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

УДК. 622.663.3

Н.И. Алыменко, А.В. Николаев

РАСЧЕТ ОБЩЕРУДНИЧНОЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ

Приведена методика расчета прогнозируемой общерудничной естественной тяги, которая будет действовать между стволами рудника при известных параметрах наружного воздуха, глубине стволов и их высотных отметках. Данная методика может быть использована для расчета общерудничной естественной тяги на проектируемых рудниках.

Ключевые слова: Шахта, естественная тяга, тепловая депрессия, гидростатический метод расчета, воздухоподающий и вентиляционный ствол.

The articles deals with design procedure of the predicted general mine of natural draught. For calculation the method of the least squares is used on which position is defined the mine performance curve and the value and direction of natural draught which will operate between mine shafts at known parameters of external air, depth of trunks and their high-rise marks. The given technique can be used for calculation general mine of natural draft on projected mines.

Keywords: Mine, natural draught, thermal depression, hydrostatic method of analysis, downcast ventilating and air shafts.

При 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.

В данной работе рассматривался 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 околоствольных 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, а также отличаются их аэродинамические сопротивления, естественная тяга обязательно будет возникать между воздухоподающими 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] +20С), 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 he2 и ^3, также будет действовать и тепловая депрессия между воздухоподающими стволами he1 (рис. 1)

Таким образом, величина и направленность общерудничной естественной тяги будет зависеть от совместного действия тепловых депрессий he1, he2 и ^3, определить которую можно рассмотрев расчетную схему рудника (рис. 2).

Рис. 1. Упрощенная схема распределения воздуха между стволами

Яи К ,Япчр, Квент., Ккан, Кут, Я(1-2) - 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, Q3, Qутечек - объемы воздуха, поступающие соответственно в ствол № 1, ствол № 2, в подземную часть рудника, в вентиляционный ствол, расходуемого на утечки; НВ -давление развиваемое вентилятором ГВУ

На рис. 2 тепловые депрессии Не1, Не2 и Не3 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 (+Ие1, +Не2, +Не3). Если тепловые депрессии будут направлены против действия ГВУ - «отрицательные» тепловые депрессии, они будут препятствовать работе вентилятора (-ке1, -Не2, -Ие3).

Как видно из рис. 2, тепловые депрессии между воздухоподающими и вентиляционным стволами определяться как алгебраическая сумма

sign(he2,3) = sign(he2) + sign(hes), (1)

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(hei) + 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 = 9,81 • ((Hl - Pi + AH2 • p^) - (H2 * p2 + Atf 1 • pHap)), Па; (2) he2 = 9,81 • (H2 • p2 - (H_. • p_. + AH4 • pHap)), Па; (3)

кеЪ = 9,81- (Н - Р1 - (Ит. • Рвент. + АН3 • ряа^)), Па, (4)

еент.

где Нь Н2, Н еент - глубина соответственно воздухоподающих стволов № 1 и 2 и вентиляционного ствола, м; ДНЬ ДН2, ДН3, 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; рь р2, реент - средние плотности воздуха соответственно в стволах №1, 2 и вентиляционном стволе, кг/м3; рнар и роК.де.\ - плотности воздуха соответственно наружного, поступающего в стволы и в околоствольном дворе, кг/м3.

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

Средние плотности воздуха в стволах определяться

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 обработке 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)

0,2325-[Ра-(546,3 + 2-Хшр -X-^)-0,0075-Ц ^(273,15 + Хнар)] , (273,15 + Xнар) - [273,15 + 1нар + И - (X - 0,01705)]

Рис. 3. Схема вентиляции условного рудника

для вентиляционного ствола

(0,01705 - У))'

273,15 + ґо

'ср.(1-2) Нср.(1-2)

- У • Н

(

-((

2) + )•$))

273,15 + ґ3

, (6)

(Ра + 0 0075 (ср.(1-2) ' Нср.(1-2) - (-2) + Цпчр + Кент. ) ' ) ))

273,15 + Хок.де.е. - У-Н еент. .

где Ра - атмосферное давление наружного воздуха, мм рт. ст.; X, У - температурно-влажностные градиенты, 0С/м [4]; ХоК.де.е - температура воздуха в околоствольном дворе вентиляционного ствола (для каждого рудника в течение года практически неизменна и

рассчитывается по формуле [4]), 0С; Япчр - эквивалентное аэродинамическое сопротивление подземной части рудника, Н-с2/м8 [5]; Рср.(1-2)'Нср.(1_2) - давление столбов воздуха в воздухоподающих стволах, 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 око-лоствольном дворе ствола № 1 определяется по формуле

РоМ = Ра + 0,0075- (Р1 Н - Ц -й2 ):

= Р + 0,0075-

Р нар + Р ок.де.1 тт п

-Н1 - Ц Й12

(8)

Тогда плотность воздуха в околоствольном дворе ствола №1 найдется как

= 2-(Рок.де.1 - Ра + 0,0075-Ц )-0,0735-Н -Рнар

Рокде1 0,0075- Н1 . ( )

В ходе проведенных воздушно-депрессионных съемок [7, 8] на рудниках СКРУ-3 (3-е Соликамское калийное рудоуправление, ОАО «Сильвинит») и БКПРУ-2 (2-ое Березниковское калийное производственное рудоуправление, ОАО «Уралкалий») были произведены замеры температуры (хнар), относительной влажности (ф) наружного воздуха и атмосферного давления (Ра). На основании этих данных по формулам (2), (3), (4), (6) и (7) был произведен расчет тепловых депрессий, возникающих между стволами, а по формуле (1) рассчитана общерудничная естественная тяга.

В табл. 1 приведены результаты расчета тепловых депрессий, возникающих между стволами (Не\, Не2, ке3) и общерудничной естественной тяги (Ие). Величина И’е - величина общерудничной естественной тяги, вычисленной при обработке данных воздуш-но-депрессионных съемок, наружного воздуха.

Результаты расчета естественной тяги

Рудник Ра, ММ рт. ст. ф, % ^нарэ °С — Л й Ге2, даПа Ге3, даПа Ге, даПа Г’е, даПа %

СКРУ-3 739,882 56,6 33 1,6 - 506,7 - 219,6 - 724,7 -730,9 0,85

БКПРУ-2 735,265 73,7 14 1,7 -70,0 -68,4 -136,7 -139,5 2,04

Из табл. 1 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 проветривание калийных рудников // Вентиляция шахт и рудников / Изд-во ЛГИ. - Ленинград, 1989. - С. 5457.

4. 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.

5. 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.

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.

7. Разработать мероприятия по приведению в рабочее состояние вентиляционных систем панелей рудника СКРУ-3: отчет о выполненной услуге (договор 2007/25) / Рук. темы Н.Н. Мохирев. - Пермь, 2007. - 59 с.

8. Проведение работ по определению действительных аэродинамических характеристик главных вентиляторных установок рудников БКПРУ-1 и БКПРУ-2: отчет о научно-исследовательской работе / Рук. НИР Н.И. Алыменко. - Пермь, 2005. - 41 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Алыменко Николай Иванович - доктор технических наук, профессор, гл. научный сотрудник учреждения Российской академии наук Горного института Уральского отделения РАН (г. Пермь), nik.alymenko@yandex.ru

Николаев Александр Викторович - аспирант, ассистент кафедры Электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского государственного технического университета, шко1аеу0811@mail.ru