CC BY
16
2000
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
СЕРИЯ ГОРНОЕ ДЕЛО
Вып.П
РУДНИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ, ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДк* 622 822 22-622 543
В.А. Ярцев, В.В. Токмаков, В.К. Рожнева, Д.А. Окладников, В.А.Бурмистренко
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕОДОЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ ВО ВНУТРИКАРЬЕРНЫХ НАКЛОННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЯХ
Развитие горнодобывающей промышленности характеризуется значительных« увеличением глубины отработки на открытых горных работах. При этом возникают трудности при вскрытии и освоении нижних горизонтов карьеров. Сокращается рабочее пространство, возрастает расстояние доставки горной массы, затрудняется размещение транспортных коммуникаций и внутрикарьерных перегрузочных складов, усложняется обмен транспортных средств, ухудшается экологическая обстановка Все это ведет к снижению производительности и существенном) росту себестоимости горнорудного сырья и обусловливает актуальность поиска новых технологических решений
Одним из направлений совершенствования технологии ведения горных работ является максимальное использование по глубине отработки электрифицированного железнодорожного транспорта как наиболее дешевого и экологически чистого с применением автомобильного в качестве сборочного на нижних горизонтах. При этом для более глубокого ввода железнодорожного транспорта в карьер в отечественной и зарубежной практике все чаще используются наклонные тоннели.
Наиболее эффективно для достижения указанной цели сооружение внутрикарьерных тоннелей как элементов развития существующей транспортной схемы. В этом случае тоннели не заменяют, а дополняют существующую схему, являются продолжением железнодорожных транспортных коммуникаций, которые вынесены за пределы рабочей зоны карьера, что позволяет без нарушения технологии ведения горных работ искусственно увеличивать темпы понижения у ровня железнодорожного транспорта.
Способ вскрытия глубоких горизонтов железнодорожными тоннелями в форме тупиковых съездов впервые в практике реализован на Сарбайском карьере (ССГПО). Первая очередь тоннелей сдана в эксплуатацию в 1985 году, а вторая, обеспечивающая ввод железнодорожного транспорта на глубину до 400 м. - в 1996-м [4|. Сооружение аналогичных однопутных железнодорожных внутрикарьерных тоннелей планируется на Костамукшском карьере Строительство первой очереди тоннелей будет осуществлено в 2013-2016 годах с вводом железнодорожного транспорта на глубину 310 м от поверхности, вторая очередь в 2018-2021 годах с выходом нижних порталов на глубину 390 м. При этом проведенная технико-экономическая оценка данного варианта тоннельного вскрытия позволит сократить примерные затраты на разработку карьера на 22-25 % [3]. Применение внутрикарьерных тоннелей эффективно при объемах перевозок, обеспечивающих окупаемость капитальных затрат на их сооружение за счет экономии эксплуатационных расходов в пределах нормативного срока окупаемости капитальных затрат Эффективность применения тоннелей возрастает с увеличением объемов перевозок и глубины ввода железнодорожного транспорта С ростом глу бины карьеров до 450-500 м и более роль внутрикарьерных тоннелей в формировании схемы транспортных коммуникаций в
стесненных условиях еще более возрастает, так как создание транспортных площадок приводит к дополнительному значительному разносу бортов карьера [8].
Расширение сферы применения внутри карьерных тоннелей требует дополнительного изучения и решения ряда сложных вопросов
Так. начало эксплуатации первой очереди Сарбайских тоннелей выявило ряд проблем, отразившихся на их провозной способности, безопасности и надежности работы. Основной и самой сложной оказалась проблема организации управляемой вентиляции тоннелей и достижение стабильного теплового режима в них в зимний период. В соответствии с требованиями нормативных документов по безопасности проектом предусмотрен нагнетательный способ проветривания с подачей свежего воздуха в тоннель из-за пределов контура карьера по Южно-Сарбайскому стволу и выдачей загрязненного по тоннелях« в карьер, что исключает попадание пылегазообразных вредностей, а в зимний период - и холодного воздуха в них из карьера Значительная разница высотных отметок нижних и верхних порталов (80 м) при сравнительно небольших (около 1000 м) длинах наклонных ветвей тоннелей вызывает появление, кроме основных, дополнительных межтоннельных естественных тяг между порталами Положение усугубляется значительной разницей плотности воздуха в карьере и тоннелях, зависящей от его температуры.
Среднегодовая температура шахтного воздуха, подаваемого в тоннели, изменяется в пределах от +4 °С до +11 °С, а температура наружного возд>^са в карьере от -42 °С до +40 °С, что предопределяет существенную величину естественной тяги, достигающую 12 дПа и более. Это является причиной самопроизвольного изменения направления движения воздуха в тоннелях. В зимний период воздух движется по наклонным ветвям тоннелей в направлении от нижних порталов к верхним, летом, наоборот. - от верхних к нижним порталам. Для межсезонного периода характерно неустойчивое направление движения, изменяющееся в течение суток в зависимости от дневных и ночных температур наружного воздуха.
