Расчет общерудничной естественной тяги Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------- © Н.И. Алыменко, А.В. Николаев,

2011

УДК 377.44

Н.И. Алыменко, А.В. Николаев

РАСЧЕТ ОБЩЕРУДНИЧНОЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ

Рассчитана величина общерудничной естественной тяги, вычисленная по теоретическим формулам и проведено сравнение с расчетами, полученными при обработке данных воздушно-депрессионных съемок рудников СКРУ-3, ОАО «Сильвинит» и БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий» (Пермский край).

Ключевые слова: естественная тяга, воздухоподающие и вентиляционные стволы, рудник.

Лри проветривании шахт и рудников наряду с работой главной вентиляторной установки (ГВУ) между стволами шахты (рудника) действует естественная тяга (тепловая депрессия), вызванная разностью плотностей воздуха в стволах. Величина и направленность общерудничной естественной тяги, возникающей между стволами, зависит от многих факторов: температуры наружного воздуха, атмосферного давления, влажности воздуха, глубины стволов, взаимного расположения стволов относительно друг друга и т.д.

В работе [1] приведена методика расчета величины и направленности естественной тяги, возникающей между воздухоподающим и вентиляционным стволами. Однако, в большую часть рудников (шахт) воздух подается по двум и более воздухоподающим стволам. Рассмотрим вариант с двумя воздухоподающими стволами на примере рудников Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС).

Если температура воздуха, подаваемого в стволы одинаковая, то при равной их глубине, одинаковом расположении устьев и око-лоствольных дворов, а также аэродинамическом сопротивлении тепловая депрессия между стволами будет отсутствовать. В виду того, что гипсометрия залегания полезного ископаемого и дневной поверхности такова, что высотные отметки стволов неравны, т.е. отличаются по глубине, естественная тяга обязательно будет возникать между воздухоподающими стволами.

Рис. 1. Упрощенная схема распределения воздуха между стволами

В теплое время года температура воздуха, поступающего в стволы примерно одинакова, а, следовательно, величина и направленность естественной тяги между воздухоподающими стволами будет зависеть в основном от взаимного расположения стволов. В холодное время года по ПБ воздух, подаваемый в стволы необходимо подогревать в калориферных установках. В настоящее время система автоматизации калориферных установок контролирует только ограничение температуры воздуха по нижнему пределу (согласно [2] +2 0С), по верхнему же пределу контроля не производиться. Так в результате исследований [3] было установлено, что подогрев воздуха, поступающего по стволам, может достигать температуры +19 0С и выше. Причем воздух по воздухоподающим стволам нередко поступает в рудник с разной температурой.

Исходя из вышеизложенного, помимо естественной тяги, возникающей между каждым из воздухоподающих и вентиляционным стволами ^2 и ^3, также будет действовать и тепловая депрессия между воздухоподающими стволами ^1 (рис. 1).

я

ут-

П|& йг\

Куш.

■СГЬ

\£утечек Лкан _!}В

а---------------С^>

йв

а)

Рис. 2. Расчетные схемы рудника

R1, R2 ,Япчр, Ябент., Якан, Яут, R(l-2) - аэродинамические сопротивления соответственно ствола №1, ствола №2, подземной части рудника, вентиляционного ствола, вентиляционного канала, поверхностных утечек и параллельно соединенных воздухоподающих стволов; Q1, Q’1, Q2, Qз, Qyтечек - объемы воздуха, поступающие соответственно в ствол №1, ствол №2, в подземную часть рудника, в вентиляционный ствол, расходуемого на утечки; ^ - давление развиваемое вентилятором ГВУ

Таким образом, величина и направленность общерудничной естественной тяги будет зависеть от совместного действия тепловых депрессий he1, he2 и he3, определить которую можно рассмотрев расчетную схему рудника (рис. 2).

На рис. 2 тепловые депрессии he1, he2 и he3 рассматриваются как дополнительные источники тяги, направление которых определяется их расчетным значением. В случае действия «положительных» тепловых депрессий (как показано на рис. 2), их направление будет совпадать с направлением действия ГВУ (+he1, +he2, +he3). Если тепловые депрессии будут направлены против действия ГВУ -«отрицательные» тепловые депрессии, они будут препятствовать работе вентилятора (-he1, -he2, -he3).

Как видно из рис. 2, тепловые депрессии между воздухоподающими и вентиляционным стволами определяться как алгебраическая сумма sign(he23) = sign(he2) + sign(he3), где sign - знак, определяющий направление тепловой депрессии. Величина естественной тяги he1 будет зависеть от параметров воздуха в воздухоподающих стволах, соединенных параллельно (рис.2,а). Для общего контура расчетной схемы рудника ее значение будет являться падением депрессии на этом участке схемы. При этом величина общерудничной естественной тяги he будет равна he = sign(he1) + sign(he2,3).

Для действующих рудников вычислить величину общерудничной естественной тяги проблем не составит, т.к. значения тепловых депрессий he1, he2 и he3 можно рассчитать по общеизвестной формуле гидростатического метода расчета. На примере условного рудника (рис. 3) эти значения определяться по формулам

hei = 0,981-((#1 • Д + АЯ 2 • рокдеЛ) - (Я 2 • Р2 +АЯ1 • рнар )); (1)

he 2 = 0,981 •(Я 2 • Д 2 - (Явент. • Д вент. + АН 4 • Д нар ) ); (2)

he3 = 0,981 • (Я1 • Д1 - (Явент. • Двент. + АН3 • Днар )) , (3)

где Н1, Н2, Н вент - глубина соответственно воздухоподающих стволов №1 и 2 и вентиляционного ствола, м; АН1, ДН2, АН3, ДН4 -разность высотных отметок, взятая по модулю, соответственно устьев стволов №1 и 2, околоствольных дворов стволов №1 и 2, устьев ствола №1 и вентиляционного ствола, устьев ствола №2 и вентиляционного ствола, м; р1, р2, рвент. - средние плотности воздуха соответственно в стволах №1, 2

Рис. 3. Схема вентиляции условного рудника

и вентиляционном стволе, кг/м3; рнар и Рок.двЛ - плотности воздуха соответственно наружного, поступающего в стволы и в около-ствольном дворе, кг/м3.

