CC BY
15
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ III. TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
| А.М. Ермолаев // A.M. Yermolaiev [email protected]
д-р техн. наук, научный консультант АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская,3 doctor of technical sciences, scientific consultant of JSC "ScC VostNII", 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia
| В.Г. Казанцев // V.G. Kazantsev [email protected]
д-р техн. наук, проф. Бийского технологического института (филиала) ФГБОУ ВО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»», Россия, 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
doctor of technical sciences, chair professor of Biisk Technological Institute (branch) FGBOU VO "AltGTU named after I.I. Polzunov", 27, Trofimov St., Biisk, 659305, Russia
| В.В. Соболев // V.V. Sobolev [email protected]
д-р техн. наук, заместитель генерального директора АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3
doctor of technical sciences, deputy general director of JSC "ScC VostNII", 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia
| Д.В. Ботвенко // D.V. Botvenko [email protected]
канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3 candidate of technical sciences, laboratory head of JSC "ScC VostNII', 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia
Щ А.А. Ермолаев // A.A. Yermolaiev [email protected]
канд. техн. наук, заведующий лабораторией АО «НЦ ВостНИИ», Россия, 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3 candidate of technical sciences, laboratory head of JSC "ScC VostNII', 3, Institutskaia St., Kemerovo, 650002, Russia
УДК 622.83
НЕПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ АЭРОДИНАМИКИ СТАВА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ТРУБ К ПОТРЕБНОСТЯМ АЭРОДИНАМИКИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ VENTILATION PIPE COLUMN AERODYNAMICS UNPRACTICALITY TO MEET THE NEEDS OF PREPARATORY MINE OPENING AERODYNAMICS
В статье рассмотрены три типа аэрогазодинамики в горных подготовительных выработках совместно с аэрогазодинамикой вентиляционного става и вентилятора при нагнетательном проветривании. Выявлено, что наибольшие утечки воздуха из става вентиляционных труб происходят у устья выработки, вблизи вентилятора, а по мере удаления от вентилятора и приближения к тупику утечки уменьшаются. В свою очередь, газовыделение у устья выработки меньше, чем у тупика. Создаются диспропорция и несогласованность утечек воздуха из става вентиляционных труб и потребностей свежего воздуха для разжижения метана до предельно допустимых норм, и в таких местах возникают опасные слоевые скопления метана при проходке выработок.
The article discusses three types of aerogasdynamics in mine preparatory openings together with the aerogasdynamics of the ventilation column and the fan when forced ventilation is used. It has been revealed
that the greatest air leaks from the ventilation pipe column occur at the mouth of the opening, near the fan, and as the distance from the fan increases and closer to the opening blind end, the leakage decreases. In turn, gas emission at the mouth of the opening is less than at the blind end. There is a disproportion and inconsistency of air leaks from the ventilation pipe column and the needs of fresh air to dilute methane to the maximum permissible norms, and in such spots during opening heading dangerous layer methane accumulations occur. Ключевые слова: МЕТАН, ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ ВЫРАБОТКА, ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ, СТАВ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ТРУБ, УТЕЧКИ ВОЗДУХА ИЗ СТАВА, НЕСОГЛАСОВАННОСТЬ УТЕЧЕК С ПОТРЕБНОСТЯМИ ДЛЯ РАЗЖИЖЕНИЯ МЕТАНА И БОРЬБЫ СО СЛОЕВЫМИ СКОПЛЕНИЯМИ Key words: METHANE, PREPARATORY OPENING, GAS EMISSION, VENTILATION PIPE COLUMN, AIR LEAKS FROM THE COLUMN, INCONSISTENCY OF LEAKAGES WITH NEEDS TO DILUTE METHANE AND TO CONTROL ITS LAYER ACCUMULATION
Анализ фактических и расчетных утечек воздуха из вентиляционного става показывает, что наибольшие утечки происходят у устья выработки, вблизи вентилятора, а по мере подвигания к тупиковой части они уменьшаются. Газовыделение у устья выработки меньше, чем у тупика. Следовательно, создается диспропорция: у устья выработки из вентиляционного става истекает (теряется) избыточное количество свежего воздуха, а по мере приближения к тупику, где выделение газа в выработку выше, поступление свежего воздуха из става вентиляционных труб в виде утечек меньше и иногда достигает величин, недостаточных для разжижения метана до предельно допустимых норм. В таких местах создаются очаги местного или слоевого скопления метана [1].
В горной тупиковой подготовительной выработке, проветриваемой нагнетательным способом через гибкие шахтные вентиляционные трубы, по ее длине создаются три зоны: первая - примыкающая к вентилятору, где утечки из вентиляционного става намного превышают потребные; вторая - в которой утечки воздуха из вентиляционного става соответствуют требуемым утечкам; третья - где утечек воздуха из вентиляционного става недостаточно.
На практике можно наблюдать большое разнообразие характеристик вентиляционных ставов и газовыделения в выработку метана, которые можно разбить на три типа (рис. 1).
