CC BY
63
© С.Г. Гендлер, В.В. Смирняков, В.А. Соколов, 2005
УДК 622.4.012
С.Г. Гендлер, В.В. Смирняков, В.А. Соколов
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬ ТА ТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ СЕВЕРОМУЙСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТОННЕЛЯ
~П ноябре 2003 года был завершен основной этап сооруже-
М.М ния самого протяженного в нашей стране железнодорожного Северомуйского тоннеля (СМТ). Его длина составляет 15343 метров. В процессе строительства тоннеля имели место нештатные ситуации, приводившие к отклонению фактических параметров воздушной среды от значений, определяемых действующими нормативными документами (правилами безопасности при строительстве подземных сооружений, нормами радиационной безопасности, санитарно-гигиеничес-кими правилами) [5, 6, 7]. Причины возникновения этих ситуаций были связаны с [3, 4]:
1) значительными длинами и числом одновременно проходимых тупиковых выработок, что затрудняло подачу необходимого количества воздуха к проходческим забоям;
2) высокой интенсивностью выделения радона в воздушную среду из подземных вод, изливающихся и движущихся по горным выработкам, что обусловило неблагоприятную радиационную обстановку;
3) образованием наледей на тех участках тоннеля, куда в зимний период года проникал холодный наружный воздух;
4) значительным влиянием естественной тяги на динамику поступления в выработки тоннеля наружного воздуха на участках со сквозной вентиляционной струей.
Для того чтобы избежать повторения выше перечисленных нештатных ситуаций в период эксплуатации железнодорожного тоннеля и обеспечить нормальные условия труда обслуживающего персонала в проекте вентиляции тоннеля был использован ряд технических решений, некоторые из которых не имеют аналогов в мировой практике. В частности, на порталах тоннеля в вентиляцион-
4 З
Рис. 1. Конструкция вентиляционных ворот, установленных на порталах Се-веромуйского тоннеля: 1 - задвижки, панели которых выполнены из хрупко разрушающегося материала; 2, 3 - верхняя и нижняя направляющие; 4 - тележки с опорными роликами качения; 5 -механизмы для перемещения створок ворот; 6-противовесы для аварийного открытия ворот; 7 - отверстие для пропуска контактного провода
ных зданиях сооружены калориферные установки для подогрева в зимний период наружного воздуха и вентиляторы для обеспечения рециркуляции воздуха на участках, прилегающих к порталам. Там же установлены оригинальной конструкции раздвижные вентиляционные ворота для управления количеством возду-
___________________________- /__ 1 \ п і
Рис. 2. Схема основных выработок Северо-Муйского тоннеля
дверях, расположенных в кроссинге к стволу №2, а вентиляционные двери - в вентиляционной выработке за вентиляционной камерой, в подходной выработке, в сбойках, соединяющих ЖДТ и РДШ. На порталах РДШ сооружены вентиляционные ворота, которые могут занимать два положения: «открыто» и «закрыто». Схема основных выработок СМТ представлена на рис. 2., а их основные геометрические параметры (длина L, сечение S, периметр и) в таблице.
Проектом было предусмотрено два основных режима вентиляции: летний и зимний. Переход от зимнего режима к летнему режиму должен происходит при установлении среднесуточной температуры атмосферного воздуха выше +2 оС. Для реализации этих режимов предлагалось несколько вариантов схем проветривания, отличающихся возможностью включения в вентиляционную сеть стволов №1 или №2, предполагающих обособленное проветривание ЖДТ и РДШ, а также использование вентиляторов ВОМ-18, установленные в вентиляционной камере у ствола №2 и способных работать как на всасывание, так и на нагнетание [2].
Вент. сб-ка 20 10.5 11.3
Вент. вост. 5 10.5 11.3
Вент. в-ка 1060 15 13.7
Подх. в-ка 1390 15 13.7
Крос- синг 20 29.3 17.6
Ст. №4 200 44.2 23.8
Ст. №3 166 44.2 23.8
Ст. №2 356 44.2 23.8
н и £ 316 44.2 23.8
РДШ 15343 10.5 11.3
ЖДТ 15343 38 23,4
Выр-ка СМ — 2 12 2 Л со Э
Потребное количество воздуха для проветривания выработок тоннеля установлено из условия необходимости обеспечения нормативного уровня радиационной обстановки, характеризующегося не превышением эквивалентной объемной равновесной активности радона и его дочерних продуктов (ЭРОА^) значения 1200 Бк/м3 [5]. Расчетами установлено, что для реализации этого условия расход воздуха в ЖДТ и РДШ должен быть не менее соответственно 20 м3/с и 48 м3/с и распределяться примерно в равных долях между их восточным и западным участками [3, 4].
