Автор: Николаев Александр Викторович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №1 (36) январь 2012 г.

Статья просмотрена: 415 раз

Библиографическое описание:

Николаев А. В. Расчет средней плотности воздуха в стволах при нагнетательном способе проветривания рудников // Молодой ученый. — 2012. — №1. Т.1. — С. 29-32.

Температура пород в руднике в течение года практически постоянна – для Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) колеблется в пределах 7–9 0С. В виду большой протяженности подземных горных выработок температура воздуха, проходящего по руднику, становиться равной температуре пород, т.е. на выходе из рудника (в вентиляционном стволе) температура воздуха также в течение года имеет постоянное значение. Температура воздуха, подаваемого в рудник (в воздухоподающем стволе) зависит от климатических условий, а, следовательно, значение ее изменяется довольно в широких пределах. Так в летнее время года, когда температура наружного воздуха значительно выше температуры пород рудника, в воздухоподающий ствол будет поступать теплый воздух (более легкий). На выходе же из рудника будет выдаваться более холодный (по сравнению с атмосферным), а, следовательно, более тяжелый воздух. При этом в руднике возникает перепад гидростатических давлений, в результате чего более легкий воздух будет стремится подняться вверх, а более тяжелый – опуститься вниз. Это явление носит название естественная тяга (тепловая депрессия).

При отработке полезных ископаемых подземным способом вопрос надежности вентиляции является одним из важнейших. Поэтому, в связи с тем, что естественная тяга оказывает значительное влияние на процесс проветривания, необходимо учитывать это явление как неотъемлемую составляющую вентиляционной системы.

Направление естественной тяги будет определять степень ее влияния на процесс проветривания. В случае, если направление действия естественной тяги совпадает с требуемым направлением движения воздуха, ее принято называть «положительной естественной тягой» (холодное время года), при встречном направлении – «отрицательной» (теплое время года).

Основные факторы, влияющие на появление тепловой депрессии в процессе проветривания рудников и шахт известны достаточно давно. До появления механических вентиляторов естественная тяга была практически единственным средством проветривания рудников и шахт, где требовались относительно незначительные объемы воздуха. Позже Правилами Безопасности [1] было запрещено проветривать шахты и рудники только с помощью тепловой депрессии ввиду ее неустойчивости по количеству подаваемого воздуха и направлению, а также в связи с тем, что подаваемые объемы воздуха были недостаточны для нормального проветривания шахт.

Известно много способов измерения и подсчета величины тепловой депрессии. Однако в существующих формулах подсчета не были учтены следующие факторы:

1. Потеря депрессии в элементах вентиляционной сети;

2. Приращение температур в потоках воздуха за счет адиабатического сжатия (в воздухоподающих стволах и нисходящих выработках) или расширения (в вентиляционных стволах и восходящих выработках);

3. Взаимное расположение стволов (разность высотных отметок устьев и околоствольных дворов);

4. Взаимное влияние тепловых депрессий, возникающих между стволами.

Для калийных рудников, обладающих малыми эквивалентными сопротивлениями, вопрос потери давления в элементах вентиляционной сети (п. 1) является наиболее значимым. Полученные ранее математические зависимости были определены в основном для угольных шахт, обладающих большими аэродинамическими сопротивлениями, в связи с чем, применение их в расчетах для калийных рудников дает значительную ошибку.

Потеря депрессии в основных элементах вентиляционной сети в значительной степени сказывается на величине приращения температуры и барометрического давления в стволе (п. 2), которые, в свою очередь, влияют на величину плотности воздуха:

(1)

где Pi и ti – соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (0C) в i-ой точке.

Величина тепловой депрессии определяется по формуле гидростатического метода расчета

, Па

(2)

где ρср.i и ρср.j – средние плотности воздуха в i-ом и j-ом сообщающихся стволах, кг/м3; Hств – глубина стволов, м; – ускорение свободного падения, м/с2.

Ввиду того, что и для каждого конкретного рудника есть величины постоянные, параметрами, определяющими абсолютное значение тепловой депрессии, будут являться величины средних плотностей воздуха в сообщающихся стволах.

Исходя из формул (1) и (2) в работе [2] был определен следующий порядок расчета средних плотностей воздуха в стволах.

Схема на рис. 1 рассматривалась как небольшой элемент эквивалентный вентиляционной сети, в котором перепад давления, равный депрессии главной вентиляторной установки (ГВУ) 1, затрачивается в 3-х ветвях: в воздухоподающем стволе 2 (ab), непосредственно в руднике (bc) и в вентиляционном стволе 3 (cd).

