CC BY
70
------------------------------------- © В.Н. Макаров, С.В. Белов,
Н.В. Муталапова, 2009
В.Н. Макаров, С.В. Белов, Н.В. Муталапова
ДИНАМИКА ШАХТНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ РЕЖИМОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Проведенный анализ позволил сделать вывод о значительном отличии проектных вентиляционных режимов шахтных вентиляторов от их фактических значений. Приведенные в статье исследования основных направлений совершенствования технологии проветривания, а также анализ взаимозависимости параметров общешахтной и газоотводящей вентиляционных сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы угольных шахт позволили определить максимальные аэродинамические параметры вентиляторов главного проветривания и газоотсасывающих вентиляторов достаточные для обеспечения надежной вентиляции на ближайшую перспективу. С учетом полученных рекомендаций предложен параметрический ряд шахтных вентиляторов.
Ключевые слова: многосвязная вентиляционная сеть, эквивалентное отверстие, депрессия, статическое давление, расход, адаптивность, комбинированное проветривание.
Стратегия обеспечения конкурентоспособности угольной отрасли опирается в настоящее время на техническое перевооружение шахт. Для обеспечения необходимой производственной мощности действующих шахт весь вентиляционный фонд следует привести в соответствие с современными требованиями.
Несмотря на сравнительно высокие значения показателей технического уровня, шахтные вентиляторы главного проветривания (ВГП) и газоотсасывающие вентиляторные установки (ГВУ) отличаются низкой фактической экономичностью в эксплуатации.
Разработка шахтных вентиляторов с подачей 1000 м^с и статическим давление до 1000 даПа была обоснована непрерывным ростом аэродинамических параметров шахтных вентиляторов до 1975 года. Указывалось на технологическую необходимость перехода на депрессию угольных шахт, большую чем это допускается Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) [2, 3].
Однако проведенный анализ показал, что динамика аэродинамических параметров связана с централизацией шахтного фонда, реконструкцией с увеличением мощности действующих и вводом в строй новых крупных шахт, отрабатывающих пласты на глубоких горизонтах. Стабилизация вентиляционных режимов в 1975—1983
гг. подтверждает, что указанный процесс на том уровне развития отрасли практически завершился, в связи с широким распространением центрально-фланговой, фланговой, а в отдельных случаях и секционной схем проветривания шахт.
Расход воздуха для проветривания шахты и потребная депрессия зависят от множества горно-геологических условий, производственно-технических параметров, организационных факторов и являются случайными функциями многих переменных [4]. Следовательно, таковыми являются и параметры вентиляционных режимов, причем, как показали исследования, слабо зависимыми, распределения которых хорошо аппроксимируются одним законом — бета-распределением [1].
Для газообильных шахт основным показателем соответствия их производственной мощности возможностям вентиляции служит концентрация метана в общешахтной исходящей струе воздуха. Комплекс шахтных вентиляторов, осуществляющих проветривание газообильных угольных шахт должен обеспечивать такое поле распределений депрессий и расходов потоков в области, ограниченной выемочными участками и прилегающими к ним зонами выработанного пространства, при котором устраняются проявления мета-ноопасности и газового барьера.
Применение газоотсасывающих вентиляторов для комбинированного проветривания газообильных угольных шахт позволяет до 3 раз снизить энергоемкость вентиляции шахт и повысить нагрузку на очистной забой до 15 000—25 000 т/сут. за счет устранения ограничения по газовому барьеру. Однако это требует достаточной корреляции проектных параметров вентиляционных режимов с фактическими значениями.
В связи с изложенным, для определения направления развития шахтного вентиляторостроения и разработки рационального ряда их типоразмеров с использованием данных приведенных в [1], проведен системный анализ вентиляционных режимов действующих установок и определены тенденции их развития.
На рис. 1, 2 приведены результаты исследований проектных и фактических вентиляционных режимов угольных шахт за период с 1960 по 2005 гг. Для обеспечения достаточной достоверности прогноза динамики вентиляционных режимов угольных шахт к 2010 г. проанализировано соответствие проектных и фактических режимов вен-
тиляции за указанный период. Из анализа рис. 1, 2 можно сделать выводы, что проектные вентиляционные режимы за все предшествующие периоды имеют значительно более высокие параметры по сравнению с фактическими. Так за приведенный период фактические максимальные значения давления и расхода ВГП увеличились с 608 ДаПа до 780 ДаПа и с 300 м^с до 390 м1/с, то есть на 29 % и 31 % соответственно, в то время как их проектные значения увеличились на 38 % и 52 % соответственно.
