CC BY
78
© В.И. Филиппов, А.С. Росляков, 2009
УДК 624.191,94
В.И. Филиппов, А.С. Росляков
ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
НА ПРОВЕТРИВАНИЕ ТОННЕЛЕЙ САРБАЙСКОГО
КАРЬЕРА
Рассмотрены возможности преодоления негативного воздействия естественной тяги на вентиляцию внутрикарьерных тоннелей путем повышения их аэродинамического сопротивления.
Ключевые слова: карьер, проветривание тоннелей, статический напор.
Глубокие горизонты Сарбайского карьера вскрыты наклонными железнодорожными тоннелями, пройденными в форме тупиковых съездов в постоянном борту.
Схема вскрытия внутрикарьерными тоннелями позволила разместить вскрывающие выработки вне рабочей зоны карьера, избежать пересечения грузопотоков и обеспечить более глубокий ввод железнодорожного транспорта без разноса бортов. При данном варианте достигается увеличение углов погашения бортов и снижение коэффициента вскрыши. Железнодорожные пути подводятся непосредственно к забоям глубоких горизонтов, что значительно сокращает объем перевозки горной массы автомобильным транспортом, и тем самым улучшает экономические показатели и снижает содержание вредных веществ в карьерном воздухе.
Поперечное сечение тоннелей в свету определено с учетом габарита приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1524 мм и составляет около 40 м2. При обделке тоннелей применены следующие виды крепи: железобетонные штанги с сеткой в кровле и набрызг-бетоном или железобетонная крепь свода и стен, в зависимости от устойчивости приконтурного массива.
С начала эксплуатации I очереди Сарбайских тоннелей в 1985 году в условиях действующего карьера был выявлен ряд нерешенных проектом вопросов, основным из которых является организация управляемой вентиляции. Проектом подача свежего воздуха в тоннели предусматривалась по схеме, представленной на рис. 1, через ствол ранее построенной дренажной
Схема вентиляции первой очереди Сарбайских тоннелей
Рис. 1. Зависимость величины естественной тяги от температуры наружного воздуха
шахты главной вентиляторной установкой (ГВУ) в количестве 135 м3/с с выдачей отработанного воздуха через порталы всех тоннелей в карьер в соответствии с предъявляемыми требованиями, исключающими попадание загрязненного воздуха из карьера в подземные выработки.
Отличительной особенностью карьерных железнодорожных тоннелей является большая разница высотных отметок верхних и нижних порталов.
80 -100-
Рис. 2
За счет разницы барометрических давлений у порталов, температуры шахтного воздуха, которая колеблется от +4 до +11 °С, и наружного воздуха, изменяющегося в пределах от -40 до +40 °С, в наклонных ветвях в тоннелях возникает естественная тяга, превышающая компрессию, создаваемую ГВУ, что и является причиной самопроизвольного изменения направления движения воздуха в них.
Зависимость величины естественной тяги от температуры наружного воздуха в Сарбайском карьере представлена на рис. 2. Большое сечение тоннеля в свету (более 7 раз превышает сечение воздухоподводящих выработок) предопределяет резкое снижение депрессии в месте перехода воздушной струи из шахтной выработки в тоннель. Практически зона влияния ГВУ на управление воздушными потоками в тоннелях заканчивается на сопряжении наклонных ветвей тоннеля. В зимнее время карьерный воздух под действием естественной тяги поступает в нижние тоннели и выходит в верхние. В летний период устанавливается обратное направление движения: воздух поступает в верхние и выходит по нижним тоннелям.
Самопроизвольное опрокидывание струи воздуха в тоннелях под действием естественной тяги при отрицательных температурах наружного воздуха приводит к образованию наледей на стенках и
почве тоннелей, перемерзанию водоотводных устройств. Сосульки, образующиеся на своде тоннеля, и наледи создают угрозу безопасности движения поездов и обслуживающему персоналу. Замерзание воды в порах и микротрещинах бетонной и набрызг-бетонной обделки тоннеля вызывает ее разрушение. Кроме этого, как в зимний, так и в летний периоды в такой ситуации возможно попадание в подземные выработки газообразных продуктов массовых взрывов из карьера.
Упорядочение движения воздуха во внутрикарьерных тоннелях, создание управляемой вентиляции возможно за счет повышения депрессии на сопряжениях наклонных ветвей тоннелей; при этом величина статического напора, создаваемая ГВУ, должна быть несколько большей величины межтоннельной естественной тяги. Такого положения можно достичь за счет увеличения количества воздуха, подаваемого вентилятором к сопряжению тоннелей, или искусственным повышением аэродинамического сопротивления тоннелей.
Увеличение количества подводимого к тоннелям воздуха для противодействия естественной тяге в условиях шахты ограничено пропускной способностью воздухоподводящих выработок. Значительное увеличение их сечения и установка более мощных вентиляторов главного проветривания или строительство подземных главных вентиляторных установок экономически нецелесообразно. Так, пропускная способность воздухоподающего ствола Южно-Сарбайский ограничена 150 м3/с. Поэтому, при рассмотрении вопроса о повышении аэродинамических параметров ГВУ пропускная способность его принята за верхний предел реального увеличения подвода воздуха в шахту.
