WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«Горбунов Сергей Андреевич ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ, АДАПТИВНЫХ, РАДИАЛЬНОВИХРЕВЫХ ПРЯМОТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ Специальность 05.05.06 – ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

Горбунов Сергей Андреевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА

ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ, АДАПТИВНЫХ, РАДИАЛЬНОВИХРЕВЫХ ПРЯМОТОЧНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

Специальность 05.05.06 – «Горные машины»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук Макаров Владимир Николаевич Екатеринбург – 2014 2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..

1. Анализ состояния, проблемы и критерии качества вентиляторов местного проветривания ……………………………………. 1.1. Требования, предъявляемые к системам вентиляции, оценка и анализ состояния проветривания угольных шахт …………………………….

1.2. Особенности вентиляционных режимов вентиляторов местного проветривания ………………………………………………………………… 1.3. Математическое моделирование вентиляционных сетей горных выработок……………………………………………………………………….

1.4. Методология проектирования систем вентиляции шахт с вентиляторами местного проветривания и критерии её эффективности…….

1.5. Требования, предъявляемые к вентиляторам местного проветривания и критерии их эффективности………………………………...

Выводы…………………………………………………………………… 2. Генезис повышения аэродинамической нагруженности и адаптивности вентиляторов местного проветривания …………………. 2.1. Основные этапы развития шахтного вентиляторостроения и совершенствования вентиляторов местного проветривания………………… 2.2. Механизм взаимодействия потока рабочей среды с проточной частью вентиляторов местного проветривания …………………………… 2.3. Активные методы управления течением в вентиляторах местного проветривания ……………………………………...

2.4. Обоснование эффективности энергетического управления течением в проточной части вентиляторов местного проветривания для повышения их аэродинамической нагруженности и адаптивности………… Выводы и предложения………………………………………………… 3. Графическая и аналитическая модели зависимости циркуляции и аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочногладких профилей от параметров адаптивного вихреисточника……………………………………………………………….





3.1. Методы аэродинамического расчета турбомашин с управляемой циркуляцией……………………………………………………… 3.2. Математическое моделирование зависимости циркуляции и аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей от параметров стока и источника ………………………………….. 3.3. Математическое моделирование зависимости циркуляции и аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей от параметров адаптивного вихреисточника……………………..

Выводы и рекомендации………………………………………………… 4. Математическая модель течения рабочей среды во вращающейся радиальной решетке кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками…………………………………………… 4.1. Графическая модель течения рабочей среды вращающейся радиальной решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками……………………. 4.2. Математическое моделирование вращающейся радиальной решетки аналитических кусочно-гладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками………………………………………………. 4.3. Разработка метода аэродинамического расчета вращающейся радиальной решетки кусочно-гладких профилей в форме отрезков логарифмической спирали с адаптивными вихреисточниками……………… 4.4. Анализ регулируемости вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками…………….. 5. Моделирование и экспериментальные исследования высоконагруженных, адаптивных аэродинамических схем радиальновихревых прямоточных вентиляторов местного проветривания………. 5.1. Критерии подобия течения потока в вентиляторе с адаптивными вихреисточниками в лопатках его рабочего колеса………… 5.2. Экспериментальное оборудование и методика исследований… 5.3. Методика определения показателей достоверности и погрешности экспериментальных измерений……………………………….

5.4. Результаты экспериментальных исследований вихревых камер, моделирующих адаптивные вихреисточники………………………………… 5.5. Экспериментальные исследования радиально-вихревых прямоточных аэродинамических схем …………………………………….. 5.6. Экспериментальные исследования регулируемости прямоточных вентиляторов местного проветривания с адаптивными вихреисточниками……………………………………………………………..

6. Основные направления совершенствования вентиляторов местного проветривания на период до 2020 года……………………… выработок……………..

6.2. Обоснование и предложение параметрического ряда блочномодульных вентиляторов местного проветривания типа ВРВП……….

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Обеспечение конкурентоспособности шахт на глобальном экономическом пространстве не возможно без ускорения темпов реструктуризации действующих и разработки новых шахт с учетом передовых достижений горной науки, внедрения современной горной техники.

Затраты на вентиляцию газообильных шахт в структуре себестоимости угля достигают 28 % в зависимости от горно-технологических условий. При этом ежегодно непроизводительные затраты электроэнергии вентиляторами местного проветривания (ВМП) на вентиляцию тупиковых выработок соизмеримы с их стоимостью.





Задачи научно-технического обоснования эффективной вентиляции и создания адаптивных ВМП постоянно в центре внимания ученых и специалистов в области горной механики, научно-исследовательских, проектных институтов и заводов горного машиностроения.