Необходимость рассмотрения на стадии проектирования альтернативных схем проветривания было связано с отсутствием или недостаточной полнотой исходной информации о фактических значениях аэродинамического сопротивления раздвижных вентиляционных ворот, о влиянии на вентиляционный режим естественных факторов и поршневого действия поездов. Окончательный выбор рациональной схемы проветривания предполагалось осуществить после проведения натурных испытаний.
Целью первого этапа натурных испытаний вентиляции СМТ являлось определение наиболее устойчивой к воздействию естественных и эксплуатационных факторов схемы проветривания, характеризующейся минимальными энергетическими затратами.
На основании анализа фактического состояния вентиляционной сети на момент проведения натурных испытаний в качестве основной схемы вентиляции в летний период была выбрана схема с обособленным проветриванием тоннеля и штольни. Для реализации этой схемы вентиляционный ре-
гулятор в кроссинге к стволу №2 и все двери в сбойках были установлен в положение «закрыто», а вентиляционные двери на порталах РДШ и ЖДТ наоборот установлены в позицию «открыто». Проветривание ЖДТ в процессе проведения натурных исследований осуществлялось с помощью естественной тяги и поршневого действия подвижного состава, вентиляция РДШ - как в результате действия естественной тяги, так и за счет работы вентиляторов ВОМ -18.
На первом этапе исследовалась возможность проветривания выработок тоннеля за счет действия естественной тяги и поршневого действия поездов. Измерение скоростей воздушного потока в ЖДТ были осуществлены 01.07.2004 г. в период с 13 час 45 мин. до 14 час 25 мин. Для проведения замеров было выбрано сечение тоннеля площадью 38,6 м2, расположенное за пределами области аэродинамического влияния Восточного портала. В процессе измерений с помощью прибора МЭС-200 определялись температура, относительная влажность и барометрическое давление воздуха, средняя скорость естественного воздушного потока, которые оказались равными соответственно 10,7 °С, 66 %, 91,3 кПа. и 1,54 м/с (расход воздуха 59,1 м3/с). Во время движения поезда по тоннелю в направлении движения естественного воздушного потока регистрировались времена входа и выхода поезда из тоннеля, а также динамика максимальной скорости воздуха во время нахождения поезда в тоннеле. Результаты измерения динамики максимальной скорости воздушного потока представлены на рис. 3. При этом переход от максимального значения скорости (Vmax) к ее среднему по сечению значению (Vcj,) осуществлялся в предположении, что отношение V max/V ср = 1,23 [8].
Анализ данных инструментальных измерений показал, что полное время действия поршневого эффекта составляет 22,82 мин. Время стабилизации воздушного потока при выходе поезда из тоннеля равно 4,9 мин. Средняя скорость воздуха в период нахождения поезда в тоннеле равна 3,97 м/с, а расход воздуха достигает 153 м3/с.
Иная ситуация сложилась при проветривании за счет естественной тяги РДШ. При ориентации естественной тяги от стволов к восточному и западному порталам основные количества наружного воздуха поступали в РДШ через ствол №1, ствол №2 и ствол №3. Суммарное количество воздуха, поступающее в РДШ за счет дей-
Время, мин
Рис. 3. Характеристика поршневого действия подвижного состава
ствия естественной тяги, составляло 13,7 м3/с, что в 3,5 раза меньше величины расхода воздуха, принятой из условия нормализации радиационной обстановки.
