CC BY
35
Науки о Земле
УДК 622.649.5002.2:622.8
Воронов Евгений Тимофеевич Eugeny 'Voronov
Бондарь Ирина Алексеевна Irina Bondar
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АНТИРАДОНОВЫХ ПРИЗАБОЙНЫХ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ НА УРАНОВЫХ РУДНИКАХ
THEORETICAL FOUNDATION OF ANTIRADON BOTTOM VENTILATION SYSTEM AT URANIUM MINES
Дано теоретическое обоснование повышения эффективности призабойной вентиляции на урановых рудниках. Предложен ряд аэродинамических насадок, которые позволяют увеличить дальнобойность и повысить аэродинамические качества вентиляционной струп для выноса радона из очистных забоев
Ключевые слова: призабойная вентиляция, очистной блок, свободная вентиляционная струя, турбулентность, аэродинамические насадки
Theoretical foundation of antiradon ventilation effectiveness rising at uranium mines is given. A number of aerodynamic nozzles which help to raise range and aerodynamical qualities of ventilation stream to carry radon from purifying bottoms out is suggested
Key words: bottom ventilation, purifying block, assembled ventilation stream, turbulence, aerodynamic nozzles
При подземной добыче урановых руд главным источником радиационной опасности является радон и его коротко-живущие дочерние продукты распада, на долю которых приходится около 70 % от суммарной дозы облучения подземных горнорабочих. Основным методом борьбы с радоном в подземных горных выработках является активная вентиляция с учетом фактора радоновыделения [1-3].
Высокая ценность богатых руд и значительное радоновыделение в очистных блоках обусловила доминирующее (на 80 %) применение системы разработки нисходящими слоями с твердеющей закладкой. В настоящее время на долю данной системы разработки падает 78 % общей добычи богатых урановых руд в ОАО «ППГХО». Слоевая система разра-
ботки с нисходящей выемкой и твердеющей закладкой обеспечивает необходимую полноту выемки, низкие потери и разубоживание, значительно повышает радиационную безопасность за счет максимального снижения площади рудных обнажений и проветриваемых объемов в очистных блоках [1-3].
Являясь наиболее безопасной в радиационном отношении, система разработки нисходящими слоями с твердеющей закладкой требует разработки и внедрения эффективных многозабойных систем проветривания тупиковых очистных заходок, в которых выделяется 80 % общерудничного дебита радона. Учитывая, что 80 % времени горнорабочие очистных бригад находятся в призабойной зоне, особое внимание необходимо уделять по-
вышению эффективности призабойного проветривания. Поэтому призабойная зона очистных блоков с высоким содержанием урана и обильным выделением радона является наиболее опасной по радиационному и пылевому факторам, т.к. именно здесь выполняются основные горно-добычные работы (бурение, погрузка
урановой руды) в присутствии горнорабочих.
При слоевых системах разработки тупиковые очистные заходки проветриваются ВМП с подачей свежего воздуха по вентиляционным трубам в рабочие забои. Рациональная схема проветривания блока приведена на рис. 1.
Рис. 1. Рациональная схема проветривания очистного блока при слоевой системе разработки с нисходящей выемкой и твердеющей закладкой
Однако недостаточная изученность призабойных газо- и пылединамических процессов в тупиковых заходках значительного сечения (до 15 м2) не позволяют поддерживать оптимальные режимы призабойного проветривания при всех производственных процессах. При взрывных работах затруднено применение нагнетательного способа проветривания из-за частых повреждений конца нагнетательного трубоп-
ровода разлетающимися после взрывных работ кусками руды. Постоянное повреждение конца нагнетательного трубопровода приводит к повышенному расходу вентиляционных труб, ухудшению выноса радона из забоя и увеличению времени проветривания после взрывных работ.
Решить задачу сохранения конца нагнетательного трубопровода и улучшения выноса радона из тупиковых заходок
вентиляционном струей можно путем повышения дальнобойности и улучшения аэродинамического качества свободной вентиляционной струи, что достигается при использовании различных аэродинамичес-кихустройств (насадок).
Существующие исследования струй базировались на распространении их в без-граничномпространстве [4-6].