Среди них ведущее место занимают: НЦ ВостНИИ, «НИПИГормаш», ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ИГД СО РАН, ИГД им. А.А. Скочинского, НИИГМ им. М.М. Федорова, Донгипроуглемаш, ТЭМЗ, АМЗ «Вентпром», КМЗ, Сибэнергомаш.

Наиболее существенный вклад в решение указанных задач внесли ученые Г.А. Бабак, И.В. Брусиловский, А.И. Веселов, Б.Л. Герик, Г.И. Грицко, В.И.

Ковалевская, Н.П. Косарев, Е.М. Левин, Б.А. Носырев, В.С. Пак, В.В. Пак, Н.Н. Петров, Н.А. Попов, Т.С. Соломахова, Г.Г. Стекольщиков, В.А.

Стешенко, С.А. Тимухин, К.А. Ушаков.

Однако за последние годы в шахтном вентиляторостроении сформировались существенные проблемы, обусловленные недостаточной эффективностью проветривания очистных забоев угольных шахт.

Технические параметры ВМП не в полной мере соответствуют современным требованиям, предъявляемым к вентиляции тупиковых выработок. Увеличение нагрузки на очистной забой, ускоренный прирост длины тупиковых выработок требуют применения вентиляторов, обладающих большей аэродинамической нагруженностью и адаптивностью.

Из вышеизложенного следует, что повышение эффективности вентиляции тупиковых выработок, конкурентоспособности и безопасности угольных шахт на основе разработки высоконапорных, адаптивных ВМП является актуальной задачей, решаемой в диссертационной работе.

Диссертационная работа соответствует критической технологии «Энергосберегающие технологии межотраслевого применения», выполнена согласно тематическим планам научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «УГГУ» (Г. 5, Г. 24) и Государственных контрактов: № 7850р/11402, № 11359р/20551, № 7825р/11395.

Цель работы. Повышение эффективности вентиляции тупиковых выработок угольных шахт за счет увеличения аэродинамической нагруженности и адаптивности ВМП.

Идея работы. Разработка ВМП на базе круговых решеток кусочногладких профилей с адаптивными вихреисточниками, целенаправленно воздействующими на их эффективные критические точки.

Объект исследований. ВМП, используемые для проветривания тупиковых выработок угольных шахт.

Предмет исследований. Параметры адаптивных вихреисточников и их влияние на положение эффективных критических точек кусочно-гладких профилей круговых решёток и, как результат, на аэродинамическую нагруженность и адаптивность, создаваемых на их основе ВМП.

Методы исследований:

- анализ, обобщение и систематизация исследований КБ «Аэровент», «НИПИгормаша», ВостНИИ и результатов экспериментов, проведенных автором на шахтах, с использованием методов математической статистики и системного анализа;

- построение математической модели вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках выполнены с использованием теории радиальной решетки профилей, теории аэрогазодинамики тел со струями, теории турбулентных струй и пограничного слоя, метода конформного преобразования, теории функций комплексного переменного;

- основные результаты экспериментальных исследований получены с использованием методов корреляционного, регрессионного анализов и минимизации функций Бокса-Уилсона.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Параметры адаптивных вихреисточников, расположенных в угловых точках круговых решеток кусочно-гладких профилей влияют на положение их эффективных критических точек.

2. Аэродинамическая нагруженность ВМП, создаваемых на базе круговых решеток кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками в их угловых точках зависит от положения эффективных критических точек.

3. Вихревые камеры, обладая аэрогазодинамической связью с проточной частью ВМП, создаваемых на базе круговых решеток кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками, способствуют существенному увеличению их адаптивности.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработана математическая модель влияния параметров адаптивного вихреисточника на положение эффективных критических точек кусочногладких профилей круговой решетки;

- разработана математическая модель зависимости циркуляции, то есть аэродинамической нагруженности круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками от их параметров;

- разработана математическая модель радиальной решетки кусочногладких профилей произвольной формы с адаптивными вихреисточниками;

- разработана математическая модель идеальной аэродинамической характеристики радиальной решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками и исследована ее регулируемость.