Влиянию естественной тяге можно противодействовать, создавая противодавление воздуха посредством использования скоростного напора воздушного потока, создаваемого специальными вентиляторами, установленными непосредственно в тоннелях.
Одной из главных характеристик такой установки является величина создаваемого противодавления. Число последовательно располагаемых установок, необходимых для преодоления естественной тяги:
п = he / hy
где Ь;- преодолеваемая естественная тяга, Па; ^- перепад давления, создаваемый одной установкой, Па.
Применение шахтных вентиляторов типа ВМ в Сарбайских тоннелях для преодоления естественной тяги оказалось малоэффективным и энергоемким. В зимний период потребовалось бы установить несколько десятков вентиляторов. Данный способ целесообразно применять при незначительной величине естественной тяги (2,0 - 3,0 Па).
Для условий Сарбайских тоннелей были проведены расчеты эффективности щелевой воздушной завесы с устройством раздаточной щели по периметру тоннеля. При скорости воздушного потока при выгоде из щели до 25 м/с, она способна противодействовать естественной тяге с депрессией 10 Па. В комплексе работ ГВУ система припортальных завес обеспечивает устойчивый режим работы вентиляции в диапазоне температур карьерного воздуха от -5 до +23 °С кроме этого к недостаткам щелевой завесы относится значительное пылеобразование при прохождении груженых составов в месте их установки.
Для увеличения аэродинамического сопротивления и снижения величины естественной тяги было принято решение установить в устьях тоннелей автоматические вентиляционные двери. После установки ворот средние сопротивление тоннелей увеличилось более чем в сто раз. Устройство автоматических портальных дверей позволило решить вопрос организации воздухораспределения и устойчивости схемы вентиляции первой очереди тоннелей. При этом необходимо иметь в виду, что портальные вентиляционные двери для предотвращения утечек через них и попадания холодного воздуха в тоннели в зимний период, должны быть достаточно герметизированы. Однако, в подвижных частях у почвы, между створами остаются щели, плохо поддающиеся герметизации. Применение электрической тяги предопределяет необходимость оставления проема для контактного провода. В зимний период при больших величинах естественной тяги и открытых дверях на верхнем портале в проем (окно) нижнего портала устремляется холодный воздух.
Для предотвращения поступления воздуха через проем и увеличения сопротивления дверей на Сарбайских тоннелях предложен новый способ [1]. Он заключается в создании свободной струи воздуха, ориентированной в технологический проем во встречном, по сравнению с утечками, направлении.
Рис. 3. Способ предотвращения утечек через вентиляционную дверь
При этом свободная струя заполняет проем и делает его непроницаемым для утечек во встречном направлении, а количество воздуха, поступающего через неплотности в дверях, компенсируется количеством воздуха, возвращаемого через проем свободной струей, так что воздух циркулирует около двери (Рис.3) и не поступает в виде утечек в выработку. Производительность свободной струи выбирают таким образом, чтобы количество воздуха, поступающего через щели в двери, полностью ею компенсировалось, а также с учетом того, чтобы через проем осуществлялся проектный режим вентиляции выработки, где установлена вентиляционная дверь.
В вентиляционной установке Сарбайских тоннелей использованы два параллельно работающих вентилятора СВМ-6 суммарной производительностью 14 м3/с при перепаде давления 1200 Па. Вентиляторы смонтированы на кровле портала. Всасывающий патрубок располагается в кровле тоннеля на расстоянии 15 м от дверей, нагнетательный -ориентирован на проем дверей и расположен в 5 м от него.
С целью проверки эффективности предложенного способа проведены экспериментальные наблюдения. Исследования включали в себя измерение температуры по высоте тоннеля на разном удалении от двери, скорости и направления движения воздуха. Ре-
зультаты наблюдений и соответствующие замеры приведены на рис. 4-7.
вм-6
Рис. 4. Изменение температуры движущихся потоков воздуха в тоннеле (вентиляторы противодавления не работают)
Рис. 5. Направление и скорости потоков в тоннеле (вентиляторы противодавления работают)
с
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
- 0,2 м от почвы
- 1,0 м от почвы
- 2,0 м от почвы
- 3,0 м от почвы
- 4,0 м от почвы
- 5,0 м от почвы 7- 6,0 м от почвы
Рис. 6. Изменение температуры по длине тоннеля (вентиляторы противодавления не работают)
1- при неработающем вентиляторе противодавления
2- при работающем вентиляторе противодавления
Рис. 7. Границы теплого и холодного воздуха в тоннелях при ^= -13 С
Как видно из полученных данных, при неработающем вентиляторе противодавления холодный воздух проникает в тоннель почти на 120 м. При более низких температурах холодного воздуха глубина проникновения достигает 200 м и более. На расстоянии 30 - 32 м от портальных дверей по всему сечению тоннеля наблюдаются отрицательные температуры.