В реальных шахтных условиях свободные струи претерпевают продольные и поперечные стеснения и, как показывают исследования некоторых авторов, переходят
из одного вида в другой. Нет данных о влиянии начальных условий истечения на параметры струи. Решение задачи оптимизации режимов обеспыливающего проветривания и обоснования применяемых схем сводится к изучению взаимодействия турбулентных потоков в призабойной зоне выработки и распределения примесей в них [7-8].
На рис. 2 приведена схема распространения струи со ступенчатой начальной неравномерностью во встречном потоке в призабойной зоне тупиковой выработки.
Рис. 2. Схема распространения струи во встречном потоке
1-4 — направления распространения струи
Начальная неравномерность параметров обусловливает существенную неавто-модельность течения в исходном участке струи. Это приводит к быстрому переходу закономерностей течения к тем, которые свойственны для основного участка струи. Имеющиеся многочисленные экспериментальные данные, а также соображения подобия свидетельствуют, что в основном участке струи характеристики течения однозначно определяются исходным импульсом, теплосодержанием и потоком массы струи и не зависят от конкретных свойств источника.
Рассмотрим основной участок циркуляционной зоны XI, где происходит постепенное утолщение слоя смешения от точки О до точки Ор в которой осуществляется поворот основной массы струи. При этом будем считать, что:
1) статическое давление на данном участке постоянно;
2) профиль скорости в пристеночном пограничном слое определяется из выражения
— = (X )Х;
и
(і)
3) профиль скорости в слое смешения находится по формуле «трех вторых»
и - и з/ 2
■ = т=(1 - п )2,
и„ - и2
(2)
где п =
У - *2
*1 - *2
4) нарастание толщины пограничного слоя 5 на стенки вычисляется как
С
- = 0,071, Ь
(3)
а толщина пограничного слоя в зоне смешения (Ь) как
Ь
= с.
(4)
х1 = о
и0ь0 + иц(н-ь0)=о,
откуда ии = -- ^°Ь°
(5)
Н - Ьп
ной двухконтурнои струи при истечении из двух соосных каналов в [8, 9] предложены для выражения относительных потоков импульса и массы примеси при С1 = С2 = С0 простые соотношения:
1° = р2 + тх2 (1-р2);
0° = р2 + тх(1-р2), (7)
где тх = и2/и1 — отношение скоростей потоков в наружном и центральном каналах; в = г1/г2 — отношение радиусов центрального и наружного каналов.
Поток импульса для контура АА'С'С с учетом (6) имеет вид
и20Ь0
с и ^ I0 + 0
V
о
5+Ь
(8)
Решать задачу будем методом интегральных соотношений с использованием основных положений теории Г.Н. Абрамовича [7].
Определим иц из уравнения неразрывности для сечения АА' (рис. 1) при Ь = 0 и
I и2СУ + | и2СУ + и23(н - Ь-5).
Приведем уравнение (8) к безразмерному виду, разделив правую и левую части на ио2 Н, и преобразуем его, используя следующие обозначения:
ит- и
__т т
и
Здесь ио, Ь0 — начальные скорость и диаметр струи;
и — скорость исходящей струи; Н — высота выработки.
Поток импульса и массы в исходном сечении при истечении с начальной неравномерностью можно представить как некоторые идеальные величины с поправкой на неравномерность [7, 8].
10 = Роио Ь0 тт2, = Роио Ь01 >
РоиоЬо
О = рси„к Д. = РоОДАО", (в)
РоСои0Ь0
где р — плотность воздуха.
Степень неравномерности характеризуется отличием безразмерного потока импульса I0 и потока массы примеси Q0 от единицы.
Для случая распространения затоплен-
где ит — относительная осевая скорость струи;
т — относительная скорость встречного потока.
Тогда с использованием соотношения (3) получим
Ьх
ио
' ЬХ Л
1 + Ь0 10 ^
V
о
= и
0,0716ЬХ с1У + ЬХ |
0 V и т у
0 V и т у
сСп
+
(9)
+ и2т(1 - 1,071ЬХ).
Здесь Ь0Х = Ь/Н; Ьх = ЬН. Остальные обозначения следуют из рис. 1.
