Способ проветривания горных выработок

 

Изобретение относится к горному делу. Задачей изобретения является повышение безопасности людей, находящихся в горных выработках, и снижение экономических затрат на проветривание горных выработок. Для этого аналитически рассчитывается аэродинамическая характеристика перемещающегося по горным выработкам дополнительного источника тяги (автомобиля, пассажирского и грузового поездов и т.п.). При этом учитываются геометрические и аэродинамические параметры дополнительного источника тяги и горной выработки, по которой перемещается этот источник. Затем эта характеристика учитывается при расчете вентиляционной сети. Это позволяет более объективно определить воздухораспределение по отдельным ветвям вентиляционной сети. 2 табл.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для проветривания горных выработок вентиляционных сетей различных рудников и метрополитенов.

Известен способ проветривания тоннелей метрополитена /1/ за счет давления, создаваемого движущимися поездами.

Недостатком этого способа является то, что отсутствие аэродинамической характеристики (развиваемого давления) дополнительного источника тяги (движущегося поезда) не позволяет производить расчет вентиляционной сети, т. е. определять распределение воздуха по отдельным ветвям вентиляционной сети в зависимости от геометрических размеров поезда или любого другого движущегося по горной выработке объекта (например, автомобиля) и самой горной выработки, в которой перемещается объект; скорости движения; аэродинамических сопротивлений отдельных ветвей (горных выработок) вентиляционной сети. Это может привести к тому, что фактическое воздухораспределение в отдельных ветвях вентиляционной сети будет значительно отличаться от проектного (резкое уменьшение подачи воздуха в отдельные ветви сети или даже опрокидывание воздушных потоков в отдельных ветвях вентиляционной сети). При этом снижается безопасность людей, находящихся в горных выработках, как при обычных, так и особенно при аварийных ситуациях. Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению является способ проветривания тоннелей метрополитена /2/, принятый за прототип, использующий создаваемое давление движущихся поездов с усилением этого давления путем установки примыкающих к станциям диафрагм, длиной 50-80 метров, уменьшающих площадь поперечного сечения тоннеля.

К недостаткам этого способа проветривания относится отсутствие аэродинамической характеристики (развиваемого давления) дополнительного источника тяги (движущегося поезда), что позволяет произвести расчет воздухораспределения по отдельным частям вентиляционной сети в зависимости от различных факторов, влияющих на развиваемое движущимся транспортом давление. К факторам можно отнести геометрические размеры самого движущегося объекта, горных выработок и различных дополнительных устройств (например, диафрагм), повышающих поршневой эффект, аэродинамическое сопротивления горных выработок и регулирующих устройств, скорости движения и месторасположение объекта в горной выработке, имеющие дополнительные устройства.

Все это может приводить не только к резкому уменьшению объемов воздуха, перемещающихся по отдельным ветвям вентиляционной сети, но и к опрокидыванию (изменению направления движения) воздушных струй в отдельных ее ветвях. И как следствие всего этого происходит снижение безопасности находящихся в горных выработках людей, т.е. повышение риска воздействия потенциальных опасностей, как в обычных, так и особенно в аварийных ситуациях.

Целью изобретения является повышение безопасности людей, находящихся в горных выработках, путем учета развиваемого давления (характеристики) дополнительного перемещающегося по горным выработкам источника тяги, которое используется при расчетах вентиляционных сетей известными методами.

Расчет воздухораспределения в ветвях (горных выработок) вентиляционных сетей производится под действием искусственных главных (вентиляторы главного проветривания), вспомогательных (стационарные подземные вентиляторные установки) и естественных источников тяги. Влияние же дополнительных перемещающихся по горным выработкам источников тяги (грузовые и пассажирские поезда, автомобили) при расчетах не учитывается.

Несмотря на небольшие по сравнению с главным источником тяги развиваемые давления дополнительным перемещающимся по горным выработкам источником тяги, в вентиляционных сетях, имеющих небольшие аэродинамические сопротивления ветвей (горные выработки или небольшой длины, или имеющие небольшие площади поперечного сечения), они могут вызывать значительное перераспределение воздуха по отдельным ветвям вентиляционной сети вплоть до опрокидывания воздушных потоков в них. Это подтверждается результатами исследований /1/ и многочисленных воздушных съемок в калийных рудниках Верхнекамского месторождения, проводимых авторами.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить безопасность людей, находящихся в горных выработках. Это достигается путем учета при расчете воздухораспределения по отдельным ветвям вентиляционной сети аэродинамической характеристики (развиваемого давления) дополнительного перемещающегося по горным выработкам источника тяги.

