Лекция 15

1. Шахтные вентиляционные сети

Совокупность всех путей движения воздуха в шахте называется шахтной вентиляционной сетью. Кроме этого вентиляционная сеть включает в себя вентиляторы главного проветривания, вентиляционные сооружения, машины и механизмы, вспомогательное оборудование, системы местной вентиляции. Влияние местной вентиляции (вентиляция подготовительных выработок) на распределение воздуха в шахтной сети – локальное.

На шахтах, для изображения путей движения воздуха, построения маршрутов движения людей, трубопроводов, транспортных цепочек и т.д., используются схемы вентиляции шахт, схемы вентиляционных соединений и планы горных работ.

Схемы вентиляции отражают взаимное внемасштабное расположение горных выработок. Единственный критерий расположения – удобство восприятия. Схемы вентиляционных соединений показывают внемасштабное соединение элементов вентиляционной сети. Их задачей является графическое представление связанности всех элементов шахтной вентиляционной сети. На планах горных работ взаимное расположение горных выработок представляется по отдельным пластам в масштабе, с учетом их положения во времени.

На схемах вентиляционных соединений в виде узла показывают соединение трех и более выработок. Выработки, соединяющие два узла, называются ветвями. В тоже время, отдельные ветви могут включать несколько выработок соединенных последовательно.

Часть схемы ограниченная ветвями и не содержащая внутри себя других ветвей называется ячейкой или элементарным вентиляционным контуром (рис.1). Ветви, (1-2, 2-3, 3-4, 1-4) ограничивающие ячейку, являются элементами этого вентиляционного контура. Внутри ячейки другие ветви отсутствуют.

1 4

2 3

Рис. 1 Элементарный вентиляционный контур

В зависимости от взаимного расположения выработок различают три основных вида их соединений: последовательное, параллельное и диагональное.

2. Виды вентиляционных соединений горных выработок

Последовательное соединение. Соединение выработок без разветвлений называется последовательным. Например, выемочный участок состоит из конвейерного штрека (1-2), лавы (2-3) и вентиляционного штрека 3-4 (рис. 4).

4 3

1 2

Рис. 2 Упрощенная схема выемочного участка

направление движения воздуха

Депрессия последовательного соединения определяется как сумма депрессий входящих в него ветвей (рис.2)

h_общ = h_1-2 + h_2-3 + h_3-4 = ∑ h_i.

Общее сопротивление последовательного соединения равно сумме сопротивлений отдельных выработок составляющих его (см. рис.2)

R_общ = R_1-2 + R_2-3 + R_3-4 = ∑ R _i.

Расход воздуха во всех выработках одинаков Q_общ = Q_1-2 = Q_2-3 = Q_3-4.

Тогда, умножив все члены уравнения на Q², получим

R_общ Q² = R_1-2 Q²_1-2+ R_2-3 Q²_2-3 + R_3-4 Q²_3-4.

или h_общ = h_1-2 + h_2-3 + h_3-4 = ∑ h_i.

Депрессия последовательного соединения равна сумме депрессий, входящих в него ветвей.

Параллельное соединение. Параллельным соединением выработок называется такое соединение, когда выработки связаны между собой только в двух общих узлах.

Пример простого параллельного соединения показанна рис.3. В параллельном соединении разность давлений (депрессия) в узлах для всех ветвей одинакова. Для схемы представленной на рис.3 можно записать, что общая депрессия параллельного соединения равна депрессии любой из его ветвей

h_о = h_1-2 = h _1-А-2.

А

Рис.3 Простое параллельное соединение

Общий расход воздуха в параллельном соединении равен сумме расходов в отдельных ветвях

Q_о = Q_1-2 + Q_1-А-2.

Подставляя вместо расходов воздуха, в уравнении соотношение , с учетом можно записать формулу для определения общего сопротивления параллельного соединения

.

или в общем виде

.

В частном случае, когда R₁= R₂ =…= R_n можно записать

.

Расход воздуха в одной из ветвей (Q₁) параллельного соединения (из двух ветвей), можно определить через общий расход воздуха

Q₁ = .

Распределение воздуха, в ветвях параллельного соединения, происходит обратно пропорционально корню квадратному из отношения сопротивлений ветвей.

Диагональное соединение. Диагональное соединение можно рассматривать, условно, как параллельное соединение двух выработок, связанных между собой выработкой-диагональю (рис.4, участок ВС).

Д

В С

А

Рис.4 Схема диагонального соединения

Основным свойством диагонального соединения является то, что движение воздуха в ветви-диагонали не зависит от ее аэродинамического сопротивления. Так, например воздух будет двигаться из узла В в узел С если выполняется условие

.