Практическая ценность сформулированные в ней научные и технические основы разработки высоконапорных, адаптивных и экономичных ВМП позволяют:

- производить расчет и анализ показателей эффективности ВМП тупиковых выработок шахт и разрабатывать рекомендации по повышению их эксплуатационной экономичности;

- использовать предложенную систему показателей эффективности ВМП на стадии их проектирования;

- разрабатывать алгоритмы синтеза и проектировать радиально-вихревые аэродинамические схемы высоконапорных и адаптивных ВМП в соответствии с конкретными техническими заданиями;

- разрабатывать технические условия эксплуатации высоконапорных адаптивных ВМП.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- теоретическими исследованиями аэродинамики вентиляторов местного проветривания с адаптивными вихреисточниками;

- достаточной сходимостью результатов испытаний вентиляторов, выполненных по известным аэродинамическим схемам и с вихревыми камерами рабочих колес, предложенных в диссертации;

- точностью измерений и порогом чувствительности испытательных стендов, при которых с вероятностью 0,95 погрешность исследуемых параметров не превышает 0,5 %, а их изменений – 10 %.

Реализация результатов работы.

диссертационной работы использованы для:

- разработки и внедрения методики проектирования высоконагруженных адаптивных радиальных аэродинамических схем ВМП;

- составления технического задания на разработку конструкторской документации ВРВП-8, ВРВП-12;

- производства экспериментального образца ВРВП-6, опытнопромышленных образцов ВРВП-8.

Внедрение ВРВП-8, ВРВП-12 позволит повысить эффективность проветривания тупиковых выработок в условиях работы высокопроизводительных механизированных добычных комплексов на угольных шахтах России. Экономический эффект от эксплуатации ВРВП-8 на газообильных угольных шахтах составляет 0,32 млн. руб./год.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научнопрактических конференциях, приводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады IX, X, XII: «Технологии конструирования и эксплуатации горного оборудования»; на научных симпозиумах «Неделя горняка МГГУ» (г. Москва, 2012, 2013 гг.); на производственно-техническом совете компании «Южкузбассуголь» (г. Кемерово, 2009 г.); на производственно-практической конференции «Стратегические задачи модернизации и основные направления развития машиностроения Среднего Урала, как важного звена машиностроительного комплекса РФ на период до 2020» (г. Екатеринбург, 2008, г.).

Личный вклад состоит:

- в анализе причин низкой эксплуатационной эффективности ВМП угольных шахт;

- в обосновании идеи использования адаптивных вихреисточников как аэрогазодинамических аналогов параметров круговых решеток кусочногладких профилей, целенаправленно воздействующих на их эффективные критические точки.

- в разработке математической модели аэродинамики радиальной решетки кусочно-гладких профилей произвольной формы и профилей в форме отрезков логарифмической спирали с адаптивными вихреисточниками;

- в исследовании регулируемости идеальной аэродинамической характеристики вращающейся круговой решетки кусочно-гладких профилей с адаптивными вихреисточниками.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в научных работах, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России и патент на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего наименования, содержит 196 страниц машинописного текста, 39 рисунков, таблицы и приложение.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ, ПРОБЛЕМЫ И КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА

ВЕНТИЛЯТОРОВ МЕСТНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ

1.1. Требования, предъявляемые к системам вентиляции, оценка и анализ состояния проветривания угольных шахт Основным средством создания нормальных атмосферных условий в шахтах является проветривание, в значительной мере содействующее повышению производительности труда горнорабочих. Роль вентиляции возрастает с увеличением производственной мощности шахт и переходом работ на глубокие горизонты, так как при этом повышается газоносность месторождений, растет число пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, повышается температура горных пород, возрастает интенсивность выделения пыли, ухудшаются микроклиматические условия в горных выработках.

В связи с этим в шахты необходимо подавать большее количество воздуха при более значительном напоре, что вызывает увеличение его потерь.

Поэтому теоретическое и практическое решение вопросов повышения эффективности проветривания имеет важное значение при проектировании систем вентиляции шахт. Изучение этих вопросов представляет собой трудоемкую и сложную задачу, поставленную академиком А.А. Скочинским и созданными им научно исследовательскими институтами, разработку которой продолжил К.З. Ушаков.

Угольные шахты относятся к предприятиям с повышенной опасностью труда. Это обусловлено. В первую очередь, выделением метана, адсорбированного в угле, при его добыче. Удаление взрывоопасного газа из зоны забоя и прилегающих выработок проводится путем организации достаточной вентиляции выработок. Вентиляция также необходима для обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условия труда горняков.

Существенную роль в накоплении метана в выработках угольных шахт играют нестационарные процессы их вентиляции. Они возникают при изменении режима проветривания сети выработок, при установке вентиляционных шлюзов и других изоляционных сооружений, изменяющих потокораспределение воздуха в сети выработок. Во время нестационарных процессов вентиляции возможно возникновение слабо проветриваемых зон, в которых могут образовываться зоны слоевого и местного загазовывания метаном с высокой его концентрацией. Нестационарные аэродинамические процессы в сети выработок возникают при возникновении локальных очагов пожара и их развития. В этих условиях требуются оперативность и точность прогнозирования параметров загазовывания метаном выработок угольной шахты.