Интегрируя правую часть уравнения (9) и используя соотношения (1) и (2), запишем
ЬХ
г ЬХ л
1 + Ь°
0 , 7Х
1 - Ьо
= ит2ЬХ(0,071 • 0,778 + 0,416 +
+ 0,268т + 0,316т2 - 1,071т2 ) + ит21т2,
0
5
2
откуда получим изменение осевой скорости по длине тупика
Р
(10)
и2 =
m + bxF,
где Р =
IX
I0 + bo
1 - Ь,
о У
Р = 0,471 + 0,268т = 0,755 т2.
Безразмерную толщину слоя смешения встречных потоков из (10) определим из уравнения расхода для сечения СС'
5 5+Ь
\и2с1Т + 1 СУ + из(Н - Ь-5) = 0. (11)
0 5
Приведем уравнение (11) к безразмерному виду, разделив его на итН. Решая интегралы и используя соотношения (1) и (2), получим с учетом (3)
Ьх (0,071 0,875 + 0,55 + 0,45т- 1,071т) + т = 0, (12)
1 х т
откуда Ьх = -----,
р!
где Р1 = 0,612 — 0,621т.
Подставляя (12) в (10) и производя алгебраические преобразования, выводим уравнение, связывающее переменные ит и т
йт = V»,
Р F
------; д = 2
(13)
где в =
m - тД
и1 = ио , где и1 — осевая скорость в конце начального участка струи.
Уравнение расхода для контура АА'В'В запишется так
и0Ь0 + ии(И - Ь0) =
8 Уі
= и1(ь0 -у1 -8) + | шу +|ту+
ь„ -S
У2
+ из(И - Ьо + у2). (14)
Уравнение сохранения импульса для контура АА'В'В имеет вид
и2Ьоі0 + и2 (и - ь0) =
8 Уі
= и2(ь0-у1 -8) + | и2ах +|и2ах+
ь„ -S
У 2
+ U2(H - ь0 + Y2).
(15)
Для определения осевой скорости полу-ограниченной струи по длине призабойной зоны необходимо иметь вид зависимости т(х). Составим для этого систему уравнений, с помощью которой можно найти безразмерную скорость встречного потока (т) и безразмерные ординаты границ струи 01 и 02 в зависимости от безразмерного параметра
Xх = ±, т.е. т = / (Xх );
*1Х = / ( Xх ); *2Х = / ( Xх ).
Систему составим из уравнения расхода и сохранения импульса для начального участка струи, где сохраняется ядро постоянных скоростей, т.е. выполняется условие
Приведем систему к безразмерному виду, разделив уравнение (14) на и]Н,
(15) на и2И .
С учетом (5) при условии и1 = и2 после интегрирования и некоторых алгебраических преобразований запишем следующую систему уравнений:
ш(Ьх0 -1) - Ьх0 = Ьх(0,541 + 0,45т);
р + т2(ЬХ -1) - ЬХ =
= Ьх(0,4 + 0,268т + 0,316т2). (16)
Решая систему (16) с учетом равенства у1—у2=Ъ, получим
(т + 1) — А2
Ь =
(F - 1)(т + 1)-(F -1); (17)
(т -1)[A1(m +1) - A2] + A2(F3 -1) - A1(F4 -1) _
(m -1)[(F3 - 1)(m +1) - (F4 -1)]
A2( F3 -1) - A,( F4 -1)
(m -1)[(F, - 1)(m + 1) - (F4 -1)]
(18)
(19)
где Aj = m( Ь0 -1)- Ь0 ;
A2 = P- ьх -m2 ( ь0 - 1);
F3 = 0,541 + 0,45m;
F4 = 0,4 + 0,268m + 0,316 m2.
Согласно (4), Ъ = CX. Учитывая это,
можно определить изменение безразмерной Подставляя (20) в (17) при постоян-
скорости т и координат и У2Х в зависи- ных геометрических размерах выработки и мости от безразмерного расстояния Xх. вентиляционного трубопровода и с исполь-
В соответствии с [1] для начального зованием (7), определим т =$(Хх). График участка затопленной струи константа этой зависимости приведен на рис. 3,а.
С = 0,27, тогдаЬх = 0,27Xх. (20)
Рис. 3. Изменение безразмерной скорости встречного потока (а) осевой скорости струи (б)по длине призабойной зоны выработки I0: 1- 1,0;2-0,8;3-0,6
Зная т(Хх), по формуле (13) сиспользо-ванием (7) найдем изменение относительной осевой скорости струи по длине призабойной зоны (рис. 3, б). По формулам (18) и (19) с использованием (7) определим безразмерные ординаты границ слоя смешения.
Таким образом, метод интегральных соотношений позволяет рассчитывать аэродинамические и геометрические параметры струи и встречного потока, изменение скорости струи и встречного потока по длине призабойной зоны, изменение ширины струи и границы по длине тупика и др.
Расчет струи со ступенчатой начальной неравномерностью показывает увеличение потока импульса и, кроме того, увеличение дальнобойности струи с увеличением неравномерности начального профиля скорости. Это выражается в снижении безразмерного потока импульса I0 (см. рис. 3,а).
По данным производственных испытаний для проветривания тупиковых захо-док в очистных забоях урановых рудников наиболее эффективной является регулируемая призабойная коаксиальная насадка (рис. 4).
Рис. 4. Коаксиальная аэродинамическая насадка:
1 — внутренняя труба; 2 — наружная труба; 3 — заслонка; 4 — шарнир; 5 — фиксатор
Эпюра скоростей вентиляционных струй в призабойной зоне для коаксидальной насадки приведена на рис. 5.
'II 1 У J
— —— I.U — 0.5 ver** 'Zs
I 11 їм
Рис. 5. Структура вентиляционной струи в призабойной зонедля коаксидальной насадки
Коаксиальная насадка обеспечивает ных процессах (при бурении шнуров, пог-оптимальные режимы призабойного про- рузкепородыипослевзрывныхработ). ветривания при различных производствен-
Литература
1. Павлов И.В., Покровский С.С., Камнев Е.Н. Способы обеспечения радиационной безопасности при разведке и добыче урановых руд. — М.: Энергоатомиздат, 1994. — 256 с.
2. Воронов Е.Т., Куимов A.B., Поздняков Ю.Е. Совершенствование вентиляции урановых рудниковЗабайкалья. — C.-Пб., ВестникМАНЭБ, № 10 (34), 2001. — 101 106с.
3. Марковец В.В., Шевченко O.A. Обеспечение радиационной безопасности при добыче и переработке урановых руд. — М.: Горный журнал. — 2008. — №8.— С. 67-70.
4. Воронин В.Н. О свободных турбулентных струях, распространяющихся в ограниченных пространствах: сб. Проблемы рудничной аэрологии и внезапных выбросов угля и газа. — Изд-во АН СССР, 1958. — С. 125-131.
5. Лайгна К.Ю. Экспериментальные исследования ограниченных турбулентных струй. Труды Таллиннского пед. института (ФТПРПИ). — №3. — 1972. — С. 140-146.
6. Гнатюк В.В. Исследование структуры течения струи в осесимметричном тупике. — Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. —№ 2, — 1977. — С. 101-108.
7. Абрамович Г.Н. Теориятурбулентныхструй. — М.: Наука, 1984. — 700 с.
8. Воронов Е.Т., Дьячков A.B. Интенсификация проведения подземных урановых горноразведочных выработок на основе совершенствования призабойных систем проветривания. — Новосибирск: Наука, СО РАН, 1991. — С. 118-124.
9. Воронов Е.Т., Дьячков A.B. Практическое пособие по повышению эффективности призабойной вентиляции тупиковых горно-разведочных выработок. — Чита: ЗабНИИ, 1990. — 42 с.
Коротко об авторах_______________________________
Воронов Е.Т., д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Читинский государственный университет (ЧитГУ), Институт природных ресурсов экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СОРАН) bondar@chitgu.ru
Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, охрана труда на геолого-разведочных работах, радиационная безопасность урановых рудников России; борьба с пылью
Бондарь И.А., канд. техн. наук, Читинский государственный университет (ЧитГУ), Институт природных ресурсов экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СОРАН) bondar@chitgu.ru
Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, управление криогенными и тепловыми процессами в криолитозоне
_____________________Briefly about the authors
E. Voronov, Doctor of Engineering Sciences, Professor, RF Honored Science Worker, Chita State University
Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, labour protection of geological exploration, radiation safety of Russian uranium mines, dust control
I. Bondar, Candidate of Engineering Sciences, Chita State University
Scientific interests: safe technology of underground mining in permafrost conditions, moni-toring of cryogenic and thermal processes in cryolithic zone