При работе вентилятора противодавления глубина проникновения воздуха с отрицательными температурами уменьшается до 25 м. В зоне отрицательных температур находится участок тоннеля в четыре с лишним раза меньше, чем при работающем вентиляторе.
Кроме улучшения температурных условий в карьере предложенный способ способствует увеличению аэродинамического сопротивления портальных дверей, благоприятствующему созданию управляемой вентиляции.
Необходимость соблюдения условий шлюзования дверей при увеличении производительности нижних горизонтов карьера отрицательно сказывается на интенсивности работы железнодорожного транспорта. Устройство вентиляционных дверей в порталах тоннелей можно считать целесообразным, если интервал движения технологических поездов через тоннель, обеспечивающий необходимую производительность, в 1,3 - 1,4 раза больше, чем время дви-
жения груженого поезда через шлюз от нижнего портала к верхнему. В условиях Сарбайского карьера расчетная максимальная нагрузка на тоннели с учетов применения шлюзовых вентиляционных дверей может достигнуть 1,8-2,0 млн т горной массы в месяц, что на 23% меньше проектной среднемесячной провозной способности. Кроме того, при совместной работе первой и второй очередей тоннелей при одновременном положении в открытом состоянии двух и более припортальных дверей наблюдается дезорганизация всей схемы вентиляции.
В этих условиях более эффективным является способ, обеспечивающий постоянство увеличенного аэродинамического сопротивления, и устройство ворот следует рассматривать, как часть комплекса мероприятий по созданию управляемой вентиляции. В Сарбайских тоннелях впервые в практике внедрена центробежно-вихревая воздушная завеса [2]. Она является новым регулятором воздухораспределения в шахтных и других сетях, основанным на явлении увеличения сопротивления движению потока при его закрутке. Сущность работы завесы (рис. 8) заключается в том, что по периметру тоннеля 2 создается сферообразный канал 1, в нем устанавливаются побудители движения воздуха 3; подаваемый вентиляторами воздух движется по контуру сечения, перпендикулярному оси выработки. Воздушные струи 4 от вентиляторов интенсивно закручивают поток 5, проходящий по тоннелю. За счет действия центробежных сил образуется зона разряжения 6, в которую с обеих сторон канала устремляется воздух. Образуются два торообразных вихря 7, 8. Основной поток, проходя внутри по ходу торообразного вихря 7, сужается, а затем в зоне разряжения 6, расширяется, обтекая снаружи второй на его пути торообразный вихрь. Последовательное сужение и расширение потока с возникновением обратного тока 9 является причиной дополнительного аэродинамического сопротивления, которое приходится преодолевать основному потоку.
Картина линий тока в зоне завесы (рис. 8) получена путем визуализации движения воздуха с помощью шелковых нитей.
Максимальные скорости закрученного потока наблюдаются вблизи стенки выработки. В приосевой зоне вращательная составляющая скорости потока близка к нулю, что является положительным фактором, т.к. уменьшается сдувание пыли с горной массы,
провозимой в транспортных сосудах, устраняются дискомфортные ощущения у людей при проходе через завесу.
Величина перепада давлений, создаваемого завесой, зависит от производительности вентиляторов и скорости движения воздуха на выходе из них. Обе величины можно измерить путем включения разного числа вентиляторов, использования регулируемых вентиляторов, устройством специальных насадок. Возможно дистанционное изменение параметров завесы. Благодаря этому вихревая завеса может быть использована для оперативного регулирования расхода воздуха в шахтной или другой вентиляционной сети.
Таким образом, работу ГВУ в комплексе с вентиляторами противодавления, установленными в тоннелях, автоматическими откатными воротами и центробежно-вихревыми завесами позволяет эффективно бороться с естественной тягой и добиться устойчивого режима проветривания наклонных железнодорожных внутрикарь-ерных тоннелей.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ярцев В.А., Рожнева В.К., Токмаков В.В., Окладников А.В. Способ предотвращения утечек через вентиляционную дверь. А.с. № 1514957.
2. Ярцев В.А., Рожнева В.К., Окладников А.В. Вихревая воздушная завеса. Известия ВУЗов. Горный журнал. 1991., №4. ЕШ
Filippov V.I., RosljakovA.S.
INFLUENCE OF METEOROLOGICAL FACTORS ON CONDITIONS OF AIRING OF TRANSPORT TUNNELS OF THE SIBAJSKY OPENCAST MINE
There are considered the possibilities of overcoming of natural draught negative influence on ventilation of intracareer tunnels by increase of their aerodynamic resistance.
Key words: opencast mine, airing of tunnels, static pressure.
— Коротко об авторах ----------------------------
Филиппов В.И. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru Росляков А.С. - аспирант УГГУ, office@ursmu.ru