Способ осуществляется следующим образом.

Определяем давление h, развиваемое движущимся объектом (поездом, автомобилем и т.п.) в горной выработке. Оно складывается из избыточного давления при набегании объекта на движущийся по горной выработке воздушный поток h_н, разряжения, образующегося сзади объекта при обтекании его потоком воздуха h_р, и падения давления на преодоление сопротивления движению воздуха о поверхности предмета h_тр.о, т.е h = h_н + h_р + h_тр.о Давление h затрачивается на преодоление сопротивлений движению воздушного потока в горной выработке h_тр и трения воздушного потока о стенки горной выработки на расстоянии, равном длине движущегося объекта h_тр.в.

Тогда аэродинамическая характеристика движущегося объекта в горной выработке h_о будет иметь вид h_о = h_н + h_р + h_тр.о - h_тр - h_тр.в(1) В свою очередь члены уравнения (1) могут быть найдены, как где ρ - плотность воздуха, кг/м³; ϕ_н - коэффициент лобового сопротивления движущегося объекта; U_н = U_о - Q/S - скорость набегания движущегося объекта на движущейся по горной выработке воздушный поток, м/с; U_о - скорость движения объекта, м/с; Q - объем воздуха, перемещающийся по горной выработке при движении в ней объекта, м³/с; S - площадь поперечного сечения горной выработки, м²; ϕ_p - коэффициент разряжения; U_сб = U_о + U₁ - скорость сбегания с движущегося объекта (перемещения относительно объекта) воздушного потока, м/с; U₁ = Q_о/(S-S_о) - скорость движения воздушного потока в пространстве, ограниченном стенками горной выработки и поверхностями движущегося объекта, м/с; Q_о = U_о · S_о - Q - объем воздуха, проходящий мимо движущегося объекта, м³/с; S_о - площадь поперечного сечения движущегося объекта, м²; α_o и α_в - коэффициенты сопротивления трения поверхностей соответственно движущегося объекта и стенок горной выработки; P_о и P_в - периметры поперечного сечения соответственно движущегося объекта и горной выработки, м; L_о - длина движущегося объекта, м; R - аэродинамическое сопротивление горной выработки, даПас²/м⁶. Подставляя значения членов уравнения (1) из выражения (2), после группировки относительно Q и преобразования получим h_о = A + BQ + CQ²(3) где


Справедливость полученной характеристики подтверждается шахтными экспериментами, результаты которых приведены в табл. 1.

Фрагменты результатов расчета реальной вентиляционной сети добычного участка калийного рудника Верхнекамского месторождения приведены в табл. 2.

Знак "- " в табл. 2 показывает, что направление движения воздуха в выработке изменилось на противоположное, т.е. произошло опрокидывание (реверсирование воздушной струи).

Результаты, приведенные в табл. 2, наглядно показывают сильное влияние дополнительного движущегося источника тяги на воздухораспределение в элементах вентиляционной сети. При организации проветривания горных выработок не учитывать это влияние нельзя.

Источники информации
1. Н.П. Косарев, С.В. Белов. Исследование воздухораспределения в тоннелях метрополитена. // Изв. Вузов. Горный журнал. - 1990 - N 12, С. 75-77.

2. В. И. Стадухин. Новая концепция строительства метрополитена в Екатеринбурге. // Изв. Вузов. Горный журнал. - 1994. - N 11-12, С. 140-144.

Формула изобретения

Способ проветривания горных выработок, заключающийся в подаче воздуха путем создания давления передвигающимся по горным выработкам дополнительным источником тяги, отличающийся тем, что создаваемое давления определяют по формуле

где U_н - скорость набегания движущегося объекта на движущийся по горной выработке воздушный поток, м/с;
ρ - плотность воздуха, кг/м³;
ϕ_н - коэффициент лобового сопротивления движущегося объекта;
ϕ_p - коэффициент разряжения;
S, S₀ - площади поперечного сечения соответственно горной выработки и движущегося объекта, м;
α_o, α_в - коэффициенты сопротивления трения поверхностей соответственно движущегося объекта и стенок горной выработки;
P₀ и P_в - периметры поперечного сечения соответственно движущегося объекта и горной выработки, м;
Q - объем воздуха, перемещающийся по горной выработке при движении в ней объекта, м³/с;
L₀ - длина движущегося объекта, м;
R - аэродинамическое сопротивление горной выработки, даПа с²/м⁶.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2