При этом дальнобойность струи, т.е. расстояние от выходного отверстия до нулевой скорости воздуха, зависит от диаметра выходного отверстия и скорости воздуха в этом отверстии (рис. 1).

Рис. 1 Закономерности изменения скорости воздуха после истечения из выходного отверстия трубы

Рис. 1 Закономерности изменения скорости воздуха после истечения из выходного отверстия трубы

Исследования распространения воздушных потоков в призабойном пространстве были выполнены на физической модели совместно с асп. Р.В. Ткачуком. При изготовлении модели выработки соблюдался линейный критерий подобия, а при моделировании воздушного потока – специально введённый критерий энергетического подобия. В результате моделирования установлено, что в струе после истечения из выходного отверстия образуются два различных участка. На первом участке, длина которого примерно равна диаметру выходного отверстия, происходит увеличение диаметра струи без потери массы воздуха. На втором участке на периферийных областях происходит частичное размывание струи и частичное удаление воздуха в обратный поток. Оставшаяся масса струи достигает забоя. При этом диаметр этой массы у забоя на расстоянии соответствующем 8 м увеличивается до двух диаметров выходного отверстия (рис. 2).

Параметры исходящей струи свежего воздуха из вентиляционной трубы в призабойное пространство

Рис. 2 Параметры исходящей струи свежего воздуха из вентиляционной трубы в призабойное пространство:
l – расстояние от выходного отверстия вентиляционной трубы до забоя выработки; lв.р. – расстояние, на котором происходит внезапное расширение струи свежего воздуха без изменения расхода; l1 – расстояние от внезапного расширения струи воздуха до забоя выработки; d0 – диаметр выходного отверстия вентиляционной трубы

Полученные результаты на модели подтверждаются замерами в подготовительных выработках на шахтах «Садкинская» и «Аютинская-бис». Средняя скорость воздуха в конце зоны внезапного расширения на расстоянии 0.6 м от выходного отверстия диаметром 0.6 м составляла 67% от скорости на выходе из трубы (по результатам моделирования – 69.5%). По шахтным замерам при диаметре выходного отверстия 0.8 м скорость воздуха на расстоянии 0.8 м от отверстия составляла 71% от скорости на выходе (по результатам моделирования – 77%).

На основании этих исследований предлагается следующая гипотеза аэродинамических процессов в призабойном пространстве тупиковых выработок. Струя свежего воздуха на выходе из вентилятора приобретает определённую кинетическую энергию, которая частично уменьшается при движении по вентиляционному ставу в результате аэродинамического сопротивления. При этом струя выбрасывается из выходного отверстия вентиляционной трубы с остаточной кинетической энергией, которой должно быть достаточно для создания необходимого режима вентиляции призабойного пространства. Чем больше остаточная кинетическая энергия, тем выше параметры режима вентиляции призабойного пространства.

Расчётные параметры вентиляции призабойного пространства должны обеспечить разбавление выделяющегося метана у забоя, предотвратить формирование опасных концентраций метана в местах расположения источников нагрева и воспламенения, а также не допустить переохлаждения людей, находящихся в зоне высоких скоростей струи свежего воздуха.

Режим вентиляции призабойного пространства выработки характеризуется следующими параметрами: - расходом свежего воздуха, истекающего из вентиляционной трубы;

- расходом свежего воздуха у забоя;

- эффективностью доставки необходимого расхода свежего воздуха до забоя, т.е. отношением расхода воздуха, дошедшего до забоя, к расходу воздуха у выходного отверстия вентиляционной трубы;

- технологической дальнобойностью струи свежего воздуха, при которой до забоя добрасывается расчётный расход свежего воздуха;

- скоростью движения свежего воздуха у забоя выработки;

- средней концентрацией метана у забоя выработки;

- скоростью движения исходящего метановоздушного потока (турбулентными свойствами) от забоя выработки;

- санитарно-гигиеническими нормами скорости движения свежей струи воздуха в зоне нахождения людей у забоя.