Обеспечение технико-экономической эффективности предприятий подземной угледобычи требует, с одной стороны, уменьшения числа действующих очистных забоев, с другой стороны, - повышения суточной нагрузки на лаву. Для решения этой задачи важнейшим условием является надежное управление газовыделением на выемочном участке, т.к. нагрузка на очистной забой является одним из основных факторов, влияющих на метанообильность выемочного участка: с ростом нагрузки существенно увеличивается абсолютная газообильность выемочных участков и шахты в целом.

Основным показателем, определяющим требования газового режима, является относительная газообильность шахты, которая для действующих угольных шахт России находится в диапазоне от 3 м3/т до 100 м3 на тонну.

При этом более 80 % шахт относятся к опасным по метану. Абсолютная газообильность шахт при этом составляет в среднем от 2,5 до 100 м3/мин, для шахт III категории и сверхкатегорийных – от 10 до 150 м3/мин.

В настоящее время в угольной промышленности России внедрение высокопроизводительных механизированных очистных комплексов, обеспечивающих нагрузку на лаву 20 тыс. т/сут. и более, - снова ограничивается «газовым барьером».

Этот термин впервые появился в научно-технической литературе в 70-х гг., когда производительность механизированных очистных комплексов на высокогазоносных пластах вышла на уровень 600-1000 т/сут. Потребности угольной промышленности в преодолении этого барьера привели к бурному росту исследований закономерностей выделения метана и разработке новых способов и средств управления газовыделением на выемочных участках.

Широкое распространение получили схемы вентиляции с, так называемым, «газоотсосом через выработанное пространство». Эти схемы позволяют эффективно управлять метановыделением в пределах выемочного участка. Но они являются высокоопасными, с точки зрения образования местных скоплений метана за пределами действующих выемочных участков, а также в отношении эндогенной пожароопасности, особенно при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию.

Мировой опыт свидетельствует, что на газовых шахтах для обеспечения высокой производительности современного очистного оборудования успешно используются, главным образом, Н-образные схемы вентиляции выемочных участков с дегазацией выработанных пространств, для которых в каждом конкретном случае требуется обоснование и соответствующий расчет.

Введение в действие в 2003 г. Федерального закона «О техническом регулировании» от 27.12.2002N 184, предусматривающего переход от отраслевых Правил безопасности к Техническим регламентам, повышает актуальность работ по восполнению указанного «пробела» в нормативнометодической базе по метанобезопасности угольных шахт. В первую очередь это относится к проектированию систем вентиляции.

Система вентиляции угольной шахты включает в себя схему вентиляции шахты, способ проветривания, источники тяги и регуляторы распределения воздуха. Основная цель функционирования данной системы – обеспечение эффективного проветривания, т.е. соответствия параметров рудничной атмосферы требованиям санитарно-гигиенических нормативов и норм обеспечения взрывобезопасности.

Расчет потребности в воздухе производится по основным определяющим факторам: вредным газам, тепловыделениям, горючим газам. Однако, удельный расход воздуха на газообильных шахтах, как правило, не отражает зависимости величины расхода воздуха от газовыделения в шахте.

Для безопасного проветривания в отношении тепло- или газовыделения при проектировании схем вентиляции необходимо учитывать не только действующие горные выработки, но и выработанные пространства и другие погашенные выработки. При проектировании высокопроизводительных участков выбор соответствующей схемы проветривания в значительной мере зависит от того, какой из факторов представляет собой наибольшую опасность: самовозгорание угля, метановыделение или тепловой режим. Для сверхкатегорийных шахт наибольшую опасность представляет собой метан, поэтому метанобезопасность при проектировании таких шахт является определяющим требованием.

Повышение производительности очистных забоев оказывает определяющее влияние на метановыделение в горные выработки. В первую очередь, это влияние выражается в значительном увеличении абсолютной метанообильности. Как показывает опыт, с ростом начальной газообильности темпы ее увеличения при возрастании нагрузки на лаву снижаются.

Относительная газообильность при возрастании нагрузки существенно снижается. Поэтому оценка метановой опасности высокопроизводительных шахт на основе показателя относительной газообильности не отражает реальной степени риска.