400
300
200
100
о тах п
о
/ Фтах
0с I
^ф.ср 1
2000 г. 2010 г
2000 г. 2010 г
в г
Рис. 1. Динамика газоотводящих (а, б) и общешахтных (в, г) вентиляционных режимов угольных шахт
Что касается газоотводящих вентиляционных режимов, то существенные отклонения фактических значений параметров в 1995 г.
обусловливаются тем, что проектные вентиляционные параметры составлены для режимов комбинированного проветривания газообильных угольных шахт. Фактически ГВУ типа УВЦГ начали эксплуатировать на угольных шахтах с 1997 г. Отличие проектных и фактических газоотводящих вентиляционных режимов с 2001 по 2005 гг. составило по максимальному давлению не более 3 %, по максимальному расходу не более 10 %. Указанное подтверждает правильность учета отклонения фактических вентиляционных общешахтных параметров от проектных в указанный период при разработке проектных газоотводящих вентиляционных режимов угольных шахт.
Совершенствование методики проектирования шахт, в настоящее время, оказывает прямое влияние на параметры вентиляционных режимов. Так, если в шестидесятые годы преобладали одновентиляторные, то к восьмидесятым годам примерно 70 % шахт имели многовентиляторные системы. Прежде всего, это связано с широким распространением центрально-фланговой, фланговой, а в отдельных случаях и секционной схем проветривания шахт. Одновентиляторные вентиляционные системы характеризуются значительно большим аэродинамическим сопротивлением движению воздуха в шахте, ограниченными расходами воздуха, большими внешними подсосами. Поэтому, как правило, на газообильных шахтах с предстоящим длительным сроком службы требуется значительная реконструкции вентиляционных систем, связанная с переходом на более эффективные схемы проветривания и использованием нескольких главных вентиляторов.
Одним из основных факторов, влияющих на вентиляционные режимы шахт, наряду с применением многовентиляторных систем является увеличение площади поперечного сечения горных выработок. Если в период до 1975 г. площадь сечения составляла примерно 6—8 м1, то в настоящее время она возросла до 10—13 м1. В соответствии с техническим развитием отрасли предполагается в ближайшем будущем предусматривать в проектах шахт площадь поперечного сечения выработок равной 15—17 м1. Помимо этого, при современном проектировании шахт предусматривается конструирование рациональных вентиляционных систем, заключающееся в создании наиболее простой и надежной вентиляционной сети с минимальным числом вентиляционных сооружений, без
диагональных соединений на основных ветвях и с наиболее эффективными схемами проветривания выемочных участков.
Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что даже при некотором увеличении производственной мощности шахт существенного роста депрессии и расхода воздуха в шахтных вентиляционных системах наблюдаться не будет.
Функциональная эффективность структуры, состоящей из ГВУ, ВГП и многосвязной комбинированной вентиляционной системы в большей степени обусловлена обеспечением аэрога-зодинамической изоляции из очистных выработок из выработанного пространства с изолированным отводом метановоздушной смеси через выработанное пространство. Интегральным показателем, характеризующим данный процесс, является коэффициент распределения воздуха, определяемый отношением расхода метановоздушной смеси через газоотводящую сеть к подаче воздуха в очистную выработку через общешахтную вентиляционную сеть. Учитывая наличие корреляционной связи между эквивалентными отверстиями общешахтных и газоотводящих вентиляционных сетей, а также вышесказанное, получаем ограничение, накладываемое на соотношение аэродинамических параметров ГВУ и ВГП для обеспечения пассивной функциональной адаптивности:
А F --
МО > ^ уАД )2 _ А2
А -- > --
"г АД 'у ААО
(1)
где Аг — коэффициент пассивной адаптивности, характеризующий
стабильность режима аэрогазодинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства в условиях колебаний параметров комбинированной многосвязной вентиляционной системы, обусловленных геотехническими факторами:
4 Т сіш..