Рис. 1. Упрощенная схема проветривания (всасывающий способ)

При движении вниз по воздухоподающему и вверх по вентиляционному стволам температура воздуха изменяется в зависимости от возрастающего (для воздухоподающего) либо снижающегося (для вентиляционного) барометрического давления за счет давления (разряжения), создаваемого столбом воздуха (работой ГВУ), а также зависит от тепло- и влагообмена между поступающим воздухом и стенками ствола.

Исследовав процесс изменения параметров воздуха при движении его по стволам, теоретическим путем были получены коэффициенты, определяющие приращение температуры и барометрического давления, обозначенные через X для воздухоподающего и через Y для вентиляционного стволов [3]. Исходя из этого были уточнены формулы, определяющие величину средних плотностей воздуха в стволах калийных рудников.

Для воздухоподающего ствола:

(3)

Для воздухоподающего ствола:

(4)

где Pа – атмосферное давление, мм рт. ст.; tа – температура наружного воздуха, 0C; R1, R3, R2 – аэродинамическое сопротивление соответственно воздухоподающего, вентиляционного стволов и подземной части рудника, (Н∙с2)/м8; Q – объем воздуха, проходящего по руднику (для вывода формулы принимается условие, что в стволы и подземную часть рудника воздух подается при отсутствии утечек), м3/с; tс – температура воздуха в околоствольном дворе вентиляционного ствола, 0C (находится по формулам [3]).

При определении средних плотностей воздуха по формулам (3), (4) и дальнейшем расчете по ним величины тепловой депрессии (2) для различных рудников ВКМКС выяснилось, что с учетом их взаимного действия (при количестве стволов более двух) [4] и разности высотных отметок стволов [5] (п. 3 и п. 4), отличие данных, полученных теоретическим путем от эмпирических исследований лежит в пределах 2 % [6].

Этот факт позволил сделать вывод о возможности использования приведенного алгоритма и коэффициентов, определяющих приращение температуры и барометрического давления, для определения величины естественной тяги, действующей между стволами.

Полученные математические зависимости позволяют определить величину средних плотностей воздуха в стволах при всасывающем способе проветривания.

При нагнетательном способе проветривания воздухоподающим будет являться ствол 3, а вентиляционным – ствол 1 (рис. 1). При этом направление обхода контура необходимо брать от точки a. Коэффициенты для стволов изменятся – для ствола 1 – Y, для ствола 2 – X.

По алгоритму [2] с учетом выведенных теоретическим путем коэффициентов [3] величины средних плотностей воздуха в стволах будут иметь вид

(5)

(6)

Величина тепловой депрессии, действующей между стволами, будет определяться по формуле

.

(7)

Полученные математические зависимости справедливы для случая, когда воздухоподающий и вентиляционный стволы имеют одинаковую высоту и расположены на равных высотных отметках, а также, если по ним проходит равный объем воздуха. В случае, если рудник не соответствует данным условиям, расчет необходимо корректировать по алгоритмам [4 – 7].


Литература:

  1. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом: ПБ 03-553-03: утв. ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России» 13.05.03. М., 2003. Сер. 03. Вып. 33. – 200 с.

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

  3. 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.

  4. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. – Пермь, 2011. – №3. – С. 106–107.

  5. Алыменко Н.И., Николаев А.В. О влиянии взаимного расположения шахтных стволов на величину возникающих между ними тепловых депрессий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – Новосибирск, 2011. – № 5. – С. 84–91.

  6. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет величины общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – М.: Издательство «Горная книга». – 2001. – № 5. – С. 18–26.

  7. Николаев А.В. Анализ теоретической формулы, определяющей величину естественной тяги действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – М., 2009. –№10. С.72–75.

Основные термины (генерируются автоматически): средних плотностей воздуха, естественной тяги, калийных рудников, температура воздуха, тепловой депрессии, проветривания рудников, проветривания калийных рудников, Николаев А.В, способе проветривания, эффективность проветривания калийных, плотности воздуха, нагнетательном способе проветривания, температура наружного воздуха, естественная тяга, барометрического давления, элементах вентиляционной сети, способе проветривания рудников, вентиляторов местного проветривания, местного проветривания ВМЭ-6, величины тепловой депрессии.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос