CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ
_ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ_
1998 СЕРИЯ: ГОРНОЕ ДЕЛО Выл.7
РУДНИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 622.454.2
В.А.Ярцев, В.К.Рожнева, В.В.Токмаков.
A.B.Окладников, В.А.Бурмистренко
СПОСОБЫ ПРЕОДОЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ ПРИ ПРОВЕТРИВАНИИ НАКЛОННЫХ КАРЬЕРНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Анализ современного отечественного опыта открытой разработки свидетельствует, что повышение эффективности добычи руды с глубоких горизонтов карьеров во многом предопределяется возможностью более широкого применения железнодорожного транспорта, в том числе и в комбинации с другими его вилами. Наибольшее распространение получила комбинация автомобильного и железнодорожного транспорта. В нем автомобильный транспорт используется в качестве сборочного, в основном на нижних горизонтах, а железнодорожный обеспечивает доставку горной массы на поверхность.
В силу характерных особенностей, присущих этим видам транспорта, скорость понижения горных работ при автомобильном транспорте обычно составляет 8-15 м в год к может достигать 20-25 м, при железнодорожном - 5-8 м год и лишь как исключение - 12-15 м. Разность в скоростях объективно предопределяет отставание железнодорожного транспорта по высоте рабочей зоны и приводит к постоянному приросту высоты подъема горной массы автомобильным транспортом.
Подобная ситуация возникла на Сарбайском карьере, когда в 1985 г. разрыв между забоем и железнодорожными путями составил по высоте 120 м вместо 80, предусмотренных проектом. Такое отставание вызвало необходимость увеличения объема внутрикарьерных автомобильных перевозок, количества перегрузочных экскаваторных складов с соответствующим увеличением площадей под них и оставление временных целиков, что в свою очередь мешало осуществлению проектной схемы развития железнодорожных путей.
Для ликвидации возникших трудностей на карьере был реализован вариант комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта с погрузкой горной массы на рельсовый транспорт частично из забоев и частично с внутрикарьерных перегрузочных складов, куда горная масса доставляется автотранспортом. При этом часть постоянных железнодорожных путей находится в тоннелях, пройденных в лежачем борту карьера с уклоном 36 °/оо. Такая схема вскрытия внутрикарьерными тоннелями позволила разместить вскрывающие выработки вне рабочей зоны карьера, избежать пересечений, грузопотоков, обеспечить более глубокую разработку с помощью железнодорожного транспорта без дополнительного разноса бортов и интенсифицировать эксплуатацию карьера в целом. Ввод в эксплуатацию первой очереди наклонных тоннелей позволил опустить железнодорожный транспорт с гор.- 0 м до гор. - 80 м, что соответствует геодезическим отметкам порталов верхних (I и II) и нижних (Ia, На) тоннелей. Вторая очередь (тоннели III, IV, Illa, ÍVa) даст возможность обеспечить вывоз горной массы железнодорожным транспортом с отметки - 120 м.
Начало эксплуатации тоннелей выяв^о ряд непредвиденных и поэтому не решенных проектом проблем, отразившихся на провозной способности, безопасности и стабильности их работы. Основной и самой сложной оказалась проблема организации проветривания тоннелей. Наличие значительной разницы геодезических отметок устьев верхних и нижних тоннелей и
разности температур воздуха в карьере и тоннелях вызывает появление многочисленных естественных тяг, из которых определяющими проветриваете являются межтоннельные тяги. Величина их при разнице температур 30° -35°С может достигать 16 дПа и более.
Проектом вентиляции тоннелей предусмотрен нагнетательный способ с забором свежегс воздуха за контуром карьера и выдачей загрязненного воздуха по всем теннелям в карьер (рис. 1). Однако из-за действия естественной тяги происходит самопроизвольное изменение направления воздушного потока, так как аэродинамическое сопротивление тоннелей крайне невелико и зона, действия вентилятора главного проветривания оканчивается в районе сопряжения верхних ■ нижних ветвей тоннелей. В зимний период наблюдается поступление холодного воздуха по нижним тоннелям и удаление его по верхним, в летний период - наоборот. Поступление холодного воздуха при значительном водопритоке вызывало обмерзание нижних ветвей. Образовывались наледи, перемерзали дренажные и водоотводные устройства, наблюдалось пучение грунта, в обделке тоннелей появлялись значительные температурные напряжения, вызывавшие ее разрушение. Зимой 1985-86 гг. среднесуточные простои тоннелей из-за оборки льда составляли в среднем 6 часов при задолженности 10-15 рабочих, электровоза с платформой и монтажной автодрезины. Использование для подогрева поступающего холодного воздуха электрокалориферов, вентиляторов противодавления существенного улучшения положения не дало.