При этом расчет режима вентиляции призабойного пространства должен осуществляться с учётом режима работы вентилятора и устройства для подачи воздуха в забой.

Изменение режима вентиляции призабойного пространства во время проведения выработки осуществляется в результате управления кинетической энергией, которая прямо пропорциональна кубу скорости струи свежего воздуха на выходе из выходного отверстия и площади поперечного сечения (диаметра) выходного отверстия.

Изменение потерь кинетической энергии на пути от вентилятора до призабойного пространства производится изменением потерь давления в вентиляционной сети, которые регулируются:

- применением схем последовательного, параллельного или последовательно-параллельного соединения вентиляционного трубопровода;

- использованием вентиляционного става с трубами различного диаметра;

- использованием диффузора или инфузора в концевой части вентиляционных труб для изменения диаметра выходного отверстия.

При расчётах введено новое понятие технологической дальнобойности струи воздуха. Эта дальнобойность равна расстоянию от выходного отверстия, при котором расход воздуха в струе равен расчётному расходу свежего воздуха, который необходимо подать через призабойное пространство до забоя выработки.

Из физического закона сохранения энергии вытекает, что кинетическая энергия вещества пропорциональна её массе и кубу начальной скорости. Применительно к массе свежего воздуха кинетическая энергия пропорциональна кубу скорости воздуха в выходном отверстии и диаметру этого отверстия. Скорость в центральной области струи больше, а на периферийных областях – меньше. Во время движения струи в открытом пространстве шахтной атмосферы происходит уменьшение её скорости. Кинетическая энергия потока по мере удаления от трубы уменьшается, а потенциальная увеличивается.

В результате аналитических исследований предложено выражение для расчёта расхода воздуха, который необходимо подать в призабойное пространство

033 (1)

Qз.п. – расход воздуха, который необходимо подать в забой выработки; l – расстояние между выходным отверстием вентиляционной трубы и забоем выработки, м; d0 – диаметр выходного отверстия вентиляционной трубы на концевом участке, м; m – коэффициент, значение которого зависит от диаметра выходного отверстия (при d0 = 0.6 м, m = 1.13; при d0 = 0.8 м и d0 = 1.0 м, m = 1.02).

В настоящее время осуществляется постоянный контроль скорости воздуха на выходе из вентиляционной трубы. Для обеспечения подачи необходимого расхода воздуха в забой выработки скорость на выходе из вентиляционной трубы должна быть не менее значения, определяемого по формуле

036 (2)

Расчёты по (1) показали, что расход воздуха для вентиляции призабойного пространства отличается от значений, получаемых по методике применяемого на шахтах руководства (рис. 3, табл. 1).

Результаты сравнения расхода воздуха для проветривания призабойного пространства выработки

Из полученных значений видно, что при расчёте расхода воздуха для разбавления выделяющегося метана в забое выработки необходимо учитывать диаметр выходного отверстия вентиляционного трубопровода и расстояние от отверстия до забоя выработки. Чем меньше скорость воздуха в выходном отверстии трубы, тем меньше свежего воздуха доходит до забоя. Поэтому при небольшом дебите метана расчёт расхода воздуха по утверждённому Руководству [2] создаёт потенциальную опасность загазирования призабойного пространства.

Необходимый расход воздуха для проветривания забоя выработки при диаметре выходного отверстия вентиляционной трубы 0.8 м

Например, при дебите метана 1.5 м3/мин по формулам Руководства необходимо подавать в призабойное пространство не менее 150 м3/мин свежего воздуха. По нашей методике необходимо подавать не менее 256 м3/мин при условии, что расстояние до забоя будет не более 8 м, а диаметр трубы – 0.8 м. При изменении диаметра трубы и расстояния до забоя необходимо корректировать расход воздуха (табл. 1).