Первый тип - утечки воздуха из вентиляционного става неоправданно высокие, а газовыделение незначительное. Это приводит к чрезмерному расходу воздуха, неоправданным расходам электроэнергии и денежных средств. К ним можно отнести большинство выработок в начальной стадии проходки при удалении тупика от устья в пределах 100-200 м. По данным Вост-НИИ, к ним относится 91,8% проводимых выработок в Кузбассе.
Второй тип - в выработке по всей ее длине или на большей ее части утечки воздуха из вен-
тиляционного става соответствуют требуемым утечкам. Таких выработок в Кузбассе 7,2 %.
Третий тип - утечки воздуха из вентиляционных ставов на большей части их длины ниже требуемых. В этих выработках случаются зага-зирования и появляются очаги слоевых и местных скоплений метана с концентрацией выше допустимых норм. Таких выработок по данным ВостНИИ от 1 до 3 %, их число растет. Но это те выработки, где возможны и наблюдаются скопления метана опасной концентрации. Это зона возможного загазирования или местного слоевого скопления метана.
Аэрогазодинамика системы «Став вентиляционных труб и тупиковая подготовительная горная выработка» представляет собой весьма сложное явление, позволяющее понять и объяснить случаи загазирования отдельных мест и всей выработки по ее длине [2].
Анализ аэрогазодинамики выработок, подводящих вентиляционные потоки к тупиковым
Рисунок 1 - Типы аэродинамических характеристик тупиковых выработок для разжижения газа,
поступающего в выработку Figure 1 - Types of aerodynamic characteristics of blind openings to dilute gas entering the opening
выработкам и отводящих от них, позволяет объяснить опасное и редко выявляемое явление за-газирования ограниченных по длине, но весьма опасных участков, располагаемых между диффузором вентилятора местного проветривания и исходящей струей.
Исследованиями выявлено, что в тупиковых выработках графики газовыделения метана по его длине имеют три характерных разновидности:
• с равномерно нарастающими к тупику величинами газовыделения;
• с нарастающим газовыделением к тупику с волнообразными всплесками на отдельных участках за счет выделения из трещин, нарушений и суфляров;
• с периодически появляющимися волнообразными участками, имеющими место в квершлагах при пересечении пластов угля, а также тектоническими нарушениями.
Аэродинамика системы «Вентилятор и став вентиляционных труб» с распространенными соединениями характеризуется равномерно убывающими от вентилятора к тупику утечками как через швы и ткань вентиляционных труб, так и через соединения, причем утечки через соединения составляют 65-70 % от общих утечек [2].
На участках подготовительных выработок, где скорость воздушного потока ниже предельно допустимой, появляется реальная возможность местного загазирования и слоевого скопления метана.
В тех случаях, когда от забоя исходит вентиляционная струя с содержанием метана предельной концентрации (0,5 или 1 %), загазирова-ние и слоевое скопление метана гарантированы на тех участках, где газовыделение из стенок выработки превышает величину утечек воздуха из става вентиляционных труб более чем в 100 раз, то есть С > 100 (Д+ В).
Причем загазирование выработки происходит при значительных средних скоростях движения воздушных потоков (V > 1,5 м/с).
В настоящее время в стране используются в шахтах гибкие шахтные вентиляционные трубы, изготавливаемые диаметром 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; и 2,0 м. Длина отдельных отрезков труб, как правило, составляет 20 м. Для соединения отдельных отрезков применяются множество конструкций соединений. Вопросами разработки и совершенствования соединений вентиляционных труб занимались многие изобретатели и исследователи, работавшие в различных институтах (МакНИИ, ВостНИИ, ДонУГИ и др.). Стыковые соединения гибких шахтных вентиляци-
онных труб содержат концевые металлические кольца, вшиваемые при изготовлении. Несмотря на достаточно большое количество конструкций соединений вентиляционных труб, на практике применяется достаточно примитивное, с низкой степенью надежности и герметичности соединение - труба в трубу с различной проволочной фиксацией. Поэтому при пусках вентилятора после аварийных или плановых остановок случаются смещения и разрывы труб. При тщательном рассмотрении конструкций соединений вентиляционных труб становится очевидным, что с целью повышения герметичности и надежности соединения необходимо отрезки труб прижимать друг к другу так, чтобы они не могли рассоединиться при пневмоударах во время пуска вентилятора после аварийной или плановой остановки, а по конструктивному устройству соединение должно иметь минимальное число элементов конструкции, по одному элементу на каждом конце отрезка труб. Конструктивно соединения должны прижимать ткань одного отрезка к ткани другого отрезка без оставления в них зазоров и возможности скольжения относительно друг друга, следовательно, они должны нести на концевых элементах легко монтируемые и легко разбираемые элементы, прижимающие соединительные элементы различных отрезков труб. К таким элементам относят разъемные болтовые соединения или быстроразъ-емные патефонные затворы. А.М. Ермолаевым совместно с В.М. Абрамовым и с В.П.Птицыным разработано новое соединение гибких шахтных вентиляционных труб (патент РФ № 1724889) [3]. На рис. 2 показана первая модель соединения, названная СВТ-1.
