О возможности использования тепловой депрессии, возникающей при работе нагревателей, расположенных в устье вентиляционного ствола, для снижения поверхностных утечек воздуха

Одной из распространенных схем проветривания шахт и рудников является всасывающая, когда воздух в шахту (рудник) подается по воздухоподающим стволам 1 за счет разряжения, создаваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ) 2, расположенной на вентиляционном стволе 3 (рис.1). Кроме воздуха, засасываемого в шахту (рудник) Q_р, при подобной схеме проветривания, в канал ГВУ 4 также засасывается наружный воздух через устье вентиляционного ствола 5, который смешиваясь с общим потоком, будет снова выбрасываться в атмосферу. Поэтому, помимо полезной работы (закачки свежего воздуха), ГВУ будет совершать бесполезную работу, обусловленную подсосом внешнего воздуха. Объемы воздуха, подсасываемого через устье вентиляционного ствола, называются внешними утечками воздуха (Q_ут). Величина утечек (на примере калийных рудников) согласно [1] колеблется от 9 до 51 %, т.е. существуют рудники, где КПД работы ГВУ составляет всего 49 %. В связи с этим уменьшение поверхностных утечек является одним из основных направлений в комплексе мероприятий по снижению затрат горнодобывающих предприятий на проветривание шахты (рудника).

Герметизация надшахтного здания, расположенного над устьем вентиляционного ствола, эффективна только на время, т.к. из-за больших перепадов давлений со временем происходит нарушение ее целостности.

Общепризнано, что наиболее эффективным является способ установки в вентиляционном стволе, выше высотной отметки канала ГВУ, воздушных завес, состоящих из вентиляторов, направляющих поток воздуха навстречу движению внешних утечек. Данный способ эффективен, но не экономичен с точки зрения энергосбережения, поэтому в настоящее время изыскиваются новые способы борьбы с внешними утечками воздуха.

На сегодняшний день широкое распространение, в исследованиях связанных с вентиляцией рудников и шахт, получает способ использования тепловой депрессии (естественной тяги). Данное явление вызвано природным законом конвективного теплообмена, т.е. когда теплый воздух (более легкий) стремится подняться вверх, а холодный (более тяжелый) – опуститься вниз.

В работе [2] предполагалось, что снижение внешних утечек воздуха возможно при действии тепловой депрессии, возникающей между каналом ГВУ и копром надшахтного здания в результате нагрева наружного воздуха о подшипники скольжения подъемных машин. Результатом данного исследования являлось снижение внешних утечек воздуха на 6 %.

Исходя из этого, можно предположить, что если принудительно подогревать воздух, поступающий в устье вентиляционного ствола, то можно существенно снизить поверхностные утечки воздуха. Для подобной задачи могут применяться инфракрасные нагреватели, работающие на объект теплообмена (например, металлические листы), т.к. при малых затратах электрической они вырабатывают значительную тепловую энергию.

В данной работе приведен анализ эффективности подобной системы для условий рудника БКПРУ-2 (г. Березники, Пермский край).

Согласно исследованиям вентиляционной системы рудника БКПРУ-2 [3] были получены следующие исходные данные: производительность вентилятора Q_В = 400 м³/с; объем воздуха, поступающего в рудник Q_р = 309,9 м³/с; аэродинамическое сопротивление канала ГВУ R_кан = 0,0034541 Н∙с²/м⁸.

Из исходных данных Q_ут = Q_В – Q_р = 90,1 м³/с. В процентном соотношении величину внешних утечек воздуха можно выразить через коэффициент _{(22,53 %)}

ГВУ оборудована вентилятором ВРЦД-4,5 (скорость вращения рабочего колеса 375 об/мин), работающего при угле установки лопаток направляющего аппарата (НА) 0⁰.

Согласно [4] давление, развиваемое вентилятором, при известной его производительности определяется по формуле

₍₁₎

где A, В, С – коэффициенты кривой, соответствующей определенным углам установки лопаток НА. Для используемого вентилятора ВРЦД-4,5, работающем при угле установки лопаток направляющего аппарата (НА) 0⁰, согласно [4] коэффициенты соответственно равны A = 4744,89491; В = 4,5039466; С = –0,0285589.