Естественно, что для обеспечения безопасных условий необходимо увеличивать и расход свежего воздуха. Опыт показывает, что на шахтах, применяющих новые технологии проведения подготовительных выработок, уже увеличили расход воздуха. В забоях с большой площадью поперечного сечения расход воздуха по фактору минимальной скорости превышает расход по выделению метана. Увеличению расхода воздуха в вентиляционных сетях способствовало применение новых технологических решений для уменьшения потерь давления. При проведении двух подготовительных выработок, соединённых промежуточными сбойками, сократилась длина вентиляционного става и тупиковой части выработок. Стали применять более производительные вентиляторы местного проветривания и вентиляционные трубы диаметром 1.0 и 1.2 м. Поэтому вентиляторы работают в режиме минимального давления и максимальной производительности в соответствии с напорной характеристикой. Например, в ШУ «Котинская» при проведении конвейерного (№ 5303) и вентиляционного (№ 5207) штреков комбайнами со скоростью 17 м/сут в забоях выделялось до 6 м3/мин метана. Суммарный дебит метана в выработке – 8.2 м3/мин. Площадь поперечного сечения штреков 22 м2. Вентиляция осуществлялась ВМП типа ВМЭ-2-10А. Длина вентиляционных труб 100 м диаметром 1.2 м. Расчётное значение расхода воздуха для разбавления метана в забое – 600 м3/мин, по минимальной скорости воздуха в забое – 660 м3/мин. Расход воздуха для вентиляции выработки 917–943 м3/мин свежего воздуха. Вентилятор подаёт в вентиляционный став 944–955 м3/мин свежего воздуха.

Однако с увеличением расхода свежего воздуха, который необходимо доставить до забоя, скорость струи в зоне нахождения проходчиков превышает 4 м/с (ПБ, п.235). Также повышается риск получения ими простудных заболеваний.

Чтобы обеспечить метанобезопасность и соблюдать санитарно-гигиенические нормы, необходимо подавать в забой требуемый расход свежего воздуха и одновременно снижать скорость этого воздуха. Снизить скорость струи свежего воздуха в зоне нахождения людей у забоя до безопасных значений можно в результате увеличения расстояния от вентиляционной трубы до забоя. В соответствии с энергетической гипотезой, предложенной авторами, для доставки одинакового расхода воздуха на большее расстояние необходимо увеличить начальную скорость воздуха.

В табл. 2 приведены расчёты необходимой скорости воздуха на выходе из вентиляционной трубы диаметром 0.8 м для доставки в забой расхода свежего воздуха от 50 до 540 м3/мин при расстоянии до забоя от 8 до 20 м. Такие значения расхода воздуха вполне реальны при применении современных производительных типах ВМП.

Снижение скорости свежего воздуха в зоне нахождения рабочих происходит в результате уменьшения расхода и увеличения площади поперечного сечения струи. Выполненные расчёты скорости воздуха на расстоянии 6 м от забоя показали, что скорость воздуха можно снизить с 6.3 до 2.0 м/с при увеличении расстояния от 8 до 12 м между забоем и трубой, применяя вентиляционные трубы диаметром 0.6 м (табл. 3). При увеличении диаметра вентиляционных труб скорость в зоне нахождения людей снижается.

Расчётные значения скорости воздуха V0 и расхода воздуха Q0 из выходного отверстия диаметром d0 = 0.8 м

Полученные закономерности для расчёта расхода воздуха на основе энергетического потенциала струи воздуха, исходящей из отверстия, позволяют рассчитать режим вентиляции призабойного пространства выработки и контролировать расход воздуха у забоя датчиком скорости, который установлен в вентиляционной трубе.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 0561303). Серия 05. Выпуск 11/ Колл. авт. – М.: Государственное унитарное предприятие «Научно технический центр по безопасности и промышленности Госгортехнадзора России», 2003. – 296 с.

2. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка – Донбасс, МакНИИ, 1989. – 319 с.

Журнал "Горная Промышленность" №5 (87) 2009, стр.46