АЭРОЛОГИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.И. Горбунов

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

АЭРОЛОГИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

(Лекции и практические занятия для студентов специальности 6.090300, 7.090301)

АЛЧЕВСК 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА 8

Часть первая

РУДНИЧНАЯ АТМОСФЕРА.

1. РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ 11

1.1. Изменение химического состава и свойств атмосферного воздуха при

его движении по горным выработкам 11

1.2 Постоянные составные части рудничного воздуха и их свойства 11

1.3 Ядовитые примеси рудничного воздуха 14

1.4 Метан и меры борьбы с ним 16

1.4.1 Физико-химические свойства метана 16

1.4.2. Происхождение и формы связи метана с горными породами 18

1.4.3 Метаноносность и метаноемкость угольных пластов и пород 19

1.4.4 Виды выделений метана в горные выработки 20

1.4.5. Требования правил безопасности к содержанию метана в горных выработках и трубопроводах 24

МЕРЫ БОРЬБЫ С МЕТАНОМ В ШАХТАХ 25

2.1. Борьба с метаном средствами вентиляции 25

2.2 Расчет расхода воздуха для проветривания выемочного участка при изолированном отводе метана за его пределы 31

2.3 Меры безопасности при эксплуатации газоотсасывающих установок 32

3. УПРАВЛЕНИЕ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЕМ СРЕДСТВАМИ ДЕГАЗАЦИИ 33

3.1 Общие положения по дегазации угольных шахт 33

3.2 Способы дегазации неразгруженных от горного давления пластов и вмещающих пород 34

3.2.1 Дегазация при проведении капитальных и подготовительных выработок 35

3.2.2 Дегазация при проведении горизонтальных и наклонных выработок по угольным пластам 36

3.2.3 Дегазация разрабатываемых угольных пластов скважинами, пробуренными из выработок 37

3.3 Дегазация сближенных угольных пластов (спутников) и вмещающих пород при их подработке, надработке 39

3.3.1 Основы теории дегазации спутников 39

3.3.2 Схемы дегазации сближенных угольных пластов и вмещающих пород 41

4. ВНЕЗАПНЫЕ ВЫБРОСЫ УГЛЯ ПОРОДЫ И ГАЗА 43

4.1 Основы теории внезапных выбросов угля и газа 43

4.2 Мероприятия по борьбе с внезапными выбросами угля и газа 45

4.2.1 Способы борьбы с внезапными выбросами их назначение и область применения 45

4.3 Региональные мероприятия по борьбе с внезапными выбросами угля и газа 46

4.3.1 Профилактическое увлажнение угольных пластов опасных по внезапным выбросам угля и газа 46

4.3.2 Разработка защитных пластов 46

4.4 Локальные мероприятия по борьбе с внезапными выбросами 49

4.4.1 Гидрорыхление угольного пласта 49

4.4.2 Гидроотжим угольного пласта 49

4.4.3 Гидровымывание опережающих полостей 50

4.5. Прогноз выбросоопасности угольных пластов 51

Часть вторая

5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РУДНИЧНОЙ АЭРОДИНАМИКИ 54

5.1. Виды давления в движущемся воздухе. Понятие о депрессии 54

5.2 Измерение давления и депрессии в движущемся потоке 56

5.3 Основные законы аэродинамики 58

5.3.1 Закон сохранения массы 58

5.3.2 Закон сохранения энергии 59

5.3.3 Режимы движения воздуха в шахтах 63

5.3.4 Типы воздушных потоков 64

5.4 Аэродинамическое сопротивление горных выработок 65

5.4.1 Природа и виды аэродинамического сопротивления 65

5.4.2 Сопротивление трения 66

5.4.3 Лобовые сопротивления в горных выработках 68

5.4.4. Местные сопротивления в горных выработках 70

5.5 Единицы аэродинамического сопротивления 71

6. ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ СЕТИ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА 73

6.1 Элементы шахтной вентиляционной сети 73

6.2 Основные законы движения воздуха в вентиляционных сетях 75

Аналитические методы расчета простейших вентиляционных соедине-

ний 77

6.3.1 Расчет последовательно-параллельных соединений 78

6.3.2. Диагональное соединение горных выработок и его свояцтва 87

Методика ра сч ета распределения воздуха в сложных вентиляционных

сетях 97

РАБОТА ВЕНТИЛЯТОРОВ НА ШАХТНУЮ ВЕНТИЛЯЦИОННУЮ СЕТЬ

8.1 Аэродинамическая характеристика вентилятора и сети. Режим работы одного вентилятора на сеть 103

8.2 Анализ совместной работы вентиляторов на сеть 106

9. ЕСТЕСТВЕННАЯ ТЯГА ВОЗДУХА В ЩАХТАХ 117

9.1 Общие сведения о естественной тяге 117

9.2 Измерение депрессии естественной тяги 118

Часть третья

ВЕНТИЛЯЦИЯ ШАХТ

12.1 Проектирование проветривания тупиковых выработок и стволов 153

12.1.1 Общие положения и некоторые особенности проветривания тупиковых выработок и стволов 153

12.1.2 Способы подачи воздуха в забои тупиковых выработок и стволов 154

12.1.3 Вентиляторы и воздухопроводы установок местного проветривания 159

12.1.4 Методы расчета расхода воздуха для проветривания тупиковых выработок и стволов 161

12.1.5 Выбор вентиляторов для проветривания тупиковых выработок и стволов 170

12.1.6 Примеры расчетов проветривания тупиковой выработки и ствола 172

12.1.7 Проветривание длинных тупиковых выработок и стволов несколькими вентиляторами 186

13. ПРОВЕТРИВАНИЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ 193

13.1 Схемы проветривания выемочных участков и требования к ним 193

13.2 Классификация, область применения и выбор схем проветривания выемочных участков 194

13.3 Прогноз метанообильности очистных забоев и выемочных участков 197

13.3.1 Общие положения 197

13.3.2 Прогноз метанообильности очистного забоя и выемочного участка по природной метаноносности пласта 197

13.3.2.1 Метановыделение из разрабатываемого пласта 198

13.3.2.2 Расчет метановыделения из сближенных угольных пластов (спутников) 202

13.3.2.3 Расчет метановыделения из вмещающих пород 203

13.3.2.4 Определение ожидаемого метановыделения из очистной выработки и выемочного участка с учетом дегазации и изолированного отвода метана за пределы выемочного участка с помощью газоотсасывающих установок 203

Часть первая

РУДНИЧНАЯ АТМОСФЕРА.

Тема №2 1. РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ

1.1 Изменение химического состава и свойств атмосферного воздуха при его движении по горным выработкам

Состав атмосферного воздуха, поступающего в шахту, практически постоянен и в среднем содержит азота (N₂) 78.08 %, кислорода (О₂) 20.95 %, углекислого газа (СО₂) 0.03 %, аргона 0.93 %, суммарное содержание гелия, неона, криптона, ксенона, озона не превышает 0.01%.

В процессе движения воздуха по горным выработкам изменяется его состав и физические свойства. Воздух загрязняется взрывчатыми, ядовитыми, удушливыми газами, рудничной пылью увеличиваются его температура, влажность и давление.

РУДНИЧНЫЙ ВОЗДУХ – это смесь газов и паров заполняющих горные выработки.

Рудничный воздух, поступающий к рабочим местам в шахте, пока он еще не загрязнен различными примесями, и мало отличается по составу от атмосферного воздуха, называется свежим (свежая струя на схемах проветривания обозначается красным цветом).

Рудничный воздух, удаляемый из рабочих мест и имеющий большую по сравнению с атмосферным воздухом загрязненность, называют – испорченным или отработанным (исходящая струя на схемах проветривания обозначается, синим цветом).

Требования правил безопасности к содержанию метана в горных выработках и трубопроводах

Для обеспечения безопасных условий работы в газовых шахтах содержание метана в выработках должно быть значительно меньше нижнего предела взрывчатости метано-воздушной смеси (5%). Согласно ПБ содержание метана в атмосфере горных выработок и трубопроводах должно соответствовать нормам, приведенным в таблице 2.1

Вентиляционная струя, трубопровод	Недопустимая концентрация метана, % по объему
Исходящая струя из тупиковой выработки, камеры, поддерживаемой выработки	Более 1
Исходящая из очистной выработки, выемочного участка при отсутствии аппаратуры АКМ	Более 1
Исходящая из очистной выработки, выемочного участка при наличии аппаратуры АКМ	Более 1.3
Исходящая крыла, шахты	Более 0.75
Поступающая на выемочный участок, в очистные выработки, к забоям тупиковых выработок и в камеры	Более 0.5
Местные скопления метана в очистных, тупиковых и других выработках	2 и более
На выходе из смесительных камер	2 и более
Трубопроводы для изолированного метана с помощью вентиляторов (эжекторов)	Более 3.5
Дегазационные трубопроводы	От 3.5 до 25

Примечание: При расчетах проветривания максимально допустимая концентрация метана в исходящей струе очистной выработки и выемочного участка должна приниматься равной 1 % независимо от наличия аппаратуры АКМ

Смесительная камера

Рис.2.4 а - Схема с использованием

Участковой выработки

Рис.2.4.в Изолированный отвод метана с использованием выработок ранее отработанных лав

4. Изолированный отвод метана из выработанного пространства в исходящую струю участка по трубопроводам при помощи специальных установок типа УСМ-02 и УВГ-1 (рис.2.5)

Эти установки применяются для снижения концентрации метана на сопряжении лавы с вентиляционным штреком.

Схемы установок УСМ-02 и УВГ-1 аналогичны и отличаются тем, что установка УСМ-02 применяется при метанообильности выработанного пространства до 1.5 м³/мин, а установка УВГ 1 имеет более мощный вентилятор и используется при метанообильности выработанного пространства до 3 м³/мин.

Рис.2.5 Схемы установок УСМ-02 и УВГ-1 для изолированного отвода метана в исходящую струю участка

Общие положения по дегазации угольных шахт

Основными источниками метана в угольных шахтах являются разрабатываемые пласты, подрабатываемые, надрабатываемые пласты и пропластки, а также вмещающие породы. Долевое участие каждого из этих источников отражается в газовом балансе выемочных участков и зависит от горно-геологических и горнотехнических условий

Дегазация шахт это совокупность мероприятий, направленных на извлечение и улавливание метана, выделяющегося из всех источников, с изолированным отводом его на поверхность (каптаж), а также предусматривающих физическое или химическое связывание метана до поступления его в горные выработки.

Критерием, определяющим необходимость проведения дегазации, является повышение метанообильности выработок I_ф сверх допустимой по фактору вентиляции I_р

I_ф > I_р= , м³/мин (3.1)

V-допустимая по ПБ максимальная скорость движения воздуха в лаве, м/с;

S-минимальная площадь сечения лавы по паспорту крепления, свободная для прохода воздуха, м².

Коэффициент эффективности дегазации, при котором, обеспечиваются нормальные по фактору метановыделения условия, определяется по формуле

К_Д≥ 1- (3.2)

Эффективность дегазации во многом зависит от того, какие пласты и вмещающие породы дегазируются, разгруженные или неразгруженные от горного давления. При частичной разгрузке пластов и вмещающих пород от горного давления газ из сорбированного состояния переходит в свободное состояние и дегазация эффективна.

Рис.3.3 Схема к расчету параметров дегазации спутников

Условные обозначения:

1-зона беспорядочного обрушения;

2-зона плавных прогибов с разрывом сплошности пород;

3-зона плавных прогибов без разрыва сплошности пород;

М- расстояние от разрабатываемого пласта до спутника по нормали;

b-размер целика или бутовой полосы по восстанию;

c-размер консоли;

-угол разгрузки;

-угол падения пласта;

-угол заложения скважины;

l_скв- длина скважины.

Формулы для расчета угла заложения и длины скважины для схемы представленной на рис.3.3

tq ( (3.4) l_скв = (3.5)

Аналогично, можно получить формулы для расчета параметров заложения скважин при бурении в почву пласта из откаточного штрека, а также в кровлю и почву пласта из вентиляционного штрека. При этом в формулах (3.4) (3.5) угол падения пласта либо суммируется с углом заложения скважины либо вычитается. Правило определения знаков в формулах (3.4) (3.5) представлено на рис.3.4.

Разработка защитных пластов

ІІ РАЗДЕЛ

Закон сохранения массы

. Закон сохранения массы применительно к движению воздуха формулируется следующим образом: масса любого объема воздуха остается постоянной в процессе его движения.

Если в потоке выделить элементарный объем ω, достаточно малый, чтобы плотность воздуха в нем можно было считать постоянной, то закон сохранения массы можно записать так:

(5.16)

где ρω – масса выделенного объема

Через проекции скорости потока в рассматриваемой точке на оси координат этот закон запишется так:

(5.17)

где u, v,w- соответственно, проекции скорости в рассматриваемой точке потока на оси x, y, z системы координат.

Для стационарного движения плотность, скорость, давление, температура в фиксированной точке потока не изменяются, тогда и равенство (5.17) запишется так

, (5.18)

а при постоянной плотности потока ρ=const

(5.19)

В выработке постоянного сечения v=w=0 тогда из уравнения (5.19) найдем, что u=const, т. е. скорости движения воздуха в сходственных точках постоянны. Из уравнения (5.19) также следует, что увеличение скорости в одном направлении должно вызывать уменьшение ее в другом направлении, так как сумма членов в его левой части будет равна нулю тогда, когда одни из них будут положительны (ускорение течения), другие отрицательными (замедление).

Для случая стационарного движения воздуха в выработке из уравнения (5.16) получим

М=const (5.20)

Выразим массовый расход воздуха в выработке в виде

М=ρ*Q (5.21)

где Q-объемный расход воздуха в выработке.

Тогда для изотермического процесса (т.е. при ρ=const) из выражения (5.21) получим

Q=const (5.22)

Из выражения (5.22), называемого уравнением расхода, следует, что для стационарного движения объемный расход воздуха в выработке постоянный.

При разветвлении потока уравнение (5.22) примет вид

Q_i=0 (5.23)

где i – номер потока; n – число потоков в разветвлении.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии, является основным законом движения воздуха по горным выработкам. При выводе основного закона принимают, что его объемный вес остается постоянным, т. е. рассматривают воздух как несжимаемый. Это ведет к погрешности, которая не более 7-10 %.

Рис.5.5 Схема к выводу уравнения Бернулли для струйки воздуха в выработке

В элементарной струйке тока выделим объем, а b с d (рис.5.5). Элементарная струйка тока это струйка настолько малого поперечного сечения, что скорость движения воздуха в любом ее сечении постоянна. Элементарная струйка тока ограничена линиями тока. Линия тока это геометрическое место точек, касательная в любой точке есть вектор скорости потока. Через некоторое время dt объем переместится и займет положение a¹b¹c¹d¹. Площадь поперечного сечения струйки в ab S₁, в cd S_2,давление соответственно Р₁, Р₂. В предположении не сжимаемости потока воздуха перемещение объема воздуха a b c d в положение a¹b¹c¹d¹ можно рассматривать как перемещение объема воздуха abb¹a¹ в положение cd d¹c¹ при неизменном положении объема a¹b¹cd. Принимая во внимание закон сохранения энергии, запишем, что приращение кинетической энергии указанного объема равно работе внешних сил, т.е.

, (5.24)

где М и G – соответственно масса и вес элементарного объема воздуха. В равенстве (5.24) S₁*mn=V₁, а S₂*m¹n¹=V₂ и V₁=V₂=V-объем воздуха.

V= (5.25)

С учетом равенства (5.25) будем иметь

, (5.26)

Сгруппировав члены с однородными индексами, получим уравнение Бернулли для идеальных жидкостей и газов

(5.27)

В действительности при движении воздуха по выработкам имеет место трение его о стенки выработок. Обозначим потерю давления на трение через h. Кроме этого необходимо учесть, что в процессе движения воздуха по выработкам изменяется его объемный вес, т. е. γ ≠ const. Тогда равенство (5.27) запишется в виде

(5.28)

Из равенства (5.28) следует, что разность давлений, расходуемая на преодоление сопротивления сети горных выработок, определяется по формуле

h=(P₁-P₂)+(Z₁γ₁-Z₂γ₂)+( ) (5.29)

Равенство (5.29) является общим выражением закона движения воздуха по горным выработкам.

В этом равенстве (P₁-P₂)-разность давлений, создаваемая вентилятором;

(Z₁γ₁-Z₂γ₂)-разность весов столбов воздуха, которая называется естественной тягой;

( )-скоростной напор;

Тогда получим

h=h_в±h_е±h_ск (5.30)

Из равенства (5.30)следует, что разность давлений, расходуемая вентилятором на преодоление сопротивления сети горных выработок движущимся по ним воздухом, слагается из перепада давления, создаваемого вентилятором, естественной тягой и скоростным напором. Причем в общем случае естественная тяга может способствовать или противодействовать работе вентилятора, входное и выходное сечение потока могут отличаться по величине, что учитывается знаком перед h_{е и} h_ск

Сопротивление трения

Рассмотрим случай движения воздуха по прямолинейной горизонтальной выработке постоянного сечения. В потоке движущегося по горной выработке воздуха действуют как силы трения, вызванные влиянием вязкости, ток и силы давления на погруженные в поток выступы шероховатости. То есть силы трения, и силы давления распространяются по всей поверхности выработки и везде проявляются совместно. На практике обе силы оценивают совместно и называют сопротивлением трения.

В условиях горных выработок основное сопротивление движению воздуха оказывают элементы крепи. Поток воздуха, подойдя к элементу крепи, поджимается, в результате чего лобовая часть элемента испытывает давление. За элементом крепи вследствие срыва потока образуется свободная струя и мертвая зона, заполненная воздухом, находящимся в вихревом движении. Далее в зависимости от расстояния до следующего элемента крепи либо находится, либо область ограниченного потока, либо начинается его поджатие.

Тема №8

ШАХТНЫЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ.

Диагональным называется соединение выработок, при котором две параллельные выработки соединяются между собой, кроме начального и конечного пунктов, еще одной или несколькими дополнительными выработками называемыми диагоналями. А под диагональю понимается такая ветвь-выработка, направление движения воздуха в которой может измениться на противоположное при изменении аэродинамического сопротивления других ветвей.

Диагональные соединения бывают простые и сложные. Диагональное соединение с одной диагональю называется простым (рис.6.11), двумя и более сложным (рис.6.12).

При обычном ведении горных работ аэродинамическое сопротивление выработок, может изменяться до величин в 15-20 раз от первоначального, а при авариях изменения могут быть более значительными. Поэтому в диагоналях может происходить самопроизвольное опрокидывание вентиляционной струи, что не только не желательно, но и может быть причиной аварии.

Относительно просто аналитическими методами рассчитывается лишь простое диагональное соединение.

Графический метод

Систему уравнений (6.57) (6.58) можно решить графически. Для этого, задаваясь произвольным значением «Y» (например 1,2,3 и т. д.) и подставляя его в равенство (6.57) находим значение «Х». По полученным данным строим гиперболу, описываемую уравнением (6.57).

Аналогично задаваясь произвольным значением «х» и подставляя их в уравнение (6.58) получаем значение «y» и строим гиперболу, описываемую уравнением (6.58). Координаты точки пересечения этих графиков и дадут решение системы.

Пример расчета

Заданы сопротивления ветвей простого диагонального соединения и общая депрессия соединения. Определить, расходы воздуха во всех ветвях соединения и сделать проверку полученного результата, используя второй закон расчета вентиляционных сетей

Дано: R₁=0.8 km; R₂=0.12 km; R₃=0.2 km; R₄=0.36 km; R₅=0.45 km H=300 кг/м²

Определить; Q,q₁, q_2, q₃, q_4, q_5.

Решение задачи

Определим направление движения воздуха в диагонали 2-3.

В нашем примере R₁/R₃=0.8/0.2=4.0, а R₂/R₄=0.12/0.36=0.33, следовательно

> и воздух в диагонали будет двигаться от узла 3 к узлу 2. В этом случае, согласно, необходимо изменить обозначения сопротивлений ветвей диагонального соединения, так как показано на рис.6.14

Вычислим по равенствам (6.56) значения вспомогательных величин a,b,c,d.

a= =1.936 b= =0.75 c= =1.12 d= =1.5

С учетом полученных значений вспомогательных величин равенства (6.57) (6.58) можно записать в виде

x=0.75 (6.74) y= 1.12 (6.75)

Систему уравнений (6.74) (6.75) решаем методом последовательных приближений. Задаемся первоначальным значением x=x₀=1.5 и из уравнения (6.75) определяем значение y₁=2.17. По уравнению (6.74) определяем значение x₁=1.44 и т. д. y₂=2.14, x₂=1.43, y₃=2.13. Дальнейшие вычисления не имеют смысла. Окончательно принимаем x=1.43, y=2.13

Так как, по условию задачи задана общая депрессия соединения, то для определения общего расхода воздуха и потоков воздуха в ветвях необходимо определить, общее сопротивление диагонального соединения по формуле (6.72)

R₀= km

Определим общий расход воздуха в сети по формуле (6.73)

Q₀= =47.1 м³/с

Определяем поток воздуха в диагонали по формуле (6.60), а потоки воздуха в остальных ветвях по формулам (6.61-6.64)

q₅= м³/с

q₂=q_5*x=10.33*1.43=14.77 м³/с; q₃=q₅*y=10.33*2.13=22.0 м³/с

q₁=q₃+q₅=22.0+10.33=32.33 м³/с q₄=q₂+q₅=14.77+10.33= 25.1 м³/с

Проверяем правильность полученного распределения воздуха, используя второй закон расчета вентиляционных сетей.

Для контура 1-2-3-1 должно выполнятся равенство (6.53), а для контура 2-4-3-2 равенство (6.54)

0.8*14.77^2-0.45*10.33²-0.12*32.33²=0,07=0

0.2*25.1² - 0.36*22.0² +0.45*10.33²=-0,2=0

Незначительная невязка по депрессии связана с округлениями при вычислениях.

Пример расчета

Заданы сопротивления ветвей последовательно - диагонального соединения горных выработок (рис.7.1). Для проветривания сети установлен вентилятор ВОД-21, с углом установки лопаток рабочего колеса =40⁰. Определить расходы воздуха в сети и во всех ветвях соединения.

Рис.7.1 Схема к расчету распределения воздуха в ветвях последовательно-диагонального соединения горных выработок

Решение задачи.

1. Определяем число независимых уравнений для решения задачи, которое равно числу независимых контуров. Между числом независимых контуров, узлов и ветвей любой схемы существует следующая зависимость

К=В-У+1, (7.9)

где К- число контуров; В- число ветвей; У- число узлов.

В нашем примере К=6-4+1=3. Следовательно, используя равенство (7.9), необходимо составить три независимых уравнения. В это равенство входит алгебраическая сумма давлений, создаваемая вентилятором. В нашем примере это вентилятор ВОД-21 с углом установки лопаток рабочего колеса 40⁰. Для решения задачи необходимо аппроксимировать характеристику вентилятора. В области промышленного использования характеристика вентилятора достаточно точно описывается равенством

H=a-b*Q², (7.10)

где а- коэффициент, имеющий размерность и смысл депрессии;

b- коэффициент, характеризующий внутреннее сопротивление вентилятора.

Возьмем две точки, расположенные на концах рабочей характеристики вентилятора ВОД-21 при =40⁰

Рис.6.17 К пояснению аппроксимации аэродинамической характеристики вентилятора ВОД-21 с углом установки лопаток рабочего колеса 40⁰

Точка 1 на графике соответствует координатам Н₁=400, кг/м² Q₁=43 м³/с, а точка 2

Н₂=200 кг/м², Q₁=64 м³/с. Тогда можно составить два уравнения

400=а-b 43²

200=а-b 64²

Из этих равенств определяем, а=564, b=0.089 и характеристика вентилятора опишется равенством

Н=564-0.089 Q² (7.11)

Обозначим контура. Контур 1-й 0-1-3-4-5-0, контур 2-й 1-2-3-1, контур 3-й 2-4-3-2.

Составим расчетные уравнения для обозначенных контуров:

Для первого контура

∆q₁=- (7.12)

После незначительных преобразований, получим для первого контура

∆q₁=- (7.13)

В нашем примере R₀+R₆+b=0.154 кµ. Подставляя значения постоянных в равенство (6.88) получим формулу для расчета поправок в первом контуре

∆q₁=- (7.14)

Составим уравнение для расчета поправок во втором контуре

∆q₂= (7.15)

Подставляя значения сопротивлений в равенство (7.15), получим

∆q₂= (7.16)

Составим уравнение для расчета поправок в третьем контуре

∆q₃= (7.17)

После подстановки значений аэродинамического сопротивления ветвей, получим

∆q₃= (7.18)

Принимаем первоначальное, произвольное распределение воздуха:

Q=45м³/с; q₁₌25 м³/с; q₂=20 м³/с; q₃₌15 м³/с; q₄=30 м³/с; q₅=10 м³/с;

По формуле (7.14) определяем величину ошибки для первого контура. В нашем примере она будет равна 3.4 м³/с. Исправляем первоначально принятые значения воздуха в первом контуре

Q=48.4 м³/с, q₂=23.4 м³/с; q₄ 33.4 м³/с;

По формуле (7.16) определяем величину ошибки для второго контура. В результате расчета получим ∆q₂=3.3 м³/с. Исправляем первоначально принятые значения расходов воздуха во втором контуре

q₁=28.3 м³/с, q₅=13,3 м³/с, q₂=20,1 м³/с.

По формуле (7.18) определяем величину ошибки для третьего контура. В результате расчета получим ∆q₃=-1.8 м³/с. Исправляем первоначально принятые значения воздуха

q₃=13,2 м³/с, q₄=35,2 м³/с, q₅=15,1 м³/с.

Далее, снова выполняем расчет величины ошибки для всех контуров и исправляем расходы воздуха. Расчет повторяется несколько раз, пока последующие расходы воздуха будут отличаться от предыдущих расходов с требуемой степенью точности.

Результаты расчетов сводим в табл. 7.1.

Решение задачи №1

Определим необходимую настройку вентиляторов для подачи воздуха по крыльям шахтного поля в количестве Q₁, Q₂ .

Решение задачи осуществляется в следующей последовательности:

1. По уравнениям (10.61) (10.62) определяем необходимую депрессию вентиляторов Н₁, Н₂ ;

2. Используя равенства (10.63) (10.64) определяем внешние утечки воздуха вентиляторов 1, 2

q₁= (10.65) q₂= (10.66)

3. Определяем необходимую производительность вентиляторов Q_в.1, Q_в.2 по уравнениям (10.59) (10.60)

4. По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.

Решение задачи №2

Для схемы представленной на рис.10.9, методом настройки вентиляторов, определим какое максимальное количество воздуха можно подать в крыло R₂ при условии, что в крыло R₁должно поступать количество воздуха Q₁. .

Решение задачи

Запишем уравнения (10.61), (10.62) в виде

Н₁=R₀ (Q₁+Q₂)² + R₁ Q (10.67)

Н₂=R₀ (Q₁+Q₂)² + R₂ Q (10.68)

Так как Q₁=сonst задано то эти уравнения выражают зависимость депрессии обеих вентиляторов от одного переменного Q₂. Задаваясь произвольными значениями Q₂ по формуле (10.68) определяем ряд значений Н₂. По полученным данным на области промышленного использования (ОПИ) вентилятора 2 строим график зависимости Н₂=f (Q₂) (рис.10.10).

Так как производительность вентилятора складывается из подачи воздуха в шахту и внешних подсосов, то для определения его настройки необходимо выполнить графическое суммирование характеристики сети с характеристикой внешних утечек H₂=R_у.2 q . Задаваясь произвольными значениями q₂, строим характеристику внешних подсосов.

Выполняя графическое суммирование характеристики внешних подсосов с характеристикой шахты, получим характеристику вентиляционной сети H₂=f (Q_в.2). Абсцисса точки 1 пересечения этой характеристики с правой крайней характеристикой вентилятора 2 определяет максимальную в заданных условиях производительность последнего, а абсцисса точки 2 максимально возможную подачу в крыло R₂. Абсцисса тачки 3 определяет подсосы воздуха с поверхности.

Подставив полученное значение Q₂ в формулу (10.67) определяем необходимую депрессию вентилятора 1. По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.

Решение задачи № 3

Для схемы представленной на рис.10.9, определим настройку вентиляторов, для обеспечения максимально возможной и равной подачи воздуха в оба крыла шахты.

Так как Q₁=Q₂=Q то равенства (10.61) (10.62) можно записать в виде

Н₁=R₀ (Q+Q)²+R₁ Q²=(4 R₀+R₁) Q² (10.69)

Н₂=R₀ (Q+Q)²+R₁ Q²=(4 R₀+R₂) Q² (10.70)

Выражая из этих уравнений Q и прибавляя к ним выражения утечек воздуха из уравнений (10.65) (10.66) получим в соответствии с уравнениями (10.59) (10.60) следующие выражения производительности обоих вентиляторов через их депрессии

Q_в.1= (10.71)

Q_в.2= (10.72)

По полученным уравнениям строим графики Q_в.1=f (H₁) и Q_в.2=f (H₂) на соответствующих ОПИ вентиляторов и определяем максимально возможную производительность каждого вентилятора, а затем один из них подстраиваем под другой по меньшей производительности.

Решение задачи №4

Для схемы представленной на рис.10.9 при известной подаче воздуха в шахту Q₀ определить требуемую настройку вентиляторов для равной подачи воздуха по крыльям шахтного поля Q₁= Q₂=Q₀/2. При заданных условиях равенства (10.61), (10.62) можно записать в виде

Н₁=R₀*Q +R₁*(Q₀/2)² (10.73)

Н₂=R₀*Q +R₂*(Q₀ /2)² (10.74)

По равенствам (10.73), (10.74) определяем необходимую депрессию вентиляторов Н₁, Н₂. Используя уравнения(10.65), (10.66) определяем подсосы воздуха с поверхности, а по уравнениям (10.59), (10.60) – необходимую производительность вентиляторов, Q_в.1, Q_в.2. По полученным значениям Н₁, Q_в.1 и Н₂, Q_в.2 производим настройку вентиляторов 1, 2.

Общие положения и некоторые особенности проветривания тупиковых выработок и стволов

При строительстве и реконструкции шахт выполняется большой объем работ по проведению подготовительных и капитальных выработок. Проводятся стволы, сооружаются выработки камерообразного типа, а также пластовые и полевые выработки различной протяженности.

Организация и методы расчета проветривания всех выработок, независимо от их назначения имеют много общего. Однако каждый вид подготовительных выработок требует решения своих специфических вопросов проветривания, которые связаны с горнотехническими особенностями, возникающими при проходке.

Особенности проветривания тупиковых выработок по сравнению со сквозными выработками связаны с тем, что к их проветриванию предъявляются особо высокие требования. Они обусловлены следующим:

1. Высокой взрывоопасностью тупиковых выработок по сравнению со сквозными выработками, так как здесь большая вероятность накопления метана в больших объемах до взрывоопасной концентрации

2. Меньшей надежностью проветривания тупиковых выработок по сравнению со сквозными выработками, так как не исключена возможность повреждения трубопровода при обрушении пород кровли или отключение вентилятора местного проветривания;

3. Высокой опасностью разгазирования тупиковых выработок, что не однократно явилось причиной аварий с тяжелыми последствиями;

4. Трудностью подачи большого количества воздуха в забой тупиковой выработки в связи с большим аэродинамическим сопротивлением трубопровода, а, следовательно, скорость движения воздуха по самим выработкам незначительна, что приводит к образованию слоевых скоплений метана;

Примеры расчетов проветривания тупиковой выработки и ствола

Пример расчета проветривания

длинной тупиковой выработки рассредоточенной установкой вентиляторов

Исходные данные для расчета:

1. Длина тупиковой выработки L = 1150 м

2. Количество воздуха, которое необходимо подавать в забой Q_зп= 240 м³/мин

Для проветривания выработки используются металлические трубы, длина звена 4.0 м, диаметр 0.6 м. Согласно [5] (табл.5.7), аэродинамическое сопротивление трубопровода R_тр.ж=33.35 k . Уплотнение стыков осуществляется при помощи резиновых прокладок с обмазкой синтетической мастикой, тогда согласно [5] (табл.5.5), коэффициент удельной стыковой воздухопроницаемости K_уд.ст=0.0006.

Решение задачи

1. Определяем удельное аэродинамическое сопротивление трубопровода

r =R_тр.ж/L r =33.35/1150=0.029 /м.

2. Определяем коэффициент утечек воздуха по формуле (12.31)

К_ут.тр= 1.5

2. Определяем производительность первого вентилятора, считая от устья выработки по формуле (12.45)

Q₁=1.5 240=360 м³/мин или 6.0 м³/с

3. Определяем удельные утечки воздуха по формуле (12.46)

4. Определяем депрессию трубопровода по формуле (12.43)

h_в= =844 даПа

5. Для проветривания выработки принимаем вентилятор ВМ-8М. При его производительности Q₁=6.6 м³/с максимальный напор h₁=440 даПа (см. рис.12.15).

Рис.12.15 Аэродинамическая характеристика вентилятора ВМ-8М

6. Определяем, на какое расстояние первый вентилятор доставит необходимое количество воздуха, по формуле (12.44)

l₁= =488.5 м

7. Определяем расстояние между первым и вторым вентилятором по формуле (6.45). х₁=0.8 488.5=391 м.

8. Определяем необходимую производительность второго вентилятора по формуле (6.46)

Q₂=6.0- 0.00174 391=5.32 м³/с

9. По аэродинамической характеристике вентилятора ВМ-8М определяем его максимальный напор при производительности 5.32 м³/с h₂=445 даПа.

10. Определяем, на какое расстояние второй вентилятор доставит необходимое количество воздуха, по формуле (12.47)

l₂= =873 м

В результата расчета получено, х₁ + l₂=391+873=1264 м. , что больше проектной длины выработки. Следовательно, необходимо уточнить депрессию второго вентилятора и произвести его настройку. Схема рассредоточенной установки вентиляторов представлена на рис.12.16, откуда видно, что необходимая депрессия второго вентилятора определится по формуле

(6.49)

даПа

Из рисунка (12.16) видно, что необходимая настройка второго вентилятора h_2.ф=386 даПа и Q₂=5.32 м³/с будет достигнута, если установить лопатки направляющего аппарата под углом –10⁰.

ПРИМЕР РАСЧЕТ А ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫЕМОЧНОГО УЧАСТКА

Исходные данные для проведения расчетов.

Исходными данными для проведения расчетов являются:

1. Размер выемочного поля l_в.п, м 600;

2. Длина лавы l_оч, м 170;

3. Мощность разрабатываемого пласта m_п, м 0.95;

4. Расстояние от разрабатываемого пласта К₂ до спутников:

в почве пласта К₁ (М_н), м 18;

в кровле пласта К₃ (М_п), м 60;

5. Мощность спутников:

К₁ (m₁), 0.75,

К₃ (m₃), м 0.56;

6. Угол падения пластов, град. 27;

7. Природная метаноносность пластов и спутников Х_г, м³/т.с.б.м. 18;

8. Марка угля А, пластовая зольность А^з=15 %, влажность W^р=2.0 %, выход летучих веществ V^daf=8 % пластов и спутников;

9. Глубина разработки Н=840 м и глубина верхней границы зоны метановых газов Н₀,=240 м;

100. Плановая нагрузка на очистной забой А_оч:

наклонное падение 600*m_п,=600*0.95=570 т/сут.

11. Способ подготовки шахтного поля-этажный, система разработки –длинные столбы по простиранию;

12. Тип схемы проветривания выемочного участка-1-М-З-в-вт .

Для выемки угля в очистном забое предусматриваем применение механизированного комплекса КД-80 с комбайном 1К101.

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

1. Составить схему проветривания участка и начертить на листе формата А₂;

2. Рассчитать относительную и абсолютную метанообильность выемочного участка и очистного забоя;

3. Рассчитать максимально-допустимую нагрузку на очистной забой по фактору метановыделения;

4. Выбрать способы снижения метанообильности очистного забоя, если допустимая нагрузка по фактору метановыделения меньше плановой;

5. Рассчитать количество воздуха для проветривания очистного забоя и выемочного участка;

6. Рассчитать депрессию горных выработок выемочного участка.

Схема проветривания выемочного участка

Согласно заданию для проветривания выемочного участка принимаем схему проветривания типа 1-М-З-в-вт. Схема проветривания представлена на рисунке

Исходные данные для разработки проекта вентиляции шахты.

Для составления проекта новой или реконструируемой шахты необходимы следующие материалы:

1. Схема вскрытия, способ подготовки, система разработки шахтного поля и календарные планы развития горных работ;

2. Нагрузка на очистные забои, способы и темпы проведения подготовительных
выработок;

3. Данные геологоразведки об мощности и взаимном расположении пластов и пропластков угля, о их природной газоносности, а также данные технического и анализов углей: зольность, влажность, объемный вес, содержание летучих веществ.

При разработке проектов реконструкции действующих шахт используются материалы депрессионных и газовых съемок.

14.2 Содержание проекта проветривания шахт.

Проект вентиляции шахты состоит из следующих основных разделов:

1. Выбор способа, системы и схемы проветривания шахты и выемочных участков;

2. Расчет метанообильности горных выработок и проверка нагрузки на очистные
забои по условиям вентиляции;

3. Расчет и выбор средств проветривания тупиковых выработок;

4. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания отдельных забоев, участков, камер, утечек воздуха и для шахты в целом;

5. Расчет депрессии шахты и естественной тяги;

6. Расчет необходимой депрессии, производительности вентилятора главного проветривания и его выбор;

7. Расчет и выбор калориферной установки;

8. Подсчет стоимости проветривания.

Кроме перечисленных основных разделов в проекте вентиляции шахты при необходимости решаются такие специальные вопросы как:

1. Расчет предварительной дегазации пластов и спутников;

2. Разработка мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа;

3. Тепловые расчеты (кондиционирование).

Способы проветривания шахт

Под способом проветривания шахты понимают способ получения разности давлений, необходимой для перемещения воздуха по вентиляционной сети. Различают следующие способы проветривания шахт:

1. Естественный способ-обусловлен наличием естественной тяги;

2. Искусственный способ - при помощи вентиляторов.

Проветривание шахт только за счет естественной тяги запрещено правилами безопасности. Проветривание шахт должно осуществляться вентиляторами, установленными на поверхности и действующими непрерывно. Искусственный способ проветривания разделяется на:

Нагнетательный, всасывающий и комбинированный (нагнетательно-всасывающий).

РАСЧЕТ ДЕПРЕССИ ШАХТЫ

Для выбора вентиляторной установки необходимо определить минимальную и максимальную депрессию шахты в течение первого периода ее эксплуатации, который принимается равным сроку службы вентилятора главного проветривания (15-25 лет). Минимальная и максимальная депрессия шахты определяются на основе анализа динамики горных работ, при этом устанавливается наиболее легкий и наиболее

тяжелый периоды проветривания шахты.

Минимальная и максимальная депрессия шахты рассчитывается по струе наибольшего сопротивления. Струя наибольшего сопротивления определяется на основе схемы проветривания шахты, а при необходимости производятся расчеты депресси по нескольким параллельным струям. Для выбора вентилятора принимается максимальное значение депрессии для наиболее легкого и наиболее тяжелого периодов проветривания шахты. При этом максимальная депрессия, как правило, не должна превышать 300 даПа. Для сверхкатегорных шахт и опасных по внезапным выбросам, а также шахт с производственной мощностью 4000 т/сут и более - 450 даПа. Для действующих шахт при доработке запасов на глубине более 700 м и разрабатывающих пласты не склонные к самовозгоранию допускается депрессия до 800 даПа. Минимальная и максимальная депрессия шахты определяется по формуле

h_ш=h_п.в.+h_к.в.+h_к+h_к.к (16.1)

где h_n _в - депрессия подземных выработок направления по струе наибольшего сопротивления. Определяется как сумма депрессий отдельных последовательно соединенных ветвей, входящих в направление, от устья воздухопадающего ствола до входа в канал вентиляторной установки.

h_n_.в=l.l (h₁+h₂+ +h_n) (16.2)

1.1- коэффициент, учитывающий местные сопротивления;

h_n_. - депрессии отдельных выработок;

h_к.в - депрессия канала вентиляторной установки, принимается равной 0.11 h_п.в;

h_к - депрессия воздухонагревателей;

h_к.к - депрессия канала воздухонагревательной установки.

Поэтому правильное и своевременное управление воздухораспределением при пожарах имеет решающее значение, т.к. позволяет спасти людей, до минимума свести ущерб от возникновения пожара и предупредить или ограничить его распространение.

Требования правил безопасности к контролю вентиляции шахт

Вентиляция шахт характеризуется значительной динамикой параметров определяющих качество и состояние проветривания. Поэтому состояние вентиляции шахт систематически контролируется.

В соответствии с действующими ПБ систематическому контролю подлежат следующие параметры вентиляции:

1. Расход и скорость движения воздуха, проходящего по выработкам и через каналы вентиляторов;

2. Концентрация кислорода и углекислого газа - во всех случаях анализа состава воздуха;

3. Концентрация метана – при анализе состава воздуха в газовых шахтах;

4. Концентрация окиси углерода - при разработке пластов склонных к самовозгоранию;

5. Концентрация окислов азота – при анализе состава воздуха после взрывных работ;

6. Концентрация водорода в зарядных камерах;

7. Температура воздуха;

8. Относительная влажность воздуха при его температуре более 20⁰ С.

Кроме этого производится контроль режима работы вентиляторов главного и местного проветривания.

Результаты контроля по всем его видам заносятся в соответствующие книги и журналы, а основные его параметры наносятся на вентиляционные планы.

Требования ПБ к контролю концентрации метана.

Согласно ПБ контроль концентрации метана в газовых шахтах должен производится во всех выработках, где может выделяться или скапливаться метан. Места и периодичность замеров устанавливаются начальником участка ВТБ и утверждаются главным инженером шахты. При этом должны выполнятся следующие требования:

1. У забоев действующих тупиковых выработок, в исходящих вентиляционных струях тупиковых выработок и выемочных участков замеры концентрации метана должны выполняться сменными руководителями работ участков, бригадирами (звеньевыми), работниками участка ВТБ.

При отсутствии автоматического контроля содержания метана замеры должны выполнятся: в шахтах 1-й и 2-йкатегорий-не менее дух раз в смену, в шахтах 3-й категории и выше- не менее трех раз в смену. Один из замеров должен выполняться в начале смены. При этом не реже одного раза в смену замеры должны выполнятся работниками участка ВТБ.

При автоматическом контроле содержания метана при помощи только переносных приборов работники участка ВТБ должны выполнять замеры в шахтах 1-й и 2-йкатегорий- не реже одного раза в сутки, в шахтах 3-й категории и выше не реже одного раза в смену. В тупиковых выработках и на выемочных участках шахт 3-й категории и выше, оборудованных стационарной автоматической аппаратурой контроля содержания метана, работники участка ВТБ должны выполнять замеры не реже одного раза в сутки;

2. В поступающих в тупиковые и очистные выработки и выемочные участки вентиляционных струях, в недействующих тупиковых и очистных выработках и их исходящих струях, в исходящих вентиляционных струях крыльев и шахт, а также на пластах, где выделение метана не наблюдалось, и в прочих выработках замеры концентрации метана должны выполняться работниками участка ВТБ не реже одного раза в сутки;

3. В машинных камерах замеры концентрации метана должны выполняться сменными должностными лицами участков или персоналом, обслуживающим камеры, не реже одного раза в смену и работниками участка ВТБ - не реже одного раза в сутки.

4. В стволах, переведенных на газовый режим, контроль концентрации метана должен осуществляться работниками участка ВТБ. При автоматическом контроле содержания метана при помощи только переносных автоматических приборов работники участка ВТБ должны выполнять замеры концентрации метана не реже одного раза в смену, при использовании стационарной автоматической аппаратуры- не реже одного раза в сутки.

Результаты замеров заносятся на доски замеров в наряд путевки и в Книгу замеров метана и учета загазирований.