ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ ШАХТЫ УПРАВЛЕНИЕМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА

АННОТАЦИЯ

При добыче золотосодержащих руд в шахтах количество воздуха в вентиляционной сети шахт увеличивается пропорционально изменению топологии горных выработок и углублению шахт. В статье рассмотрены выбор модели вентиляционной сети, способы регулирования притока воздуха в шахту, предотвращения внешних и внутренних утечек воздуха, снижения аэродинамического сопротивления, а также обоснованы применение оборудования и устройств для управления потоком воздуха.

ABSTRACT

When mining gold ores in mines, the amount of air in the mine ventilation network increases in proportion to the change in the topology of the mine workings and the deepening of the mines. The article discusses the choice of a ventilation network model, methods for regulating air flow into the mine, preventing external and internal air leaks, reducing aerodynamic drag, and also substantiates the use of equipment and devices to control air flow.

Ключевые слова: шахта, вентиляция, поток воздуха, депрессия, скорость воздуха, горизонт, вентилятор, регулирования, вентиляционная сеть, расход воздуха, аэродинамическое сопротивление, воздушные преграды, отводящий канал, продольная перегородка, перемычка, воздухораспределения.

Keywords: shaft, ventilation, air flow, depression, air speed, horizon, fan, regulation, ventilation network, air flow, aerodynamic resistance, air barriers, outlet channel, longitudinal partition, jumper, air distribution.

Введение

Основные задачи концентрации горных работ на рабочих горизонтах рудника – это обеспечение выполнения производственной программы, рост производительности труда, снижение себестоимости продукции и повышение безопасности на рабочих местах, решение осложнённых вопросов проветривания рудника.

Из хронометражных исследований рудников АО НГМК установлено, что с углублением горных работ управление вентиляцией рудника усложняется. Подаваемый в рудник воздух по выработкам и очистным блокам распределяется неравномерно, чему способствует весьма сложная и сильно разветвленная сеть горных выработок, особенно в случаях одновременной отработки нескольких горизонтов.

Одним из актуальных направлений решения задач обеспечения эффективного и безопасного проветривания является одновременное управление процессом работы главной вентиляторной установки (ГВУ) и другими системами регулирования воздухораспределения и воздухоподготовки, а также указывают на необходимость разработки методов и средств оптимизации размещения дополнительных источников тяги воздуха, местных регуляторов в вентиляционной сети для системы автоматизированного проектирования вентиляционных систем.

Решение задачи регулирования воздухораспределения, проектирования вентиляции и моделирования аэрогазодинамических процессов в вентиляционных сетях шахт и рудников отражены в работах учёных стран СНГ и зарубежных [1-6] С.В. Цой, Б.П..Казаков, Н.О. Каледина, В.Б.Комаров, С.А. Козырев, Ю.В. Круглов, С.С. Кобылкин, Н.Н. Мохирев, К.З. Ушаков, А.В. Осинцева, А.Н. Щербаня, Z. Aitao, P.F. Linden и другие.

При установившихся вентиляционных режимах постановка задачи об установлении распределения воздуха по выработкам вентиляционной сети базируется на известных законах аэродинамики. При расчётах применения продольных перегородок и перемычек нами принять следующие аналитические зависимости [4,5]:

Закон сопротивления в каждой j-й ветви:

                                                                             (1)

Закон сохранения масcы воздушных потоков в узлах:

                                                                               (2)

Закон сохранения энергии воздушных потоков в контурах:

                                                                  (3)

где i, j - номер узла и номер ветви соответсвенно; h - депрессия ветви, Па; R - аэродинамическое сопротивление ветви, Н·с²/м⁸; Q - объемный расход воздушного потока, м³/с; h_в – депрессия вентиляторов, Па; h_e - депрессия естественной тяги в контуре, Па; ρ - средняя плотность воздуха в ветви, кг/м³; ε - коэффициент направления воздушного потока (для первоначально принятого направления ε=1; для противоположенного направления ε=-1).

В уравнении (4) депрессии вентиляторов рассчитываются по их напорным характеристикам, выраженным, в общем случае, в виде:

                                                 (4)

При этом, в большинстве случаев, для практических расчетов достаточно использовать первые три члена полинома (4). Уравнения (1)-(4) решаются как система уравнений с использованием методов теории графов и численных методов.

Материалы и методы.

Исследование схемы проветривания шахты по системным параметрам рудника «Гужумсай» производилось по методике, предложенной кафедрой рудничной вентиляции и охраны труда Ленинградского горного института, временной инструкцией по расчёту количества воздуха, необходимого для проветривания рудных шахт и методических указаний по производству воздушно-депрессионных съёмок и обработки их результатов на рудниках цветной металлургии [8].

Существующая схема проветривания и вентиляционная система рудника «Гужумсай» представляет собой единую сеть подземных горных выработок, проветривание которых обеспечивается двумя вентиляционными установками главного проветривания ВОД-30 и ВО-18/12АР. Схема проветривания - фланговая. Способ проветривания - нагнетательный.

Основные направления и объекты исследование системы проветривание рудника «Гужумсай» нами разделены на следующие элементы системного подхода которое отражено на рис 1.

Рисунок 1. Группы и подгруппы систематизации вентиляционных устройств

Главные вентиляторные установки установлены на устье ствола «6Г, и ЛВВ-1. Свежий воздух по стволу «6Г» поступает на гор. 820 м, 720 м, 660 м, 600 м, откуда после проветривания забоев выдаётся прямо на НТС, а также на гор., 780 м, откуда поступает на поверхность по стволу шахты «№1». Свежий воздух с ЛВВ-1 поступает на гор. 840 м, 780 м, 720 м, откуда выдаётся на НТС.

Данные воздушной съёмки и анемометрических замеров, проведённых в горных выработках и на главных вентиляторных установках сведены в таблицa.

Таблица

Внутришахтные утечки воздуха

Расчётом установлено, что внутришахтные потери воздуха составили 22,0 м^з/с или 18,39 % от общего количества воздуха (119,6 м^з/с), подаваемого в шахту.

Результаты.

Результаты исследований приводится ниже на примере одного рудника Гужумсай. На основание данных предприятия нами установлено что, постепенно увеличивается производственная программа рудника с вовлечением в разработку новых горизонтов, панелей и очистных блоков, Развитие рудников осуществляется и по глубине, по ширине в пределах контуров золоторудных зон. В настоящее время в эксплуатации находится 4 рабочих горизонта +600м; +660м; +720м; и +780м, а на горизонте +540м ведутся подготовительно-нарезные работы, в которых требуется проведение интенсивного проветривания в связи с использованием в горных работах самоходных машин с дизельным приводом большим выбросам выхлопных газов и производстве взрывных работ.

Установлено, что с увеличением производственной мощности рудника резко меняется развитие длины горных выработок и количества действующих рабочих блоков в сторону увеличения и соответственно изменение топологии горных выработок. В этом случае пропорционально увеличивается длина поддерживаемых выработок с сложной аэродинамической характеристикой и длина пути протекания потока воздуха особенно для рабочих зон глубоких горизонтов.

В процессе исследований нами разработана упрощённая схема модели вентиляционной сети рудника Гужумсай, которая отображена на рисунке 2. На рис. 2 отображена разработанная сложная многоступенчатая диагональная модель вентиляционной сети рудника, с разделением потока воздуха по двум вентиляционным схемам вентиляции шахты с применением осевых вентиляторов ВОД-30 и ВО-18/12АР.

Рисунок 2. Упрощённая модель вентиляционной сети рудника «Гужумсай»

Схема проветривание нагнетательная с комбинированным фланговым способом вентиляции. На модели отображены направление потоков свежей струи и отработанных воздухов, точки сопряжения горных воздухоподающих и воздухоотводящих выработок, с соответствующим объёмом воздуха. Исследованием установлено что наибольшего эффекта достигается при способе доставки воздуха на нижние горизонты и распределения их по возрастающему принципу движения свежей струи воздуха.

В ходе работ нами отобран горизонт +600м для разработки модели вентиляционной сети горизонта разработки, в котором объединены данные группы сближенных рудных жил. В ходе были определены, что в одном горизонте и даже в одной рудной группы сближенных жил сосредоточены n-количество рабочих блоков. Для обеспечения, которых свежей струей воздуха в воздухоподающей выработке необходимо установит несколько воздухораспределительных сопряжений. Это обстоятельство намного затрудняет качественного обеспечения воздухом. Основным принципом воздухообеспечения является за счёт общешахтной депрессии, выполнение которого затруднено, поэтому для обеспечения добычных блоков с очень высоким аэродинамическим сопротивлением на производстве принята применение дополнительных источников тяги в виде вентиляторов местного проветривания.

Для решения этой проблемы предложено на этих этапах отработки в транспортном штреке устанавливать переносную шахтную вентиляционную перемычку. На конечном этапе перемычка будет препятствовать рециркуляции отработанного воздуха.

Для того чтобы определить периоды возведения перемычки, необходимо произвести предварительные расчеты [9,10].

1-вентилятор местного проветривания ВМЭ-6; 2- вентиляционная перемычка; 3-вентиляционная дверь с окном; 4-быстровозводимая вентиляционная перемычка изготовленных из конвейерных лент бывщего употребления; 5-быстровозводимая продольная перегородка изготовленных из конвейерных лент бывщего употребления; 6-самоходная горная машина с дизельным приводом.

Рисунок 3. Принципиальная модель вентиляции с применением источника тяги вентилятором местного проветривания и средствами управления потоком воздуха на участке

В этом случае также предварительно осуществляется расчет минимальной и максимальной значений естественных h_{e min} и h_{e max}. Однако при расчетах учитывается угол наклона камер относительно центральной оси выемочного штрека. В результате расчетов выбираются участки отработки выемочного участка, на которых требуется проветривание с применением вентиляторов местного проветривания (ВМП) и без их применения. В этом случае заранее можно задать режимы управления работой ВМП, в результате чего на этапе отработки панели (блока) появится возможность эффективно осуществлять его проветривание.

В этом случае предлагаемое устройство обеспечит надежную изоляцию горной выработки при малом объеме закачиваемого воздуха. На возведение устройства потребуется существенно меньшее количество времени. Один из вариантов указанного технического решения представлен на рисунке 8. Конструкция разработанной ШВП позволит обеспечивать быстрое ее возведение и перемещение на новое место.

Под конфигурацию рудников была разработана шахтная вентиляционная перемычка, представленная на рисунке 4.

1-полотно; 2-телескопические упоры; 3-вращающиеся мачты; 4-армирующий каркас; 5-салазки; 6-крепежные кольца; 7-пневморукав; 8 - застежки.

Рисунок 4. Принципиальное техническое решение по конструкции воздушной ШВП

Ниже приведены результаты полученные расчётом в программном пакете Solid Works Flow Simulation произведено математическое моделирование влияния быстровозводимых перемычек на процесс проветривания и воздухоподготовки.

Рисунок 5. Результаты моделирования скорости (а) и давления (б) воздушного потока при применение быстровозводимых перемычек

На основе анализа математических описаний процессов проветривания горных выработок можно сделать вывод, что в настоящее время в методологии проектирования вентиляции используется теории, основой которых являются формулы, полученные опытным путём для определённых горно- геологических условий.

Выводы

Установлено, что обоснование развития вентиляционной сети и повышения эффективности вентиляционных оборудований достигается разработкой и применением технических решений по повышению эффективности элементов системы воздухораспределения и управления движением потока воздуха.

В результате применения быстровозводимых перемычек и продольных перегородок изготовленных из конвейерных лент бывших в использовании на добычных участках, получено устойчивое регулирование и распределение потока воздуха в ответственных узлах вентиляционной сети и снижение внутренних утечек воздуха с 18-25 % потерь до 8-10 %, предотвращена необходимость изменения угла установки рабочих колёс до предельного максимума ГВУ с дополнительным расходом потребляемой электроэнергии главной вентиляторной установки и повышена безопасность развития ведения работ на нижележащих горизонтах.

Список литературы:

1. Цой, С. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями / С. Цой, Г. К. Рязанцев. Алма-Ата: Наука, 1968. 257 с.
2. Круглов, Ю. В. Методы совершенствования современных алгоритмов расчета стационарного воздухораспределения в вентиляционных сетях / Ю. В. Круглов // Материалы ежегод. науч. сессии 2007 ГИ Уро РАН. URL: http://www.mi-perm.ru/sess2007/sess2007-121.htm (дата обращения: 20.10.18).
3. Казаков, Б.П. Разработка систем нормализации микроклиматических параметров воздуха в горных выработках глубоких рудников Севера / Б.П.Казаков, А.В. Зайцев // Геомеханические и геотехнологические проблемы эффективного освоения месторождений твердых полезных ископаемых северных и северо-восточных регионов России: тр. II Всерос. науч.-практ. конф. / Ин-т мерзлотоведения СО РАН. Якутск, 2014. С. 262-266.
4. Козырев С.А., Осинцева А.В. Обоснование эффективных вариантов регулирования вентиляции подземного рудника и оптимизации параметров регуляторов посредством генетического алгоритма / А. В. Осинцева, С.А. Козырев // Вестник МГТУ. 2011. Т. 14, № 3. С. 530-534.
5. Кирин Б.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений (при строительстве). – Липецк: Липецкое издательство, 2000. – 456 с.
6. Мохирев Н.Н. Проветривание подземных горнодобывающих предприятий. -Перм, 2001. - С. 280.
7. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Обемное моделирование как метод исследования и управления термо- и аерогазодинамиcҳескими процессами на горных предприятиях // Горный информационно-аналитиcҳеский буллетен (ГИАБ). Труды международного науcҳного симпозиума «Неделя горняка -2013», 2013. - C. 149-156.
8. Садиков А., Баратов Б.Н., “Турғун машиналар”. Ўқув қўлланма. Тошкент, ТДТУ, 2013, 258 бет.
9. Э.Ш. Мусурманов, Структурний анализ управления вентиляцией шахт и рудников /Э.Ш. Мусурманов //Интернаука. –2017. –№11-1(15). –С. 71-74.
10. Мислибаев И. Т., Махмудов А., Мусурманов Э. Ш. Исследование и анализ системи вентиляции и вентиляционних оборудований глубоких горизонтов рудних шахт //Аcаdemic researsh in educational ssienses. – 2021. – Т. 2. – №. 12. – С. 446-450.