Нормализация проветривания в тоннелях может рассматриваться как вентиляционная задача по регулированию распределения воздуха. На вентиляционную сеть работают два основных побудителя движения воздуха: вентилятор главного проветривания и естественная тяга между тоннелями. В зависимости от соотношения депрессий побудителей устанавливается то или другое направление движения воздуха в выработках.
Упорядочение движения воздуха в тоннелях возможно за счет повышения давления, создаваемого вентилятором главного проветри вания на сопряжениях наклонных ветвей. При этом давление должно быть больше, чем величина межтоннельной естественной тяги. Такого положения можно достичь двумя способами: увеличением подаваемого вентилятором к сопряжениям тоннелей количества воздуха и искусственным повышением аэродинамического сопротивления тоннелей.
Если оставить неизменной величину аэродинамического сопротивления тоннелей и попытаться решить задачу только за счет увеличения количества подаваемого воздуха, то его потребуется (м5/с):
0=п/2>/Ь.
где Ь# - максимальная величина депрессии естественной тяги, дПа; Ят - аэродинамическое сопротивление тоннелей; п - количество ветвей тоннелей .
Расчеты по приведенной зависимости для Сарбайских тоннелей при совместной эксплуатации 1-й и 2-й очереди показывают, что в этом случае необходимо подавать не менее 800 м5/с воздуха. Потребовалась бы замена вентилятора главного проветривания на более мощный, реконструкция котельной и калориферной, расширение сечения существующих или проходка новых воздухопроводщих выработок, в том числе Южно-Сарбайского ствола и т.д. Ориентировочные капитальные затраты составили бы более 3,8 млн.рублей, а эксплуатационные возросли бы на 90-100 тыс.рублей (здесь и далее в ценах 1990 г.).
Если же с учетом пропускной способности Южно-Сарбайского ствола ограничиться подачей 150,0 м'/с воздуха, то за счет работы главной вентиляционной установки (вентиляторы ВОД-30) станет возможным предотвращение действия межтоннельных естественных тяг лишь при температуре наружного воздуха 4°С
С учетом сказанного применение данного способа можно считать целесообразным только в комплексе с другими, в частности, со способом регулирования путем увеличения аэродинамического сопротивления тоннелей. Его возможно повысить любыми средствами, применяемыми в шахтных выработках для отрицательного регулирования воздухораспредсления. С учетом значительных геометрических размеров тоннелей, габаритов подвижного состава представляется целесообразным применение аэродинамических диафрагм (вентиляционных окон большого размера), портальных вентиляционных дверей и воздушных завес
Диафрагмы располагаются в тоннеле в любом удобном месте с соблюдением габаритов приближения к подвижному составу. Эффективность диафрагм с точки зрения увеличения сопротивления зависит от площади перекрываемого ими сечения, шага установхи и угла наклона.
Влияние указанных факторов на изменение сопротивления Сарбайских тоннелей с помощью диафрагм изучено как на модели, так и в натурных условиях. Лабораторные исследования позволили выявить рациональные углы наклона диафрагм (60-9&С) и шаг установки, равный в пересчете на натуру 5-6 м. При исследованиях в натурных условиях (в тоннеле 1) диафрагмы устанавливались вертикально через 6 м. Они были съемными и изготовлялись из прорезиненной ткани, натягиваемой на стержни, вмонтированные в стенки тоннелей.
Средняя площадь диафрагмы равнялась 5,1 м2. Установлено, что устройство диафрагм вышеуказанным способом позволяет увеличить сопротивление тоннелей приблизительно в три раза.
Установка автоматических дверей на порталах является наиболее эффективным средством. Результаты практических наблюдений на Сарбайских тоннелях показывают, что их сопротивление на два порядка превышает сопротивление самих тоннелей.
Двери на порталах должны быть герметизированы. Однако на сопряжениях подвижных частей у почвы, между створами в верхней части портала и, особенно, в проеме для контактного провода герметизация или затруднительна, или невозможна. Через неплотности под действием естественной тяги в тоннели поступает воздух. В зимнее время это приводит к обмерзанию, образованию наледей и т.п. Для предотвращения поступления воздуха через неплотности и увеличения сопротивления двери разработан новый способ. Вентилятором, забирающим воздух в тоннеле, создается свободная струя, направленная на проем. Воздух, поступивший через неплотности в сопряжениях двери, циркулирует только на участке от двери до всаса вентилятора и в глубь тоннеля не проникает (рис.2). Кроме того, через проем же выдается значительное количество воздуха, в том числе и воздух, которым проветривается тоннель на основном его протяжении.