Самопроизвольное опрокидывание воздушной струи, помимо ухудшения экологических условий, в зимний период приводит к нарушению температурного режима в тоннелях. Так, в первый год эксплуатации (зима 1985-1986 гг.) холодный воздух, поступающий в тоннели из карьера, приводил к образованию наледей в них, пучению балластной призмы, перемерзанию водоотводных устройств, что создавало угрозу безопасности движения поездов Замерзание воды в порах и микротрещинах отделки на обводненных участках тоннеля вызывало появление значительных температурных напряжений и приводило к ее разрушению. Нарушались также санитарные нормы микроклимата и состава воздуха.
Перечисленные выше объективные обстоятельства определили необходимость оперативного поиска оптимального решения по созданию устойчивой системы вентиляции Сарбайских тоннелей. В решении этой проблемы вместе со специалистами ССГОКа. Ленгипроруды приняли участие ученые института ВНИИБГГ, Ленинградского и Свердловского горных институтов.
Большой объем исследований и научно-технических прикладных разработок был выполнен учеными кафедры рудничной аэрологин Свердловского горного института (ныне У111 А). Нормализация проветривания в тоннелях рассматривалась как вентиляционная задача по регулированию распределения воздуха. При этом на вентиляционную сеть работают два основных побудителя движения воздуха: главная вентиляторная установка (ГВУ) и межтоннельная естественная тяга, наиболее значительная по своей величине в зимний период. В зависимости от состояния компрессии побудителей устанавливается то или иное направление движения воздуха в выработках. Достижение проектного воздухораспределения в тоннелях возможно за счет повышения давления, создаваемого ГВУ на сопряжении наклонных ветвей. При этом оно должно быть больше, чем величина мсжтоннсльной естественной тяги Такого положения можно достичь двумя способами: увеличением количества подаваемого ГВУ воздуха к сопряжению наклонных ветвей или искусственным повышением аэродинамического сопротивления тоннелей.
Следует заметить, что компрессия ГВУ (вентилятор ВОД-ЗО), установленного на Южно-Сарбайском стволе, в силу весьма незначительного аэродинамического сопротивления тоннелей (около 0,00050 Нхс2/м8) на сопряжении наклонных ветвей тоннелей достигала лишь около 2,0 дПа, в то время как величина естественной тяги имела сезонный диапазон изменений в реальных температурных границах наружного воздуха от -30 °С до +30 °С от 9,5 дПа зимой до 5,5 дПа
летом Поэтому проведенные для условий Сарбайеких тоннелей расчеты показа и. что попытки решить задачу только за счет увеличения производительности ГВУ нереальны, требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с увеличением сечения воздухоподводящих выработок и заменой вентиляторов на более мощные.
Учитывая изложенные обстоятельства, для решения задачи был избран комплексный подход: осуществление максимально возможного, в рамках существующей вентиляционной системы, подвода воздуха от ГЕУ к тоннелям с одновременным увеличением их аэродинамического сопротивления
Наиболее эффективным из иоследованных в условиях Сарбайеких тоннелей является способ увеличения аэродинамического сопротивления тоннелей посредством установления автоматических вентиляционных дверей на порталах, работающих по принципу шлюза. При этом для увеличения их сопротивления и компенсации внешних утечек воздуха впервые применены вентиляторы противодавления, работающие в комплексе с дверями (2) Внедрение данною комплекса позволило увеличить аэродинамическое сопротивление на два порядка (до 0.0545 Нхс~/мь). Однако необходимость соблюдения принципа шлюзования приводит к ограничению провозной способности тоннелей. Так. в этом случае расчетная провозная способность для Сарбайеких тоннелей ограничена 1,9-2,0 млн т горной массы в месяц. Поэтому » этих условиях более эффективными являются способы увеличения, аэродинамического сопротивления тоннелей, обеспечивающие постоянство этого увеличения, и устройство припортальных дверей следует рассматривать лишь как часть комплекса мероприятий, применяемую в экстремальных ситуациях Постоянства увеличения аэродинамического сопротивления тоннелей возможно достичь посредством установки диафрагм или устройства воздушных завес
Оборудование экспериментального участка в Сарбайеких тоннелях диафрагмами позволило увеличить сопротивление этого участка в 3-4 раза |5| Однако трудоемкость и материалоемкость их сооружения, а также неудобства в обслуживании и эксплуатации в значительной степени ограничивают область применения этого способа
Применение традиционных щелевых завес с устройством раздаточной щели по периметру тоннеля малоэффективно. При скорости воздушного потока через раздаточную ии ль 25 м/с завеса создает перепад давления всего около 10 Па (6). Для преодоления естественной -яги в условиях Сарбайеких тоннелей потребовалось бы у становить в каждом тоннеле до 10 такич завес Помимо значительных эксплуатационных затрат, их применение во внутрикарьерных оннелях может приводить к резкому повышению пылеобразования при прохождении черс сечение завес груженых поездов.