При равенстве этих отношений

,

расход воздуха в диагонали равен нулю (Q_ВС = 0).

Депрессия диагонального соединения равна сумме депрессий выработок последовательно примыкающих друг к другу

h₀ = h_АС + h_СД = h_АВ + h_ВД = h_АВ + h_ВС + h_СД.

Общее сопротивление диагонального соединения определяется по формуле

R₀=h₀ / Q₀²,

где Q₀ – расход воздуха, проходящий через диагональное соединение.

Расчет воздуха в ветвях диагонального соединения определяется по приближенным формулам с использованием уравнения гиперболы.

Комбинированное соединение представляет собой совокупность последовательных, параллельных, а иногда и диагональных соединений выработок. В простейших случаях общее сопротивление таких сочетаний выработок определяется путем последовательной замены всех параллельных и диагональных соединений соответствующими общими сопротивлениями. К общим сопротивлениям добавляют последовательно включенные участки и находят общее сопротивление всей сети.

3. Эквивалентное отверстие

Для оценки относительной трудности или лёгкости проветривания шахт существует понятие эквивалентное отверстие. Эквивалентным отверстием шахты называется – воображаемое круглое отверстие в весьма тонкой стенке, через которое при разности давлений по ту и другую сторону, равное депрессии шахты будет проходить тоже количество воздуха, что и через шахту под влиянием той же депрессии. Площадь эквивалентного отверстия обозначается буквой А. А=0, 38/√ R.Чем больше эквивалентное отверстие, тем меньше сопротивление шахты и тем легче её проветривание. Шахты считаются трудно проветриваемыми при А меньше 1м², средней трудности проветривания при А = 1-2м² и легко проветриваемыми при А больше 2м².

4. Способы проветривания шахты

Способы вентиляции шахт, в зависимости от способа создания необходимого перепада давления (депрессии) в горных выработках, делятся на всасывающий, нагнетательный и комбинированный (нагнетательно-всасывающий). На шахтах Украины, в основном используется всасывающий способ вентиляции.

Сущность всасывающего способа вентиляции состоит в том, что со стороны всасывающей части вентилятора, при его работе, создается разряжение (пониженное, по сравнению с атмосферным, давление). При этом давление воздуха в любой части шахты меньше атмосферного. При остановке вентилятора, воздух будет еще некоторое время поступать в шахту за счет этой разности давлений. В дальнейшем, после выравнивания давлений, воздух будет поступать в горные выработки только за счет действия естественной тяги.

Всасывающий способ проветривания рекомендуется на всех газовых шахтах, так как повышение давления воздуха, при остановке вентилятора, приводит к частичному уменьшению газовыделения в горные выработки. Этот способ особенно эффективен при фланговой схеме проветривания, когда отдельные части шахтного поля проветриваются разными вентиляторами. Вместе с тем, при фланговой схеме проветривания с несколькими вентиляторами, усложняется регулирование воздухораспределения между отдельными частями шахты.

Всасывающий способ проветривания рекомендуется применять при глубине отработки более 200 м, когда отсутствуют аэродинамические связи горных выработок с поверхностью.

Нагнетательный способ вентиляции состоит в том, что перепад давления в шахте создается путем повышения давления воздуха вентилятором в воздухоподающем стволе. За счет механической энергии вентилятора нормальное атмосферное давление воздуха р_а увеличивается на выходе из вентилятора до величины р₁, а в устье ствола, отводящего воздух на поверхность, оно остается равным атмосферному.

К достоинствам нагнетательного способа проветривания относятся – возможность применения одной главной вентиляционной установки для разветвленной шахтной вентиляционной сети, устойчивость работы главного вентилятора и возможность эффективного регулирования воздухораспределения в шахте. Главным недостатком этого способа проветривания является опасность увеличения газовыделения в горные выработки после остановки вентилятора главного проветривания.

Нагнетательно-всасывающий способ проветривания шахт позволяет создавать в шахтной внтиляционной сети зоны «нулевого» давления. В этих частях шахты давление в горных выработках равно атмосферному (давлению на поверхности), вследствие чего, отсутствуют утечки воздуха между выработками и поверхностью. При одновременной работе части вентиляторов на нагнетание, а части – на разряжение, в одних выработках создается повышенное (по сравнению с атмосферным), а в других – пониженное давление. Этот способ проветривания рекомендуется во всех случаях отработки самовозгорающихся углей при наличии аэродинамических связей между горными выработками и поверхностью. Недостаток – сложность управления проветриванием.