Влияние выработанных пространств рудников на процесс реверсии воздушных струй в горных выработках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.414

М.Ю. Постникова, ассист., шагу.18.02@mail.ru (Россия, Пермь, ПермГТУ),

Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор,

(4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ВЛИЯНИЕ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ РУДНИКОВ НА ПРОЦЕСС РЕВЕРСИИ ВОЗДУШНЫХ СТРУЙ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Показано, что одним из мероприятии в случае пожара в руднике является реверсирование общерудничной вентиляционной струи с целью предотвращения распространения пожарных газов в выработках. Однако наличие больших объемов пустот в выработанных пространствах не позволяет сделать реверсию длительное время (до 50 мин), в течение которого пожарные газы могут распространяться по выработкам даже в случае быстрого перевода главной вентиляторной установки в реверсивный режим работы.

Ключевые слова: выработанные пространства, вентилятор главного проветривания, реверсия, аварийная ситуация, вентиляционная струя, горные выработки.

Большие объемы пустот в выработанных пространствах образуются в том случае, когда при выемке полезного ископаемого в качестве метода управления кровлей принято жесткое поддержание ее на оставляемых целиках из-за наличия в кровле водоносных горизонтов. Благодаря сжимаемости воздушной среды выработанные пространства могут вместить в своих пустотах дополнительные объемы воздуха при возрастании давления (при нагнетательной схеме проветривания) или, наоборот, отдать избытки воздуха (при всасывающей схеме проветривания). В любом случае это сказывается на режимах работы вентиляторов главного проветривания при их запуске (например, после длительной остановки) или реверсии общерудничной вентиляционной струи в аварийных ситуациях [1, 2].

В аварийных ситуациях основным из мероприятий по борьбе с распространением пожарных газов в горных выработках является реверсия общерудничной вентиляционной струи с помощью главных вентиляторных установок (ГВУ). Однако данное мероприятие не всегда может быть эффективным особенно в случаях, когда рудник имеет большие объемы пустот в отработанных пространствах, которые по тем или иным причинам невозможно изолировать от действующих горных выработок.

В качестве примера был смоделирован реальный рудник, в котором выработанные пространства имели непосредственный выход в действующие горные выработки. На рис. 1 показана данная модель в виде упрощенной вентиляционной сети, в которой ветвями 17 и 18 представлены выработанные пространства с общим объемом пустот соответственно 18 и

17 млн м3 (к примеру, объем пустот в отработанных пространствах рудника ОАО "KNAUF ГИПС Новомосковск" составляет более 36 млн м3).

Рис. 1. Вентиляционная сеть с отработанными пространствами до (а) и после (б) реверсии общерудничной вентиляционной струи

При установившемся нормальном всасывающем режиме проветривания рудника (рис. 1, а) депрессию в выработанных пространствах h17 и h18 можно определить из уравнений маршрутов, составленных на основании законов вентиляционных сетей [3,4, 5, 6]. Эти уравнения являются частью системы уравнений, описывающих топологию вентиляционной сети. Задав произвольное направление движения воздуха в выработанных пространствах, уравнения маршрутов будут иметь общий вид:

Ri4Qi42+...+Ri5Qi52-Ri7Qi72+Ri7Qi72+R8Q82+...+R3Q32+RiQi2-hB=0, (1)

R14Q142 + ... + Ri6Qi62 - Ri8Qi82 + Ri8Qi82 + R9Q92 + ... + R3Q32 + RiQi2 - hB = 0.

Из уравнений (1) определяются депрессии (разрежения), созданные ГВУ в отработанных пространствах при установившемся длительном режиме их работы,

h17 = R14Q142 + .. + R15Q152 ИЛИ hi7 = |R8Q82 + ... + R3Q32 + R1Q12 - hß| , (2) h18 = R14Q142 + .. + R16Q162 ИЛИ hi8 = |R9Q92 + ... + R3Q32 + R1Q12 - hß| . (3)

Параметры вентиляции при установившемся режиме проветривания рудника и работе ГВУ приведены ниже в таблице (графа 2).

В случае пожара в околоствольном дворе воздухоподающего ствола (на рис. 1, б показан стрелкой) должна быть произведена реверсия общерудничной вентиляционной струи с помощью ГВУ, чтобы предотвратить распространение пожарных газов по выработкам рудника. В начальный момент, когда ГВУ остановлена в пустотах выработанных пространств, сохранится депрессия, равная по величине (2) и (3), за счет которой воздух начнет поступать в них из примыкающих выработок.