В этих условиях значительно перспективней использование центробежно-вихревых завес (1]. Цснтробежно-вихревая завеса (ЦВЗ) является новым регулятором воздухораспределения в шахтных и других вентиляционных сетях, основанным на явлении увеличения сопротивления движению потока при его закрутке. При этом максимальные скорости закрученного потока наблюдаются в сфере завесы по периметру тоннеля. В приосевой зону, вращательная составляющая скорости близка к нулю, а результирующая скорость не превышает 4 м/с. что является положительным фактором для уменьшения пылеобразования при прохождении составов с горной массой через ее сечение. Кроме того, реализация ЦВЗ при вводе в эксплуатацию второй очереди Сарбайеких тоннелей с использованием для закрутки потока серийно выпускаемых шахтных вентиляторов типа ВМ. по данным воздушно-депрсссионной съемки 1998 года, позволила получить перепад давления до 25 11а. !Зто. при примерно одинаковой энергоемкости со щелевыми завесами, подтверждает ее значительное преимущество.
Исследования возможностей приведенных выше способов и средств но преодолению межтоннсльных естественных тяг для Сарбайеких тоннелей проводи 1ись методом математического моделирования Анализ полученных результатов показал, что использованная схема вентиляции тоннелей устойчива и обеспечивает подачу проектного коли1 ¿ства воздуха в следу ющих температурных границах:
- при работе только ГВУ от +3 °С до +8 °С.
- при работе ГВУ в комплексе с центробежно-вихревыми завесами, расположенными в верхней и нижней наклонных ветвях тоннелей (по одной), от -10 °С до +23 °С.
- при работе ГВУ в комплексе с ЦВЗ и автоматическими вентиляционными дверями с вентиляторами противодавления \стойчивость схемы обеспечивается практически при любых температурных режимах, характерных для региона |7|
Практика эксплуатации Сарбайскнх тоннелей подтвердила выводы проведенных научно-исследовательских изысканий. Однако условия рыночной экономики и жесткая конкурентная борьба за сбыт железорудной продукции на современном этапе требуют значительного снижения ее себестоимости В этой связи ряд принятых решений для внутрикарьерных тоннелей, на примере Сарбайских, требуют корректировки и дальнейших исследований
В частности, отработанная система противодействия естественной тяги в указанных температурных границах предусматривает максимально допустимый режим работы ГВУ на существующую сеть с подачей воздуха в шахту в объеме 150 м7с. Требуемое же количество воздуха, необходимое для проветривания горных выработок и тоннелей, согласно расчету на 2000 год. составляет только 86 м/с в нормальном режиме и 134 м/с - в усиленном, применяемом при проведении ремонтных работ и тоннелях с использованием самоходной техники с. двигателями внутреннего сгорания (суммарно около 8 % времени работы ГВУ). Постоянная работа ГВУ в режиме подачи в шахту воздуха в количестве 150 м7с в отопительный сезон требует дополнительной выработки теплоэнергин для его подогрева в объеме 2500 Гкал и соответственно дополнительного расхода мазута на котельной около 400 т. Кроме этого, постоянная повышенная нагрузка электродвигателя ГВУ приводит к перерасходу электроэнергии в объеме около 900 тыс кВт в год Прямые экономические потери при этом составляют около 40 тыс долларов США
Со спадом экологического кризиса и увеличением спроса на железорудное сырье фактическая нагрузка в конце 1999 года на тоннели составила 2.6 4,2 млн т горной массы в месяц. В этих условиях нарушается принцип использования при портальных вентиляционных дверей Они значительную часть времени находятся одновременно на верхних и нижних порталах в открытом положении и мало влияют на воздухораспрсделение в тоннелях. Кроме этого, с увеличением частоты движения поездов на вентиляционную ситуацию в тоннелях усиливается влияние «поршневого эффекта».
Указанные причины требуют совершенствования существующих и изыскания дополнительных средств стабилизации схемы вентиляции тоннелей
В качестве основного и наиболее эффективного направления дальнейших исследований можно рассматривать совершенствование конструкций центробежно-внхревых завес Величина перепада давлений, создаваемого ЦВЗ. зависит от производительности вентилятора и скорости движения воздуха на выходе из них. Обе величины можно изменять посредством использования регулируемых вентиляторов, применения специальных насадок и диафрагм. Весьма перспективно рассмотрение возможности создания на базе ЦВЗ побудителей движения воздуха вдоль оси тоннеля, работающего в направлении противодействия естественной тяш. Также необходимы исследования в области оптимизации применения способов стабилизации схемы вентиляции тоннелей с учетом экологического аспекта
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.с. 1317152 СССР. Способ создания воздушной завесы в горной выработке / В.А. Ярцев. В К. Рожнева. В В. Токмаков от 15.06.1987 г.