Соединение СВТ=1 содержит жесткие элементы 1 и 2, внутренние диаметры которых соответствуют наружному диаметру соединяемых труб 3 и 4. Зажимные элементы соединены стяжными болтами 5 с резьбой под гайку-бараш-ку 6 и установлены на соединяемых отрезках труб с возможностью продольного перемещения относительно друг друга и соединяемых труб, а между их зажимными поверхностями 7 и 8 размещены концы труб.
Исследования ВостНИИ показали, что в подготовительной выработке по ее длине в период проходки с использованием серийно изготавливаемых труб имеются зоны, в которых даже при малом газовыделении создаются условия для местного или слоевого скопления метана с концентрацией свыше 2 % в верхних частях сечения выработки. Неконцентрированные и нерегулируемые утечки воздуха из вен-
Рисунок 2 - Соединение вентиляционных труб СВТ-1 Figure 2 - SVT-1 ventilation pipes connection
тиляционного става, даже если они очень высокие, должного влияния на очаги местного или слоевого скопления метана с точки зрения его рассеивания и выноса из выработки не имеют. В свою очередь, на практике борьба с этими скоплениями метана - весьма трудоемкая и неприятная работа, связанная с остановками забоя и простоями. Авторами патента РФ № 2055214 [4] разработано соединение гибких шахтных вентиляционных труб, с одной стороны, полностью исключающее нерегулируемые утечки воздуха из става в соединениях; с другой стороны, соединения оборудованы устройствами, позволяющими осуществлять концентрированный отвод определенного объема свежего воздуха из става с подводом его к очагам местного или слоевого скопления метана мелкими высокоскоростными пронзающими струями. Устройство выполнено в трех вариантах.
По первому варианту отводимая струя имеет динамическое давление, по второму - из вентиляционного става отводится часть свежей струи под статическим давлением. В этих двух вариантах струя направленно подводится к оча-
гам местного и слоевого скопления метана через конические «взвихриватели» или прямолинейно, конусообразно или закручено.
В третьем варианте отводимая струя под статическим или динамическим давлением за счет сил реакции вращает одну или две пары конических «взвихривателей». Истекающий из насадок воздух возмущает слоевое скопление метана, перемешивает с воздухом, движущимся по выработке, снижая концентрацию метана до допустимых норм. Конические «взвихриватели» изготавливаются с разными диаметрами отверстий на выходе от 2 до 12 мм (2; 4; 6; 8; 10; 12 мм), за счет чего появляется возможность регулирования как количества выпускаемого воздуха, так и скорости исходящей струи. Насадки съемные и при необходимости легко, с малыми трудозатратами, могут быть заменены. Если в процессе проходки выработки очаги местного или слоевого скопления метана истощились или переместились, в результате чего отпала или изменилась необходимость в отводе струи, то съемные конические насадки могут быть заменены на заглушки и отвод струи будет прекращен.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермолаев А.М. Слоевые и местные скопления метана в тупиковых подготовительных выработках // Вестник научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2017. № 4. С. 33-40.
2. Ермолаев А.М. Вопросы борьбы со слоевыми и местными скоплениями метана в тупиковых выработках // Вестник научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2018. № 1. С. 63-68.
3. Пат. SU 1724889 А1 Е21 F 1/06. Соединение гибких вентиляционных труб / В.М. Абрамов, А.М. Ермолаев, В.П. Птицын (СССР); заявлено 10.08.93; опубл. 07.04.92; бюл. № 12.
4. Пат. RU № 2055214 С1 E21 F 1/06. Соединения гибких вентиляционных туб / А.М. Ермолаев, А.А. Ермолаев; заявлено 10.08.93; опубл. 27.02.96; бюл. № 6.
REFERENCES
1. Yermolaev, A.M. (2017). Sloevye i mestnye skopleniia metana v tupikovykh podgotovitelnykh vyrabotkakh [Layer and local accumulations of methane in blind development workings]. Vestnik Nauchnogo tsentra VostNIIpo promyshlennoi i ekologicheskoi bezopasnosti - Herald of Industrial and Environmental Safety Scientific Center VostNII, 4, 33-40 [in Russian].
2. Yermolaev, A.M. (2018). Voprosy borby so sloevymi i mestnymi skopleniami metana v tupikovykh vyrabotkakh [Issues of dealing with stratified and local accumulations of methane in blind workings]. Vestnik Nauchnogo tsentra VostNII po promyshlennoi i ekologicheskoi bezopasnosti - Herald of Industrial and Environmental Safety Scientific Center VostNII, 1, 63-68 [in Russian].
3. Abramov, V.M., Yermolaev, A.M., & Ptitsyn, V.P. Soiedinenie gibkikh ventiliatsionnykh trub [Flexible ventilation duct connection]. Patent RF No. SU 1724889 1 993 [in Russian].
4. Yermolaev, A.M., & Yermolaev, A.A. Soiedinenie gibkikh ventiliatsionnykh trub [Flexible ventilation duct connection]. Patent RF No. RU 2055214 1993 [in Russian].