Процесс выделения метана, как известно, связан с десорбцией метана из добываемого угля и из вышележащих пород, пропластков и пластовспутников. Этот процесс имеет характерную динамику во времени, определяемую сорбционно-фильтрационными характеристиками угольных пластов. Поэтому увеличение интенсивности ведения горных работ приводит к тому, что время дегазации подрабатываемого массива в процессе выемки угля сокращается, в результате чего в пределах очистного забоя выделяется меньшее количество метана. При этом газовыделение продолжается в дальнейшем за пределами очистного забоя – в выработанное пространство, в общеисходящие струи шахт. Концентрация горных работ, таким образом, не означает, что относительная газообильность шахты в целом снижается.

Однако, с точки зрения борьбы с метаном, положительным фактом является большее рассредоточение газовых балансов выемочных участков.

Это связано с тем, что добываемый уголь интенсивно транспортируется из очистного забоя в выработки шахт, как правило, со свежей струей воздуха. В частности, как было отмечено отечественными исследованиями в значительной степени повышается доля газовыделения из транспортируемого угля. Это обстоятельство помогает решить вопрос дифференцированного разбавления метана, выделяющегося в систему горных выработок, и таким образом снизить отрицательные последствия концентрации горных работ, сказывающиеся на общем увеличении интенсивности газовыделения в единицу времени.

Тем не менее, резкое увеличение концентрированного поступления метана в горные выработки выемочного участка при нагрузках на очистной забой более 2000-3000 т/сут требует соответствующей концентрации средств борьбы с метаном, т.е. увеличения интенсивности таких основных средств борьбы с метаном, как вентиляция и дегазация.

Относительная эффективность подземной дегазации разрабатываемых пластов в условиях высоких нагрузок на очистные забои снижается. Это связано с тем, что дегазационные скважины, весь комплекс дегазационных устройств при высоких скоростях подвигания забоя действует в течение ограниченного времени и просто не успевает обеспечить значительное снижение газоносности пласта к моменту его выемки. И такой основной вид дегазации, как дегазация подземными скважинами, в условиях высокой интенсивности работ может обеспечить требуемую эффективность только при условии заблаговременного проведения работ. Снижению эффективности дегазации также способствует увеличение интенсивности вентиляции, поскольку дегазация подрабатываемых, надрабатываемых пластов-спутников и выработанных пространств в значительной степени связана с режимом вентиляции.

Компенсировать влияние объективных условий понижения эффективности подземной дегазации можно, конечно, путем повышения эффективности самого процесса дегазации. Как показывает опыт России и зарубежных стран, в основном Германии, Бельгии и Голландии, - повышение эффективности дегазационных систем, в условиях повышения производительности добычи угля, способно в значительной степени не только компенсировать негативное влияние высоких скоростей подвигания забоев на дегазацию, но и добиться общего повышения ее эффективности.

Такое повышение эффективности дегазации достигается, в основном, за счет повышения качества дегазационной техники и совершенствования всех элементов системы дегазации в техническом отношении, а также за счет налаживания оперативного контроля работы дегазационной системы. Весьма важным стимулом повышения эффективности дегазации является также необходимость использования каптируемого метана для промышленных целей.

В условиях высоких нагрузок возрастает эффективность дегазации угленосного массива, в том числе выработанных пространств, скважинами с поверхности, различные способы консервации метана в угольных пластах путем физико-химического воздействия на угольные пласты с целью повышения их проницаемости и газоотдачи. Данные, которые имеются к настоящему времени по эффективности способа дегазации угольных шахт с поверхности с использованием различных, в основном гидродинамических, воздействий на угольные пласты, показывают, что этим методом в среднем можно добиться снижения газообильности выработок примерно на 30-40%, а в отдельных случаях и выше. Однако горно-геологические условия залегания угольных пластов настолько разнообразны по своим параметрам, что рассчитывать на одинаково высокую эффективность применения данного способа в различных условиях невозможно. Кроме того, и в определенных конкретных условиях способ дегазации пластов с поверхности обладает тем недостатком, что зона обработки, как правило, существенно ограничена и вследствие этого в действительности имеет место большая неоднородность по эффективности воздействия. Весьма показательным является тотфакт, что наиболее значительный объем метана, отсасываемый через скважины, пробуренные с поверхности, как правило, наблюдается после прохождения линии очистных работ места заложения скважины, т.е. после разгрузки вмещающего массива горными работами.