При этом достаточно провести замеры барометрического давления Рг и температуры воздуха tl в околоствольных дворах и на дневной поверхности и вычислить значение плотности воздуха по общеизвестной формуле

Р

(4)

(273,15 + ^)'

Средние плотности воздуха в стволах определяться как

Рнар + Рок.дв)' 0,5 '

На проектируемых рудниках, естественно, провести замеры невозможно, поэтому цель данной работы - рассчитать величину общерудничной естественной тяги, вычисленную по теоретическим формулам и сравнить их с расчетами, полученными при обра-

ботке данных воздушно-депрессионных съемок рудников СКРУ-3, ОАО «Сильвинит» и БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий» (Пермский край).

Средние плотности воздуха в стволах согласно [1] можно определить по формулам:

для воздухоподающих стволов (на примере ствола №1)

Р\ =

0,2325 • [р • (546,3 + 2 • ^ - X • И1) - 0,0735 • Я1 • Ц2(273,15 + гар)]

(273,15 + ХНр) • [273,15 + ^ + И • (X - 0,01705)]

(5)

для вентиляционного ствола

Р еент.

0,2325 • (273,15 + Г д - И -(0,01705 - Y))

?________V_____’_____ок.де.е._____________________еент. V ?_//

(Р + 0,0735 •(

273,15 + ^ок.де.е. Y • Неент.

Рср.(1-2) • Нср.(1-2)

-(К(1-2) + Кпчр ^ <21))

273,15 + и

+

+

(Р + 0,0735 •(

Рср.(1-2) • Нср.(1-2)

К-

2) + Кпчр + Кее

,.)• 23))

- Y • Н.

(6)

где Ра - атмосферное давление наружного воздуха, мм рт. ст.; X, У

- температурно-влажностные градиенты, 0С/м [5]; 1ок.дее - температура воздуха в околоствольном дворе вентиляционного ствола (для каждого рудника в течение года практически неизменна и рассчитывается по формуле [5]), 0С; Япчр - эквивалентное аэродинамическое сопротивление подземной части рудника, даПа-с2/м6 [4]; рср.(1_

2)Яср.(1_2) - среднее значение произведений средних плотностей воздуха в стволах на их глубину с учетом высотных отметок, кг/м2.

В случае если околоствольные дворы воздухоподающих стволов находятся на разных высотных отметках (как показано на рис.

3), плотность воздуха на участке ДН2 можно определить следующим образом. Согласно [6] барометрическое давление в около-ствольном дворе ствола №1 определяется по формуле

Рок.де.1 = Ра + 0,0735 .(Р1 • Н1 - К • 21)

= Р + 0,0735

Р + Р

I нар I о

X

X

Результаты расчета естественной тяги

£ LO 00 о 2,04

« і .. 8 -73,09 -13,95

•С і і

Я І 40

ч V •С <N 1>» 1 СО т—і 1

(в С § 'S •с -21,96 оо

в с § <3 •с -50,67 о о 1

-с .с <в ч 0,16 0,17

О

& J со со т"Н

* £ 56,6 со

* ь 2 Ö <N 00 ОО LO 40 см

о, & СО LO со

Рудник СО > 2 см 1 > Он

о ш

Тогда плотность воздуха в около-ствольном дворе ствола №1 найдется как

2 (Рок.дв.! - Ра + 0,0735 • ^ • й2 )-

Р Ы = -0,0735 •Н1 •Рнар---------------------. (8)

0,0735 • Н1

Подставив полученные данные в формулы (1), (2) и (3) были получены результаты, приведенные в табл.1. Величина h’e -величина общерудничной естественной тяги, вычисленной при обработке данных воз-душно-депрессионных съемок, ф - относительная влажность наружного воздуха.

Из таблицы видно, что разность в значениях общерудничной естественной тяги вычисленной по теоретическим формулам и полученным в результате обработки воздушно-депрессионных съемок находиться в пределах 2 %.

Таким образом, методику расчета, приведенную в данной работе с достаточной степенью точности можно использовать как для действующих, так и для проектируемых рудников.

------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). Серия 03. Вып. 33 / ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России». - М., 2003. -200 с.

3. Алыменко Н.И., Норин А.А., Минин В.В. Влияние естественной тяги воздухоподающих стволов на провет-

ривание калийных рудников // Вентиляция шахт и рудников / Изд-во ЛГИ. - Ленинград, 1989. - С. 54-57.

4. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет эквивалентного аэродинамического сопротивления подземной части проектируемого рудника для определения естественной тяги, действующей между стволами. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - М., 2010. - № 12. - С. 68-70.

5. Николаев А.В. Уточнение формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающим 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.

6. Мохирев Н.Н. Разработка современных методов и средств обеспечения высокоэффективного проветривания рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями: Дисс... д-ра техн. наук / Н.Н. Мохирев; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1994. - 302 с. 115 ГЛ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------

Николаев Александр Викторович - аспирант, ассистент каф. Электрификации и автоматизации горных предприятий,

Алыменко Николай Иванович - доктор технических наук, профессор, гл. научный сотрудник Горного института Уральского отделения Российской академии наук г. Пермь.