3.1 Основные положения проектирования проветривания шахт

При проектировании шахт с учетом развития горных работ, принятой системы проветривания и изменения потребного количества воздуха составляют прогноз изменения необходимых давлений и расхода воздуха по годам на период до 20 лет, определяемый сроком службы вентиляторной установки.

Обычно этот прогноз представляется в виде графика (листе 2,а графической части проекта), на котором наносятся линии изменения давления p_sv во времени 1 и потребного расхода Q₁ воздуха 2. В качестве примера рассмотрено влияние на работу вентилятора развития работ от ствола к границам шахтного поля и двух горизонтов при постоянном за весь срок службы расходе воздуха Q₁.

Вентилятор выбирается из условия обеспечения максимального давления p_Svmax при потребном расходе воздуха Q₁. Рабочий режим определится точкой 5, получаемой пересечением характеристики 3 вентилятора с характеристикой шахтной сети 4 при максимальном сопротивлении в период В. Изменение характеристики сети в различные периоды приводит к изменению режима работы вентилятора и, главное, его подачи. Так, в начальный период эксплуатации А сопротивление шахтной сети мало, характеристика 6 ее более полога и в новом рабочем режиме (точка 8) вентилятор развивает при давлении p'_sv подачу Q₂, которая превышает необходимый из условий эксплуатации расход воздуха Q₁ и давление p_{sv min} Это ведет к перерасходу энергии (точки 9, 10 на кривой 7) N=f(Q) и к росту скорости воздуха в выработках, которая может превысить установленные правилами безопасности пределы.

Изложенным объясняется необходимость регулирования рабочих режимов установки. Рабочая область принятой установки при одной или нескольких частотах вращения ротора должна покрывать все необходимые вентиляторные режимы. Исследованиями установлено, что более чем в 90% случаев для установок главного проветривания глубина экономичного регулирования по статическому давлению должна быть не менее 0,8, по подаче — не менее 0,7.

Вентиляторная установка специальным каналом подключается к вентиляционному стволу, который используется и для других технологических операций, таких, как подъем полезного ископаемого или спуск и подъем людей, вспомогательных грузов. Для нормального проветривания шахты сооружения 1 (листе 2,б графической части проекта), примыкающие к вентиляционному стволу, герметизируются. Через неплотности 2, 3 и 4 в надшахтном здании и вентиляционных каналов при работе вентиляторной установки происходят подсосы (утечки) воздуха. В соответствии с нормативными документами при проектировании проветривания шахты подсосы, в зависимости от того, какие технологические операции обеспечивает вентиляционный ствол, принимаются равными 10—30% от общешахтного расхода воздуха. В ряде случаев фактические подсосы существенно превышают нормативные. Подсосы можно рассматривать как параллельную по отношению к шахтной сети ветвь. Если характеристика шахтной, сети, имеет вид, кривой. 6, а характеристика подсосов — 5, то суммарная характеристика сеть — подсосы получится сложением расходов при одинаковых давлениях (кривая 7). Аэродинамическая характеристика установки имеет вид кривой 8. При отсутствии подсосов рабочий режим системы сеть — вентиляторная установка определяется координатами точки А. В шахту подается количество воздуха Q_ш.

При наличии подсосов рабочий режим системы характеризуется координатами точки В. Подача вентилятора Q_b увеличивается, а создаваемое давление снижается. Потребляемая вентилятором мощность N и статический к.п.д. η_s в зависимости от характера кривых N=f(Q) и η_s=f(Q) могут расти или уменьшаться. При наличии подсосов расход воздуха в шахтной сети определяется точкой С, снижается до Q'_ш и, следовательно, ухудшается проветривание шахты. Степень снижения расхода в шахтной сети при одинаковой характеристике подсосов будет тем больше, чем круче кривая p_sv=f(Q). Например, если аэродинамическая характеристика установки имеет вид кривой 9, то рабочий режим системы при наличии подсосов будет определяться координатами точки В'. В шахту в этом случае будет подаваться количество воздуха Q"_ш<Q'_ш, соответствующее точке С.

Установки изготавливаются на различные номинальные значения p_sv = p_svhom и Q = Q_hom. Для оценки крутизны характеристики в общем случае необходим безразмерный комплекс. Его роль вблизи номинальных режимов может выполнять параметр относительного снижения статического давления

здесь p_sv — произвольное давление по характеристике, проходящей через точку с номинальными параметрами;

Q — соответствующая этому давлению подача.

С ростом подачи, по отношению к номинальной, для всех вентиляторных установок статическое давление снижается. Обработка данных для серийно выпускаемых центробежных вентиляторных установок свидетельствует, что К_к = - (1,14 - 1,46); для осевых вентиляторов К_к = - (1,65-5-2,03), а для вентиляторной установки ВОД-16П К_к = - 3,54.

Изложенное свидетельствует, что подсосы имеют большее влияние на проветривание шахты, оборудованной осевыми вентиляторами. Это следует учитывать при разработке мер по герметизации.

Практически в любой шахтной вентиляционной сети действует естественная тяга. Природа ее возникновения обусловлена разностью температур в подающем и вентиляционном стволах. Зимой в шахту поступает холодный воздух. В соответствии с ПБ калориферные установки должны обеспечить его подогрев всего до 275 К (+2⁰С). В шахте температура воздуха растет (тепловыделение пород, работающих механизмов). При Т=275 К плотность воздуха выше плотности при Τ=299 К почти на 9%.

При равенстве плотностей воздуха в обоих стволах (1 и 2) (листе 2,в графической части проекта) характеристика шахтной сети будет p_c=pQ² (кривая 3), а характеристика вентилятора — кривая 4. Рабочий режим определится координатами точки А и в шахту поступит расход воздуха Q_ш.

Температура и влажность воздуха в вентиляционном 1 и подводящем 2 стволах обусловливают различную плотность воздуха, что приводит к изменению аэродинамических характеристик шахтных сетей. Если плотность воздуха в вентиляционном стволе больше, чем в подающем, что обычно бывает в летнее время, то уравнение характеристики сети будет p_c = RQ²_ш + gH(р₂ - р₁) и она примет вид кривой 5 (Н — глубина шахты). Второе слагаемое gH(р₂ - р₁)=Δp' — превышение давления столба воздуха в вентиляционном стволе. Рабочий режим определится точкой В, и расход воздуха в шахту снизится до Q'_ш. В данном случае естественная тяга снижает эффективность проветривания шахты.

Если плотность воздуха в подводящем стволе больше, чем в вентиляционном, что обычно бывает в холодное время года, то характеристика внешней сети примет вид p_c=RQ²_ш - gH (p₁ - р₂), кривая 6. Здесь давление gH (p₁ - р₂) = Δρ" способствует преодолению сопротивления шахтной сети. Рабочий режим определится координатами точки С. Расход воздуха в шахту увеличится до· Q"_ш . При остановке вентилятора расход воздуха в шахту будет равен Q_E . Давление, создаваемое столбом холодного воздуха в подающем стволе, выше давления в вентиляционном. Эта разность и равна естественной тяге. Она тем больше, чем глубже стволы и больше разность температур в них. В отдельных случаях естественная тяга может достигать 1000 Па.