При работе вентилятора направление подачи воздуха в РДШ было выбрано, совпадающим с направлением действия естественной тяги, т.е. от ствола №2 к порталам РДШ. Режим работы вентилятора ВОД-18 при этом был реверсивным. При производительности вентилятора, составляющей 36,7 м3/с, в ствол №2 поступало лишь 17,1 м3/с. Остальные 19, 6 м3/с воздуха циркулировало в вентиляционном контуре вентиляционная камера ствола №2 - вентиляционная выработка - подходная выработка - РДШ. Общее количество воздуха в РДШ с учетом его дополнительного поступления по стволам №№1,3, и 4 за счет естественной тяги, с одной стороны, и утечек в ЖДТ, с другой стороны, составило16,4 м3/с, что в 2,9 раза ниже проектной величины. Несмотря на в определенной степени негативный результат, полученный в период проведения натурных испытаний, выполненные оценки свидетельствуют о том, что в случае предотвращения рециркуляции воздуха у ствола №2 и повышения воздухоплотности всех вентиляционных сооружений, связывающих РДШ и ЖДТ, использование вышеописанной схемы
проветривания и реверсивного режима работы вентилятора ВОД-18 приведет к подаче в РДШ проектных расходов воздуха.
Результаты натурных испытаний вентиляции СМТ в теплый период позволили сделать следующие выводы:
1) Обеспечение проектных количеств воздуха в выработках СМТ в теплый период года может быть достигнуто в результате обособленного проветривания ЖДТ и РДШ.
2) Эффективная вентиляция транспортного тоннеля будет осуществляться в результате естественного проветривания и поршневого действия поездов. При этом даже, если в период отсутствия поездов количество воздуха, поступающее в тоннель за счет действия естественных факторов, будет минимально (10-15 м3/с), то поезда при интенсивности их движения, превышающей 10-12 пар/сут, обеспечат увеличение среднесуточного расхода воздуха до значений, гарантирующих нормализацию радиационного режима.
3) Проветривание РДШ только за счет естественного проветривания не позволяет обеспечить подачу проектных количеств воздуха.
4) Обеспечение РДШ количеством воздуха, необходимым для нормализации радиационной обстановки, связано с использованием вентиляторов ВОД-18, подающим воздух в штольню через ствол №2, исключением рециркуляции воздуха в околоствольных выработках этого ствола и повышением воздухоплотности всех вентиляционных сооружений, связывающих РДШ и ЖДТ.
Натурные испытания вентиляционной системы СМТ в холодный период года были осуществлены в 2003 году. Основная задача, которая решалась в ходе проведения натурных испытаний, состояла, как и во время летнего периода, в определении возможности проветривания выработок тоннеля за счет естественной тяги. Как показали предварительные оценки, при подогреве воздуха на порталах тоннеля направление действия естественной тяги всегда будет ориентировано от порталов ЖДТ и РДШ к стволам. В качестве ствола, по которому воздух будет удаляться из системы выработок, был выбран ствол №1. Это было связано с тем, что при его глубине, соизмеримой с глубиной ствола №2, аэродинамическое сопротивление выработок, прилегающих к нему, гораздо ниже, чем аэродинамическое сопротивление околоствольный выработок ствола №2. Таким образом, исследования выполнялись при следующих условиях: все стволы, кроме ствола №1, были закрыты; задействованы в работе ка-
лориферные установки у порталов тоннеля и вентиляторы в вентиляционных сбойках, вентиляционные ворота на порталах ЖДТ и РДШ находились в закрытом состоянии.
В процессе измерений было установлено, что наружный воздух поступал в выработки тоннеля через западный и восточный порталы ЖДТ. Со стороны восточного портала к стволу № 1 двигалось около 39,2 м3/с воздуха (с учетом дополнительных 4,5 м3/с воздуха, приходящего из ствола №3) , а со стороны Западного портала - 36,7 м3/с. Общий расход воздуха, поступающий в комплекс выработок тоннеля, достигал 75,9 м3/с. Основное количество воздуха 74,9 м3/с удалялось по стволу № 1 при величине утечек воздуха через стволы №2 и №4, соответственно равных 0,5 м3/с. При работе вентиляторов, установленных в вентиляционных сбойках на западном и восточном крыльях тоннеля, расходы воздуха между ЖТД и РДШ распределялись в соотношении, приближающемуся к проектной значению, т.е. 1:2,4.