Что касается экономических аспектов применения различных способов борьбы с метаном в угольных шахтах, то все методы, связанные с искусственным изменением сорбционно-фильтрационных характеристик пластов через скважины с поверхности, обладают гораздо более низкими экономическими показателями, чем вентиляция и подземная дегазация, так как требуют большого объема капитальных работ и стоимость удаления метана во много раз превышает стоимость, удаляемого подземной дегазацией и вентиляцией. Повышение эффективности вентиляции в условиях высоких нагрузок на очистной забой ограничивается пропускной способностью как очистного забоя и выработок выемочного участка, так и общей пропускной способностью вентиляционной сети шахты. Тем не менее, в условиях высоких нагрузок эффективность вентиляции, как средства борьбы с метаном постоянно повышается. Возможности этого повышения объективно заключаются в том, что использование вентиляции осуществляется с большими резервами. Вентиляция, как правило, рассчитывается на максимально плохие условия с точки зрения борьбы с метаном, т.е. по максимальному выходу метана в условиях высокой нестационарности его выделения. Предельно допустимые концентрации метана в воздушном потоке принимались ранее, исходя из существующих средств контроля концентрации и газовой защиты, которые отличались невысокой надежностью. Вполне логично, поэтому, предполагать, что в условиях высокой концентрации горных работ, при надежной системе мониторинга динамики метановыделения эти резервы могут использоваться более эффективно.

В отношении анализа по эффективности вентиляции и дегазации наиболее показательными являются данные по шахтам ФРГ, где достигнуто наилучшее соотношение между количеством метана, удаляемого в системах дегазации и вентиляции. Здесь количество метана, выносимое вентиляционной струей, возрастает примерно в такой же пропорции, что и количество метана, удаляемое средствами дегазации. Причем относительное распределение метана, приходящееся на долю дегазации и на долю вентиляции, в течение последних десятилетий остается неизменным: эти доли примерно равны. В остальных странах относительная доля метана, выносимого вентиляционным потоком, значительно выше.

Резюмируя приведенный выше краткий анализ возможностей способов управления метановыделением в угольных шахтах, можно констатировать, что вентиляция в ближайшей перспективе останется, безусловно, основным средством борьбы с метаном. В настоящее время на долю вентиляции приходится не менее 70 % удаляемого из горных выработок метана. В будущем, учитывая возможности повышения эффективности дегазации, можно ожидать, что на долю вентиляции будет приходиться не менее 50 % метана.

Анализ шахт по газовому балансу показывает, что основными источниками газовыделения для большинства шахт являются выемочные участки, при разработке мощных пластов большая весомость в общем газовом балансе шахты приходится на подготовительные выработки.

В пределах выемочного участка – основного объекта автоматического управления вентиляцией, газовый баланс определяется двумя главными источниками: разрабатываемым пластом и выработанным пространством. С точки зрения управления газовыделением, наибольшую трудность представляет выработанное пространство, которое является активной составляющей частью в газовом балансе выемочных участков шахт III категории и сверхкатегорных по газу, достигая 60 – 80 % от газообильности участка, а при использовании дегазации или изолированного отвода метана из выработанных пространств – до 90 % и более.

Применение любых способов дегазации увеличивает общую газообильность, особенно это касается дегазации подработанного массива, но при этом опасность загазирований при нормальной работе дегазационной системе существенно снижается. Таким образом, дегазация обеспечивает перераспределение потоков метана между шахтной и земной атмосферой, снижая долю первой составляющей и увеличивая долю второй. При этом возрастает ущерб, наносимый окружающей среде.

В связи с изложенным, вопросы повышения эффективности вентиляции приобретают особенно важное значение. Но для обеспечения высоких нагрузок на очистные забои, соответствующих возможностям современного добычного оборудования, необходимо на стадии проектирования осуществлять взаимоувязку систем вентиляции и дегазации – то есть проектировать единую вентиляционно-дегазационную систему.

Вопросы управления газовыделением относятся, главным образом, к выемочным участкам и определяют требования к схемам вентиляции участков, а также режимам вентиляции и дегазации. С точки зрения обеспечения общей безопасности и эффективности проветривания в целом всей системы горных выработок, важнейшее значение имеет общешахтная схема вентиляции.

Правильный расчет количества утечек воздуха на газообильных шахтах имеет большое значение, т.к. выработанное пространство является не только местом утечки воздуха, но и коллектором большого скопления метана, который при определенных условиях может вызвать быстрое загазирование рабочего пространства и быть причиной взрывов.

Для обеспечения взрывобезопасности необходимо совершенствовать способ прогнозирования дебита метана и расчет необходимого расхода воздуха. Дебит метана зависит от многих факторов, но основным является метаноносность источников его выделения. Недостоверные и заниженные данные о дебите метана могут приводить к ошибочному определению необходимого расхода воздуха, поэтому при расчете стоит учитывать тот фактор, что природная метаноносность в пласте в пределах шахтного поля или выемочного столба неоднородна.

В 1968 году А.Ф. Милетичем была высказана идея, что утечки воздуха через вентиляционные двери могут быть полезными в том случае, если они способствуют проветриванию расположенных за ним выработок. Исходя из этого, имеет смысл более глубокое исследование утечек воздуха. Например, заслуживает изучения вопрос, нет ли возможности применить утечки для создания равномерной концентрации метана в выработанном пространстве.

Исследования, проведенные на 32 пластах пологого, наклонного и крутого падения шахт Донбасса, при различных способах управления кровлей показали, что режим движения утечек через выработанное пространство не является постоянным. Считается, что вблизи лавы он турбулентный, а на расстоянии 100 – 200 м от лавы в выработанном пространстве он постепенно переходит в ламинарный. Таким образом, из-за неравномерности распределения утечек по выработанному пространству, а так же из-за неравномерного распределения метаноносности в пласте, определение мест скоплений опасных концентраций является весьма сложной задачей. Можно предположить, что использование устройства, генерирующего импульсы давления (пульсатор), распложенного вблизи выработанного пространства, позволит усреднить концентрацию в нем, то есть позволит создать управляемый массоперенос для перемешивания газо-воздушной смеси с метаном с целью управления концентрацией газа.

На угольных шахтах России применяются все основные типы схем вентиляции: центральная; комбинированная (центрально-фланговая);

центрально-сдвоенная; центрально-отнесенная; секционная. В начале 90-х годов прошлого столетия достаточно часто (примерно на 32 % шахт) применялись фланговая схема вентиляции, обладающая целым рядом преимуществ по сравнению с центральной схемой, и центрально-фланговая или комбинированная схема (около 35 % шахт), в меньшей степени центрально-сдвоенная схема (около 25 % шахт); в Кузбассе по центральной схеме проветривались 5 % шахт, по фланговой – 65 %, по комбинированной – 30 %. В процессе реструктуризации угольной отрасли и продолжающегося старения шахтного фонда, связанного с усложнением схем горных выработок, преобладающими становятся комбинированные схемы.

Наиболее целесообразными, с точки зрения управления вентиляцией, являются относительно простые схемы вентиляции – центральная, фланговая и секционная. Из этих схем весьма перспективной является секционная, однако в настоящее время она практически не используется. За рубежом для разработки газоносных месторождений угля используются, как правило, только фланговые схемы вентиляции: крыльевые и участковые. При небольшой протяженности шахтного поля или для проветривания секций (блоков) при использовании секционных систем вентиляции применяются центрально-отнесенные схемы.

Научно-обоснованное проектирование параметров и поддержание вентиляции на необходимом уровне при эксплуатации шахты является основной обеспечения её производственной мощности и безопасности горных работ. Перемены, происшедшие в течение последних десятилетий в горнотехнических условиях разработки угольных пластов, обусловили значительные изменения и в шахтных вентиляционных системах.

Увеличились разветвленность сети горных выработок, длина отдельных вентиляционных ветвей и их аэродинамическое сопротивление, общий проветриваемый объем шахты. С увеличением нагрузки на забой и шахту возросло и стало более динамичным выделение метана в выработке, усложнилось регулирование шахтных вентиляционных потоков; увеличился расход воздуха в шахтах, и соответственно участилась совместная работа нескольких вентиляторов местного проветривания (ВМП), газоотсасывающих центробежных вентиляторов (ВЦГ) и вентиляторов главного проветривания (ВГП) в единой многосвязной комбинированной вентиляционной сети.

С целью единого методического подхода к оценке состояния проветривания шахт рядом разработчиков было предложено ввести понятие об обобщенных показателях качества шахтных вентиляционных систем [36, 81]. Такими показателями являются: депрессия шахтной вентиляционной системы с несколькими вентиляторами, в том числе ее составляющие по общей и газоотводящей вентиляции Pов Pгв; аэродинамическое сопротивление, преодолеваемое ВМП, ВЦГ и ВГП, Rов; Rгв; коэффициент полезного использования воздуха Кв; к.п.д. вентиляторов, работающих на вентиляционную систему, в; коэффициент полезного действия шахтной вентиляционной системы Кп; удельный расход энергии на проветривание шахты Eв; относительная подача ВМП, ВЦГ и ВГП, работающих на систему, в; загруженность вентиляционной системы воздухом Zв и концентрация метана в общей исходящей струе шахты См.

Комплекс предельных значений показателей следует рассматривать как современные требования к шахтным вентиляционным системам. Требования к шахтным вентиляционным системам должны соблюдаться при проектировании новых и реконструкции действующих шахт, с этими требованиями должны сравниваться показатели качества вентиляционных систем действующих шахт при оценке их состояния в процессе эксплуатации.