Параметры вентиляции до и послереверсирования общерудничной _____________вентиляционной струи с помощью ГВУ_________________

Номер и наименование ветви Расход воздуха до реверсии, м3/с Сопротивление ветвей, даПа-с2/м6 Расход воздуха после реверсии, м3/с Содержание газов в воздухе, %

1. Канал ГВУ 125,00 0,0006155 -172,78 0

2. Надшахтное здание 48,84 0,0772441 -29,00 0

3. Вентиляционный ствол 76,16 0,0020126 -143,78 0

4. Вентиляционный квершлаг 76,16 0,0050566 -143,78 0

5. Вентиляцион. штрек крыла 6,88 0,8062043 -8,27 0

6. Вентиляцион. штрек крыла 69,29 0,0037746 -135,50 0

7. Вентиляционная сбойка 6,79 0,4313307 6,70 0

8. Участковый вент. штрек 13,67 0,0000214 -1,57 0

9. Участковый вент. штрек 62,49 0,0003019 -142,20 0

10. Транспортная сбойка 45,79 0,0097066 45,12 0,0013

11. Откаточн. квершлаг крыла 59,46 0,0104198 6,04 0,0013

12. Откаточн. квершлаг крыла 16,71 0,2047090 16,82 0,0013

13. Откаточный квершлаг 76,16 0,0110297 77,26 0,0013

14. Воздухоподающий ствол 76,16 0,0005288 77,26 0

15. Участков. откаточн. штрек 13,67 0,0074211 15,31 0,0013

16. Участков. откаточн. штрек 62,49 0,0000214 61,95 0,0013

17. Отработ. пространство 0,0 0,0 16,88 0,0012

18. Отработ. пространство 0,0 0,0 204,15 0,0004

Примечание: депрессия ГВУ (ветвь 1) до реверсии 194,055 даПа;

давление ГВУ (ветвь 1) после реверсии 97,607 даПа;

депрессия в ветви 17 (отработ. прост-во) 108,479 даПа;

депрессия в ветви 18 (отработ. прост-во) 126,990 даПа.

Таким образом, выработанные пространства начинают играть роль источников тяги, направление действия которых показано на рис. 1, б. В это же время ГВУ переводится на нагнетательный режим проветривания. Следовательно, в вентиляционной сети действуют уже три источника тяги. Параметры вентиляции этого момента приведены в таблице (графа 4), распространение пожарных газов по выработкам - в графе 5 (данное состояние справедливо только в случае, если параметры источников тяги будут постоянными в течение длительного периода времени). Топология вентиляционной сети данного момента вентиляции описывается в отличие от (1) основными уравнениями:

ЯмОм2 + ... + К-150152 + К-8082 + ... + К-зОз2 + К-^2 + Ьв = 0, ЯмОм2 + ... + Я1бО1б2 + Я9О92 + ... + ЯзОз2 + Я^2 + Ьв = 0, (4)

К14°142 + ... + К15О152 + К17°172 - Ь17 = 0,

К14°142 + ... + Я160162 + К18°182 - Ь-18 = 0 ... .

Как видно из примечания к таблице, ГВУ после реверсии развивает очень небольшое давление по сравнению с депрессией до реверсии. Объясняется это тем, что ГВУ преодолевает сопротивление выработок только небольшой части рудника и, кроме того, последовательно ему действуют еще два источника тяги с достаточно большой по величине остаточной депрессией в отработанных пространствах.

По мере наполнения пространств воздухом депрессия в них уменьшается вначале до нуля, а затем наблюдается прирост избыточного давления (кривые 2 и 3 на рис. 2). ГВУ начинает преодолевать сопротивление выработок с каждым разом все более самостоятельно (без помощи источников тяги - отработанных пространств), за счет чего ее давление увеличивается, как показано на рис. 2 (кривая 1). Момент, когда депрессия в выработанных пространствах становится равной нулю, наступает примерно через 50 минут, и с этого момента в отработанных пространствах возникает уже избыточное давление, т.е. направление действия условных источников тяги в ветвях 17 и 18 (см. рис. 1, б) меняется на противоположное.

Анализ сети показывает, что в течение периода времени, когда в выработанных пространствах сохраняется депрессия, потоки воздуха в выработках со стороны воздухоподающего ствола сохраняют направление движения, которое существовало до момента перевода ГВУ в реверсивный режим. Из таблицы видно, что реверсия вентиляционных струй (графа 4) происходит в основном только в выработках, расположенных со стороны вентиляционного ствола до выработанных пространств (знак "минус" перед значениями потоков). Со стороны воздухоподающего ствола (данные таблицы и кривая 1 на рис. 3) прежнее направление струй сохраняется более 45 минут, в течение которых происходит загазовывание выработок и отработанных пространств (таблица, графа 5).