Для расчетов примем, что система подогрева воздуха (СПВ) в устье вентиляционного ствола будет состоять из инфракрасных излучателей Луч-40 (компании «Интраст»), тепловая мощность каждого из которых согласно [5] составляет G_и = 4 кВт = 3,4393 ккал/ч.

Тогда температуру воздуха, поступающего в вентиляционный ствол после подогрева его в СПВ согласно [6] можно найти по формуле

₍₂₎

где n – количество инфракрасных излучателей в СПВ, шт.; ρ – плотность нагреваемого воздуха, кг/м³ (для технических расчетов принимается ρ = 1,2 кг/м³); с – удельная теплоемкость воздуха, равная 0,24 ккал/(кг∙⁰С).

Величину тепловой депрессии, возникающей только между сообщающимися выработками, можно найти по общеизвестной формуле гидростатического метода расчета

_{, Па, (3)}

где Н – вертикальная длина столбов воздуха, м; ρ_ср.i и ρ_ср.j – средние плотности воздуха соответственно в i-ой и j-ой сообщающейся выработке, кг/м³.

Таким образом, тепловая депрессия, возникающая при работе СПВ, будет зависеть от средней плотности воздуха в вентиляционном стволе на участке от устья вентиляционного ствола до точки пересечения с каналом ГВУ (ρ_ср.ств), средней плотности воздуха в канале ГВУ (ρ_ср.кан) и глубины залегания точки пересечения вентиляционного ствола с каналом ГВУ (Н) (рис.2, а).

Для определения величины тепловой депрессии, возникающей при работе СПВ (h_e), воспользуемся следующим алгоритмом расчета.

Составим расчетную схему, на которой определим основные участки и параметры воздуха, от которых зависит величина h_e (рис.2, б).

Среднюю плотность воздуха в канале ГВУ можно найти как среднее арифметическое между плотностью воздуха на входе в канал и плотностью воздуха на выходе из него. Плотность воздуха на выходе из канала ГВУ равна плотности наружного воздуха (ρ_нар), плотность воздуха на входе в канал определиться как средняя плотность теплого воздуха, поступающего через устье вентиляционного ствола и воздуха, поступающего из подземной части рудника по вентиляционному стволу (ρ_см).

Плотность воздуха в каждой из контрольных точек можно определить по общеизвестной формуле

₍₄₎

где P_i и t_i – соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (⁰С) в i-ой точке.

Определить плотность наружного воздуха по формуле (4) можно при известном атмосферном давлении (Р_а) и температуре наружного воздуха (t_нар). Согласно [7] среднее атмосферное давление для данного региона Р_а = 742,7 мм рт. ст. Температуру воздуха возьмем, к примеру, равной t_нар = 0 ⁰С.

Плотность воздуха на входе в канал ГВУ будет зависеть от барометрического давления в точке соединения его со стволом (Р_к) и температуры смешанного потока нагретого воздуха, поступающего от устья вентиляционного ствола (t_н.в) и потока воздуха из подземной части рудника (t_р) – t_см.

Температуру смешенного потока воздуха в точке соединения канала ГВУ со стволом согласно [6] можно найти по формуле

₍₅₎

где ρ_р, t_р – соответственно плотность и температура воздуха, поступающего из рудника.

Температура воздуха, поступающего из рудника (t_р) в течение года постоянна и для БКПРУ-2 примерно равна +8 ⁰С, поэтому величину плотности воздуха поступающего из рудника (ρ_р), при известном барометрическом давлении Р_к можно найти по формуле (4).

Барометрическое давление в точке пересечения канала ГВУ с вентиляционным стволом согласно [4] можно найти по формуле

₍₆₎

где h_В – давление, развиваемое ГВУ (находится по формуле (1)), Па; R_кан – аэродинамическое сопротивление канала ГВУ (берется из исходных данных), Н∙с²/м⁸.

Среднюю плотность воздуха в вентиляционном стволе, на участке от устья до точки пересечения с каналом ГВУ (ρ_ср.ств), согласно [8] можно найти по формуле

₍₇₎

где X – температурно-влажностный градиент, рассчитываемый по формулам [8], ⁰С/м; R’_ств – аэродинамическое сопротивление вентиляционного ствола, на участке от устья до точки пересечения ствола с каналом ГВУ, Н∙с²/м⁸.

Аэродинамическое сопротивление R’_ств согласно [4] найдется как

₍₈₎

где K – коэффициент для клетевого ствола (на руднике БКПРУ-2 вентиляционный ствол является клетевым), равный 3,28; H – разность высотных отметок между устьем и точкой пересечения вентиляционного ствола с каналом ГВУ, м; S – сечение вентиляционного ствола, м².

Таким образом, рассчитав по формулам (4) – (8) средние плотности воздуха в сообщающихся выработках можно найти величину тепловой депрессии, действующей между ними (h_e) по формуле (3).

При действии тепловой депрессии, работающей параллельно с вентилятором ГВУ, величину внешних утечек воздуха согласно выводу из формул [9] можно найти как

₍₉₎

где R_с и R_ут – соответственно аэродинамические сопротивления сети, на которую работает ГВУ и создаваемое при подсосе воздуха из устья вентиляционного ствола (внешних утечек), Н∙с²/м⁸.

Аэродинамическое сопротивление R_с согласно [4] найдется как значение параллельного соединения аэродинамических сопротивлений подземной части рудника (включая воздухоподающие и вентиляционный ствол) (R_руд) и внешних утечек воздуха (R_ут)

₍₁₀₎

Значения R_ут и R_руд, при известном режиме работы ГВУ, аэродинамическом сопротивлении канала (R_кан) и первоначальном коэффициенте утечек (K_ут), можно найти по формулам [9].

По приведенному выше алгоритму был произведен расчет величины тепловой депрессии, возникающей при работе инфракрасных излучателей, работающих в устье вентиляционного ствола, при различном количестве излучателей n. Полученные данные приведены в табл.1, где под Q_В.треб и ΔQ_В приводятся соответственно требуемая производительность вентилятора, при снижении утечек и разность первоначальной производительности вентилятора и производительности, полученной при снижении утечек за счет действия тепловой депрессии (Q_В – Q_В.треб).

Таблица 1

Изменение внешних утечек воздуха, при работе инфракрасных излучателей в устье вентиляционного ствола

Как видно из табл.1, работа нагревательных элементов в устье вентиляционного ствола приведет к незначительному изменению внешних утечек воздуха даже при достаточно большой суммарной тепловой мощности, развиваемой всей установкой. Наоборот, видно, что увеличение количества излучателей в СПВ приводит в дальнейшем к снижению тепловой депрессии. Это вызвано тем, что нагретый в СПВ воздух, смешиваясь с потоком воздуха из рудника, поступает в канал ГВУ, при этом температура воздуха в канале также растет. Плотность наружного воздуха остается неизменной, а следовательно, с увеличением температуры воздуха в канале удельный вес (средняя плотность) воздуха его также падает, приводя к снижению тепловой депрессии.

Таким образом, установка в устье вентиляционного ствола нагревателей (различного типа) приведет к незначительному снижению внешних утечек воздуха, поэтому на сегодняшний день единственным способом борьбы с внешними утечками воздуха можно считать установку в устье вентиляционного ствола воздушных завес.

Литература:

1. Алыменко Н.И., Минин В.В. Вентиляторные установки и их применение. – Екатеринбург: УрО РАН, 1999. – 223 с.

2. Елькин В.С., Левин Л.Ю. Борьба с внешними утечками воздуха за счет тепловой депрессии // Проблемы рационального природопользования: матер. Междунар. научн.-технич. конф. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2008. – С. 411–418.

3. Исходные данные для проектирования системы проветривания рудника БКПРУ-2 при расширении его рудной базы: отчет о выполненной услуге (договор 2009/213). – Пермь, 2009. – 91 с.

4. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. – 324 с.

5. Каталог продукции. URL: http://www.in-trast.ru/teploorudovanie/luch.htm.

6. Разработка исходных данных для проектной документации на строительство Усольского калийного комбината: отчет о выполненной услуге (этап договора № 467-суб-3/2009/185). – Пермь, 2009. – 52 с.

7. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

8. Николаев А.В. Уточнение формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающими и вентиляционным стволами // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: тр. III междунар. конф. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. Горн. Ун-та, 2010. С. 246-250.

9. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет эквивалентного аэродинамического сопротивления подземной части проектируемого рудника для определения естественной тяги, действующей между стволами. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – М., 2010. – № 12. – С. 68-70.