Реализация способа на дверях тоннелей 1а и 2а и последующие исследования показали, что при этом способе холодный атмосферный воздух проникает в тоннель на расстояние не более 25 м. а аэродинамическое сопротивление дверей увеличивается с 0,037 до 0,0545 кц.
Принципиально новым является способ увеличения сопротивления путем закрутки воздушного потока. Способ увеличения сопротивления реализован в конструкции вихревой це?ггробеж-ной воздушной завесы (рис.3).
Сущность работы завесы заключается в том, что по периметру тоннеля (2) создается сферообразный канал (1). В нем устанавливаются два вентилятора (3). Подаваемый вентиляторами воздух тангенциально направлен к контуру поперечного сечения. Воздушные струи от вентиляторов (4) интенсивно закручивают вокруг своей оси основной поток (5), проходящий по тоннелю. В центральной части тоннеля за счет действия центробежных сил образуется зона разрежения (6), в которую с обеих сторон канала устремляется воздух. Образуются два "горообразных вихря (7.8). Основной поток, проходя внутри первого по ходу -горообразного вихря (7), сужается, а затем в зоне разрежения (6) расширяется, обтекая снаружи второй на его пути -горообразный вихрь (8). Последовательное сужение и расширение потока с возникновением обратного тока является причиной дополнительного аэродинамического сопротивления, которое приходится преодолевать основному потоку.
вгмпи/wrter -I^L.
Ttwejm
Ufe»
Рис.2. Схема движения воздуха в нормальной части тоннеля при наличии вентилятора противодавления
Эффективность вихревой завесы исследована в лабораторных и, частично, в натурных условиях. В том и другом случае замеренный перепад давления, создаваемого завесой, составлял 3,5 дПа и более. Следует отметить, что обычные воздушные завесы, применяемые в подзел-горных выработках, железнодорожных и мстройолитеновских тоннелях, создают перепад давления на раздающем устройстве не более 0,5 дПа при скорости струи до 35 м/с.
В настоящее время перечисленные выше средства увеличения сопротивления опробованы и внедрены на Сарбайских тонне/ На первой очереди тоннелей действуют портальные автоматические двери с вентиляторами противодавления. Осуществлен интенсивный режим работы ГВУ, обеспечивающий подачу в шахту 150,0 м*/с воздуха. На второй очереди действуют портальные автоматические двери с вентиляторами противодавления и забором воздуха для них через осуществляется сооружение центробежных
Рис.3. Вихревая воздушная завеса
специальные стационарные выработки, а также воздушных вихревых завес.
Опыт использования аэродинамических диафрагм в тоннеле N1 выявил ряд недостатке«. связанных со снижением видимости сигналов для машинистов локомотивов, снижением освещенности тоннелей, неудобствами при пользовании пешеходной дорожкой и повышением пожарной опасности. Очевидно, что в этом направлении нужны дополнительные исследования, а для устройства диафрагм необходимы прозрачные, эластичные и несгораемые материалы.
Исследование возможностей использования рекомендованных вентиляционных сооружений осуществлялось методом математического моделирования с частичной проверкой в натурных условиях. В результате расчетов и экспериментальных наблюдений выявлено, что вентиляторы противодавления при работе ГВУ ч оптимальной производительностью (подача * Южно-Сарбайский ствол 150,0 м'/с воздуха) и открытых портальных дверях обеспечивают необходимую вентиляцию тоннелей при межтоннельных естественных тягах до 1,0-163 дПа. Это соответствует температуре наружного воздуха +3°С - +5°С. При более низких или высоких температурах наблюдается самопроизвольное опрокидывание струи в нижних или верхних ветвях. При закрытых портальных дверях эффективность работы вентиляторов резко возрастает. Их надо рассматривать как средство, предупреждающее проникновение холодного или загрязненного воздуха из карьера в тоннели.
Воздушно-вихревые центробежные завесы обеспечивают проектное направление движения воздуха в тоннелях зимой до температуры -20°С, летом до +23°С. Но при этих температурах количество его не соответствует расчетному. Требуемые объемы воздуха завеса обеспечит в зимнее время при температурах до -10°С, а в летнее до + 14°С. При включении дополнительно вентиляторов противодавления появляется возможность эксплуатации тоннелей с открытыми дверями до -12°С
Обустройство тоннеля диафрагмами на участке, где расположена завеса, позволит обеспечить проектное проветривание в интервале температур от -I- 16°С до -14°--15°С. При более высоких и низких температурах необходимое воздухораспределение возможно за счет шлюзования тоннелей, посредством закрытия портальных дверей.
Таким образом, использование разработанных способов и средств позволяет обеспечить требуемые режимы вентиляции, а, следовательно, и бесперебойную эксплуатацию тоннелей практически при любых температурах наружного воздуха.