Реверсия струй в данных выработках (пересечение кривой 1 оси абсцисс) уже не спасает положения, поскольку вымывание газов из загазованных выработок будет происходить очень медленно, т.к. поступающий в рудник свежий воздух по вентиляционному стволу (кривая 2) в большей своей части будет использоваться на заполнение пустот в выработанных простран-ствах и только незначительная его часть пойдет в сторону воздухоподающего ствола. Разница между кривыми 1 и 2 по оси ординат на рис. 3 - это тот объем воздуха, который идет на заполнение пустот в отработанных пространствах. Увеличивающаяся разница между кривыми 2 и 3 говорит об увеличении утечек воздуха в надшахтном комплексе, поскольку развиваемое ГВУ давление растет (рис. 2).

h> I I I I I I 1 _ I I I ■

даПа я ■ "

100 ■-------------------------

■ I______________________•

80-------2 -^>4-------------°

—да-?—

40--------------------------

• о__

о---------------------------

208 60 100 140 180 t,

.40 _|в| у ||| _j_

»n~t ■ - ГВУ; “

5и о [•- ветвь 18;

5 о-ветвь 17.

-120-------- -г-1---

• | | | |

Рис. 2. Изменение давления ГВУи в отработанных пространствах

Q,

nrVc

80 60 40 20

-20

-60

-100

-140

-180

Рис. 3. Динамикарасходов воздуха в воздухоподающем (1) и вентиляционном (2) стволах и подача ГВУ (3) приреверсии

Исходя из сказанного ясно, что в рудниках, обладающих значительными объемами пустот в выработанных пространствах, реверсия общерудничной вентиляционной струи в случае пожара не всегда достигает своих целей и не предотвращает выработки рудника от загазовывания, вследст-

0

° •••-

4 • 1

•г- 1

•

0 20 40 • 60 80 100 t >

•< • „ мин

•. ' • 1 1

2 ^ О 1 о < э

_ с > ^ о J ^

пО°С

J- | , □ 1 а 1 Ч

1 М

1

. 1 , ■ 1 1

J 1 1 ч -1

1

■ 1

2 • с

ч 1 °

О с * с к -3

4 ► с 5

sV

20 Í Гбо 100 и ю 180 t

п 1 мин

-с

■ -ГВУ;

о • - ветвь 18;

Э о - ветвь 17.

•

вие чего следует разрабатывать другие мероприятия, обеспечивающие безопасный выход рабочих на поверхность.

Список литературы

1. Mokhirev N. Period of stabilization of mine ventilation during cases of emergency // Occupational safety in underground and open pit mines and quarries: Sci. and techn. conf. Varna, Bulgaria, 8-11 June, 1998 . Vol. 2 .-P.32-34.

2. Мохирев H.H., Утенкова E.A. Влияние режимов работы вентиляторов на вентиляционные сети рудников, обладающих большими объемами отработанных пространств // Горное эхо. Вестник Горного института. 1999 . № 1 (4) . С.18 - 19.

3. Цой С., Данилина Г.П. Синтез оптимальных сетей горных выработок. Алма-Ата: Наука, 1969. 247 с.

4. Дударь Е.С. Особенности формирования и расчет термовлажностного режима выработок калийных рудников.//Вестник Магнитогорского гос.техн.университета им. Г.И. Носова. 2009. № 4. С.10-14

5. Цой С., Рязанцев Г.К. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями. Алма-Ата: Наука, 1968. 322 с.

6. Рогов Е.И., Банкин С.С., Рясков Е.Я. Некоторые свойства вентиляционных сетей и их приложения в расчетах // Тр. ИГД АН КазССР. 1969. Т. 38. С. 38 - 43.

M. Postnicova, N. Kachurin

Influencing mined-out space of mines upon reversing air jets process in mines

One of measures in case of fire in a mine is reversing general mining ventilation jet for preventing fire gases distribution in the mine. However availability of large interstices in mine-out spaces does not allow reversing long time (until 50 minutes). During this time fire gases can spread in making even at the case of reversing the main ventilator.

Key words: mine-out spaces, ventilator of main ventilation, reversing, emergency situation, ventilation jets, mines.

Получено 22.09.10