Основные принципы проектирования систем вентиляции тупиковых участков угольных шахт

По сути, вентиляция представляет собой процесс движения в вентиляционной системе выработки, сопровождаемый изменением состава и физического состояния воздушной массы. При этом воздух, перемешиваясь с природным газом, способствует образованию опасной газовоздушной смеси, которая при наличии определенных условий способна воспламенятся.

Технологический процесс осуществления подготовительных выработок за последние годы претерпел существенные изменения.

Произошедшие изменения осложнили процесс обеспечения безопасности при производстве работ по добыче угля. В том числе, это связано с увеличением габаритов специализированной техники, которая практически не оставляет свободного места в призабойной зоне, что сказывается на обеспечении всего процесса вентиляции.

Над вопросом обеспечения должного уровня вентиляции трудятся многие ученые и специалисты. Имеющийся опыт в данном направлении позволяет утверждать о том, что основная задача вентиляции тупиковых выработок состоит в том, чтобы исключить образование и воспламенение газо- и пылевоздушных смесей. Для решения этого вопроса следует учитывать особенности вентилируемого пространства в процессе проектирования.

Существующая на данный момент времени методика расчета вентиляции не обеспечивает выполнение всех основных критериев при проектировании, что было доказано рядом трагических происшествий.

К минусам методики расчета можно отнести следующие позиции:

• в расчетном процессе не предусмотрен необходимый набор технических устройств;
• исключен учет вероятных изменений параметров состояния в потоках воздушных масс и смесей из-за того, что в расчет принимаются значения в объемных единицах;
• за основу расчета взято уравнение Бернулли, а не закон сохранения массы;
• учитывается опасность только метаносодержащих смесей.

С целью устранения данных недочетов предлагается внести изменения в существующую методику.

Во-первых, воспламенение и взрыв – это процессы, в которых задействованы молярные доли веществ, а не объемные единицы. В процессе нагнетания показатели вентилирования учитываются для системы, включающей в себя: вентиляционную установку; трубопровод, по которому будут двигаться воздушные массы; свежий воздух, поступающий к забою по воздуховоду; процесс перемещения воздушных масс, газо- и пылевоздушных масс.

Барометрическое давление, которое в условиях горных выработок всегда выше того, которое на поверхности, под действием вентиляционных установок подвергается еще большему росту. Перемещение воздуха происходит от большей плотности к меньшей.

Повышение избыточного давления, за счет которого перемещается воздух, происходит в призабойной зоне.

С целью исследования процессов изменений избыточного и динамического давлений, происходящих в воздуховоде, был проведен эксперимент на модели нагнетательной линии.

Замер давлений и напора происходил при полном отсутствии оборудования и технических устройств. Такой подход позволяет оценить влияние наличия техники на практике. Нагнетание воздуха осуществляли с помощью вентиляционной установки, которая способна изменять аэродинамические параметры.

Одним из выводов, которые сделали после эксперимента, является то, что в воздуховоде теряется как избыточное, так и динамическое давление. Теоретические предпосылки позволяют предполагать, что избыточное давление теряется из-за преодоления сопротивления при контакте с воздуховодом. Динамическое же давление уменьшается из-за трения молекул воздуха в турбулентном потоке. Такая ситуация может произойти в результате снижения плотности воздуха вначале отрезка (воздуховода), и повышения плотности в конце.

Выяснилось также то, что при нахождении габаритных устройств, например, комбайнов, вентиляционная установка должна создавать наибольший напор. На выходе из вентилятора при этом, избыточное давление будет равняться «нулю». Соответственно, значение избыточного давления в призабойной зоне будет зависеть от объема, которое занимают техника и устройства.

Следует также учитывать, что значения абсолютного давления при работе одного и того же вида вентиляционной установки, будут зависеть от оборудования, которое расположено в призабойной зоне. Этот параметр будет достигать наименьших значений при нахождении там комбайна. Динамическое давление в воздуховоде будет теряться меньше в 3,5 раза, чем избыточное. На выходе из отверстия вентиляционной трубы скорость движения воздуха резко снижается. От кинетической энергии струи воздуха, выходящей из трубы, будет зависеть расстояние, которое сможет преодолеть свежий воздух, а также общая эффективность вентилирования.

Вентилирование, как таковое преследует также необходимость устранения запыленности воздуха. Поэтому при расчете следует также учитывать объем выделяющейся пыли, который зависит от показателей рабочих элементов комбайнов и схемы разработки пласта. Особое значение при этом приобретает необходимость удаления пыли с поверхности комбайнов, подвергающихся нагреванию во время работы. Расчетами доказано, что для удаления механических фракций размером до 10 мкм на расстоянии 20 метров следует обеспечить приток воздуха со скоростью 0,72 м/с.

Итак, при расчете системы вентиляции угольных шахт следует принимать во внимание перемещение воздушных масс с учетом закона сохранения энергии. Избыточное и динамическое давление «теряются» в трубе вентиляции. Увеличение плотности воздуха и избыточного давления происходит в призабойной зоне.

В числе дополнительного оборудования вентиляционных систем следует предусматривать монтаж и эксплуатацию вентиляторов местного проветривания, вентиляционные воздуховоды. Кроме того, следует учитывать не только призабойное пространство, но и сам забой.

При расчете необходимого количества воздуха необходимо учитывать время и характер прохождения воздуха по забою, а также необходимость снижения вероятности воспламенения газо- и пылевоздушных смесей от нагретых элементов технических устройств.