2. А.с. 1514957 СССР. Способ преодоления через вентиляционную дверь / В А. Ярцев. В.К. Рожнева. В В Токмаков. А.В. Окладников от 15.10.1989 г - Бюл. № 38.
3. Лель ЮМ.. Макаров В. В. Тоннельное вскрытие глубоких горизонтов Костамукшского карьера при использовании железнодорожного транспорта // Изв. УГГГА. Сер.: Горное дело. - Екатеринбург. - 1998. - Вып. 7 - С. 80-84.
4. Окладников А.В.. Лукашенко А.Г.. Ожигов Ю.С. Наклонные железнодорожные тоннели на карьерах // Горный журнал. - 1989 - .V? 12. - С 14-17.
5. Разработка эффективных способов и средств нормализации вентиляции транспортных тоннелей Сарбайского карьера ССГПО: Отчет НИР - Екатеринбург СГИ. 1991 - 135 с.
6. Рекомендации по организации проветривания железнооорожных тоннелей ( арбайского карьера ССГОКи. - Кривой Рог ВНИИБТГ. 1985. - 15 с.
7. Способы преодоления естественной тяги при проветривании пакетных карьерных тоннелей / В А Ярцев. В.К. Рожнева. В В. Токмаков // Изв УГГГА. Сер : Горное дело - Екатеринбург. - 1998 - Вып 7.-С. 127-130.
8 Ярцев В.Л. Фесенко СЛ. Транспорт глубоких карьеров // Горный жу рнал 19X8 - № 12 - С. 24-
27.
УДК 622.822.22:622.543
В.П. Тюлькин
ОЦЕНКА ПОЖАРООПАСНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ НАКЛОННЫМИ СЛОЯМИ С ПОГАШЕНИЕМ ВРЕМЕННО ОСТАВЛЯЕМЫХ ЦЕЛИКОВ УГЛЯ НА ШАХТАХ ЧЕЛЯБИНСКОГО БАССЕЙНА
Эндогенная пожароопасность систем разработки пластов самовозгорающегося угля определяется характером распространения потерь угля по площади выработанного пространства, величиной и продолжительностью притока к разрыхленному углю воздуха и содержанием в нем кислорода.
Анализ эксплуатационных потерь у гля на шахтах Челябинского бассейна показывает, что при разработке мощных пластов потери угля в выработанном пространстве имеются при работе всех лав. Значительные массы разрыхленного угля остаются в завале при обрушении подкровельных и межслоевых пачек в подготовительных и очистных выработках. Особенно большие потери наблюдались при разработке пласта Чумлякского на шахте "Коркинская", где потери по мощности составляли около 80 % общих потерь. При отработке отдельных лав потерн в межслоевых пачках достигали свыше 120 тыс.т.
Однако опыт работы шахт и многочисленные наблюдения показывают, что эндогенный пожар может возникнуть только при определенной скорости фильтрации воздуха через разрыхленные скопления утля в течение времени, равном или превышающем продолжительность инкубационного периода самовозгорания угля
Исследованиями ВостНИИ [21 доказано, что при скорости фильтрации воздуха через разрыхленный уголь менее 0.1 и более О 9 м/мин самовозгорание угля не происчолит: при нижнем пределе - в результате снижения содержания кислорода в потоке возду ха до пожаробезопасной величины (8 10 %) за счет сорбции его углем, выделения метана и проду ктов окисления угля; при верхнем пределе - в результате конвекции значительной доли генерируемого тепла Наиболее благоприятные условия для самовозгорания угля наблюдаются при скоростях фильтрации воздуха, равных 0,3...0,5 м/мин.
Величина и продолжительность притока возду ха к разрыхленным скоп.иниям угля зависят от параметров системы разработки, схемы и режима проветривания выемочных участков Изменение их позволяет регулировать ширину пожароопасной зоны в выработанном пространстве и продолжительность притока в нее воздуха.
При пожаробезопасных параметрах систем разработки, схемах и режимах проветривания время перемещения пожароопасной зоны в выработанном пространстве не должно превышать продолжительности инкубационного периода самовозгорания угля. Следовательно, оценку степени пожароопасности параметров технологических схем отработки пластов и вентиляционных схем можно производить по показателю А", равному отношению времени перемещения пожароопасной зоны в выработанном пространстве г (мес) к продолжительности инкубационного периода гинг (мес). т е