Г
А _ --------------, (2)
Чт
где — коэффициент статического давления вентилятора; q — коэффициент расхода вентилятора (по данным экспериментальных исследований чи/ 9™ = 4 ); Аё — коэффициент корреляционной
адаптивности, характеризует степень согласованности аэродинамических характеристик ВГП и газоотсасывающих установок с параметрами общешахтной и газоотводящей сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы для обеспечения аэро-газодинамической изоляции очистной выработки от выработанного пространства:
Аё = ^, (3)
'у МО
где Руддо , 'уам — эквивалентные отверстия газоотводящей и общешахтной вентиляционных сетей многосвязной комбинированной вентиляционной системы.
Исходя из этого и учитывая выше приведенные результаты исследования вентиляционных режимов действующих шахт, можно сделать вывод о том, что для основных угольных бассейнов страны вентиляторы комбинированного проветривания, должны иметь следующие максимальные аэродинамические параметры:
• ВГП — максимальный расход воздуха Q = 450 м1/с, максимальное статичное давление Рст = 750 ДаПа;
• ГВУ — максимальный расход воздуха Q = 70 м1/с, максимальное статическое давление Рст = 1200 ДаПа.
Анализ гистограммы проектных вентиляционных режимов, приведенных на рис. 2 показывает, что практически для 97 % угольных шахт достаточны следующие максимальные параметры вентиляционных режимов:
• общешахтные вентиляционные режимы — максимальный расход воздуха 250 м1/с, депрессия 450 ДаПа;
• газоотсасывающие вентиляционные режимы — максимальный расход воздуха 60 м1/с, депрессия 1000 ДаПа.
102*Р, ДаПа
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
а
%
35 30 25 20 15 10 5 -0
ю*д, м3/с
1 2 3 4 5 6
б
%
35 -
30 -
25 -
20 -
15 - ю*д, м3/с
10 -
5 -
12 3 4 5 6 7 8
Рис 2. Гистограмма распределения общешахтных (а, б) газоотводящих (в, г) вентиляционных режимов
в
г
С учетом данных рекомендаций предложены проектные аэродинамические параметры и освоено производство типоразмерного ряда газоотсасывающих вентиляторов УВЦГ, находящихся в настоящее время в эксплуатации с 2001 года и подготовлены технические предложения для высоконапорных вентиляторов главного проветривания.
------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабак Г.А., Король Е.П. Динамика вентиляционных режимов шахтных вентиляторных установок главного проветривания. — В сб.: Шахтные турбомашины. — Донецк: ИГМ и ТК им. М.М. Федорова, 1972, с.37—42.
2. Бусыгин К.К., Бобров А.К., Шейко В.М., Гранкин Л.Ф. Состояние проветривания шахт Донбасса. В сб. : Борьба с газом и пылью в угольных шахтах. — Донецк: МакНИИ, 1970, вып.6, с. 24—34.
3. Карнаух Н.В. Оценка эффективности проветривания шахт. — В сб.: Совершенствование технологии добычи угля на шахтах Донбасса. — Донцк, 1986, с. 186—192.
4. Петров Н.Н., Кайгородов Ю.М. Исследование эволюции шахтных вентиляционных систем. — В сб.: Автоматическое управление в горном деле. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1974, с. 126—136. ШШ
Makarov N. V., Belov S. V., Mutalapova N. V.
MINING VENTILATION REGIMES DYNAMICS OF COAL MINING
Carried out analysis allowed to infer about the significant difference of design ventilation regimes mining fans from their factual meanings. Mentioned in article the researches of the main directions of improving of the technology of airing, as well as the analysis of the interdependence of parameters fullmining and gasoff ventilation the networks of multivariable combined ventilation system of carbon collieries allowed to determine the maximal aerodynamic parameters of fans main airing and gasoff fans sufficient for ensuring of reliable ventilation on near-term outlook. With allowance for received recommendations is proposed parametric row mining fans.
Keyword: multivariable ventilation network, equivalent opening, doldrums, static pressure, expense, adaptability combined airing.
— Коротко об авторах ------------------------------------------
Макаров В.Н., Белов С.В., Муталапова Н.В. — Уральский государственный горный университет, тел: (343) 257-25-47 (257-22-27)