Таким образом, в результате проведения натурных испытаний системы вентиляции показано, что проветривание выработок тоннеля в зимний период может быть осуществлено только за счет действия естественной тяги без использования вентиляторов главного проветривания ВОД-18, расположенных в вентиляционной камере у ствола №2. При этом исходящая вентиляционная струя удаляется из тоннельных выработок через ствол №1, подогрев воздуха осуществляется с помощью портальных тепловентиляционных систем, а необходимое распределение воздуха между ЖДТ и РДШ достигается с помощью вентиляторов 60G.6P, размещенных в вентиляционных сбойках.
Одной из возможностей управления количеством воздуха, поступающим в выработки тоннеля, является изменения аэродинамического сопротивления раздвижных вентиляционных ворот за счет увеличения или уменьшения свободного проема для прохода воздуха, который при полностью закрытых воротах попадает в ЖДТ через отверстие для размещения контактного провода и неплотности в вентиляционных воротах. В этой связи в процессе экспериментальных исследований были проведены измерения аэродинамического сопротивления раздвижных вентиляционных ворот и установлена зависимость этого сопротивления от сечения свободного проема для прохода воздуха. Сечение тоннеля в портальной части составляло 44,8 м2, а свободное сечение тоннеля при полностью открытых воротах было равно сечению отверстия для разме-
Рис. 4. Зависимость аэродинамического сопротивления вентиляционных ворот ^) от величины перекрытия площади свободного _ сечения портала тоннеля S = Sпр/Sт.
щения контактного провода 0,44 м2. Для каждого положения ворот микроманометрами ММН было осуществлено от 3 до 5 серий измерений депрессии ворот и количества воздуха, после чего вычислялись аэродинами-ческие сопротивления вентиляционных ворот. По результатам вычислений аэродинамического сопротивления вентиляцион-ных ворот для каждого значения величины перекрытия ( S = Sпр/Sт ) найдены средние по всем сериям замеров значения, которые представлены в виде графика (рис. 4)
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод об закономерности изменения аэродинамического сопротивления в зависимости от величины перекрытия сечения портала тоннеля S. До величины перекрытия, равного 0,75, аэродинамическое сопротивление изменяется незначительно. В то же время, в интервале S от 0,75 до 0,99 аэродинамическое сопротивление ворот возрастает более, чем на порядок. Следовательно, для достижения заметного уровня сокращения количества воздуха, поступающего в тоннель, вентиляционные ворота должны быть приведены в положение, позволяющее перекрыть более 75% сечения портала ЖДТ.
Таким образом, проведенный комплекс натурных исследований позволил выбрать наиболее рациональные с точки зрения сокращения энергетических затрат схемы вентиляции Северомуйско-го тоннеля в летний и зимний периоды, а также разработать рекомендации по совершенствованию проветривания его выработок.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гендлер С.Г. Вентиляционный затвор для железнодорожного тоннеля /Пат. № 2191264, Гендлер С.Г., Макаров В.А., Рохлин А.Е., Соловьев А.Н., Самсонов Е.Я., Комиссар О.Н., Шабалин В.Н. Бюл. 29. 2002
2. Гендлер С.Г., Соколов В.А., Пищик Б.Н. Обоснование режимов работы автоматизированной системы управления параметрами микроклимата в Северо-Муйском железнодорожном тоннеле. Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, № 8, 2002 г., с. 148-153.
3. Гендлер С.Г., Фомин В.Х., Шабалин В.Н. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях. Подземное пространство мира, № 1-2, 2003, с. 43-48.
4. Gendler S., Sokolov V. The choice of operation regimes for an air quality maintenance system in the Northern Mujsky Railway Tunnel BHRg 11* International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 2003, Luzern, Switzerland, pp. 289308.
5. Нормы радиационной безопасности. Минздрав России, 1999, 115 с.
6. Основные санитарные правила обеспечения санитарной безопасности (ОСПОРБ-99). Минздрав России, 2000 г. 98 с.
7. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений. - М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Г осгортех-надзора России». 2002, 425 с.
8. Справочник по рудничной вентиляции. - М.: Недра.1988. 432 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Гендлер С.Г. - профессор, доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность производства и разрушения горных пород»,
Смирняков В.В. - доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры «Безопасность производства и разрушения горных пород», Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет),
Соколов В.А. - начальник отдела по проектированию инженерных систем жизнеобеспечения ОАО проектно-изыскательский и научно-исследовантельский институт «Ленметрогипротранс».