Соответствие всего комплекса показателей качества шахтной вентиляционной системы установленным требованиям означает, что возможности вентиляции данной шахты полностью удовлетворяют ее техническим условиям. При этом частные недостатки в проветривании отдельных выработок или участков действующих шахт должны устраняться в ходе оперативного контроля и организации вентиляционного процесса.

Отклонение отдельных фактических значений показателей от требуемых служит основанием для принятия решения о необходимости совершенствования вентиляции шахт или реконструкции шахтной вентиляционной системы и определения вида этой реконструкции.

В настоящее время проектирование шахт имеет существенные особенности, оказывающие прямое влияние на вентиляционные режимы. Так, если в шестидесятые годы среди вентиляционных систем преобладали одновентиляторные, то к девяностым годам примерно 75 % шахт имели многовентиляторные системы. Прежде всего, это связано с широким распространением центрально-фланговой, фланговой, а также и секционной схем проветривания шахт. Одним из основных факторов, влияющих на вентиляционные режимы шахт, наряду с применением многовентиляционных систем является увеличение площади поперечного сечения горных выработок.

Если в период до 1975 г. площадь сечения составляла примерно 6-8 м, то в настоящее время она возросла на 10-13 м. В соответствии с техническим развитием отрасли предполагается в ближайшем будущем предусматривать в проектах шахт площадь поперечного сечения выработок равной 15-17 м.

предусматривается конструирование рациональных вентиляционных систем, заключающееся в создании наиболее простой и надежной вентиляционной сети с минимальным числом вентиляционных сооружений, без диагональных соединений на основных ветвях и с наиболее эффективными схемами проветривания выемочных участков [91,92]. Большие перспективы имеет проектирование комбинированных вентиляционных систем, предполагающих совместную работу ВМП, ВГП и ВЦГ. Это способ проветривания существенно снизить затраты на вентиляцию, особенно для газообильных угольных шахт.

В связи с решением общей задачи об ускоренном развитии угольной отрасли основной упор должен был сделан на техническое переоборудование шахт. Для обеспечения необходимой производственной мощности действующих шахт весь вентиляционный фонд следует привести в соответствие с современными требованиями.

1.2. Особенности вентиляционных режимов вентиляторов местного Проветривание горных выработок газообильных угольных шахт является задачей, при которой возникают проблемы обеспечения необходимым количеством воздуха в исходящих выработках, рабочей зоне очистного забоя и т.д. Потребность в повышенном расходе воздуха на таких участках вызвана свойствами метана формировать опасные скопления при определенных параметрах воздушной струи и пространственных особенностей расположения горных выработок – наклонное залегание, высокие показатели аэродинамического сопротивления, удаленность от вентиляционных стволов и т.п. Наиболее известным и распространенным методом является увеличение скорости движения воздуха в выработках, где наблюдаются формирование скоплений метана, при этом расход воздуха может в разы превышать оптимальный расход, что приводит к ухудшению экономических и технологических показателей предприятия.

Увеличение расхода воздуха в нескольких ветвях, имеющих значительную протяженность, является в целом ущербным методом для общешахтной вентиляционной сети, так как далеко не всегда вся ветвь подвержена процессу формирования скоплений метана в ней. Как правило, только некоторые участки ветви имеют такую тенденцию. Однако современное положение дел по дезинтеграции скоплений метана в таких ветвях показывает, что увеличенный расход работает на всю ветвь, и на всей ветви идут энергетические потери воздушной струи.

Такое состояние вызывает необходимость поиска новых концептуальных подходов. Один из таких методов заключается в местном увеличение энергетических параметров воздушной струи только на участках, где возможно формирование скоплений метана. Такое воздействие возможно посредством различных технических устройств.

Техническое устройство, позволяющее изменять свойства воздушной струи, должно на некотором заданном участке горной выработки по своей сути увеличивать перемешивающие свойства, в том числе и за счет увеличения скорости потока воздуха. Применение обычного вентилятора – турбулизатора, как показал опыт, имеет ограниченное по протяженности воздействие на воздушный поток.

В исследованиях под руководством профессора Ушакова К.З., ученых ОАО «НЦ ВостНИИ» были определены оптимальные параметры применения устройств, типа Пульсатор. Максимальный радиус его действия до 300-320 м, радиус наиболее эффективного воздействия 100 м.

Для газообильных шахт основным показателем соответствия их производственной мощности возможностям вентиляции служит концентрация метана в общешахтной исходящей струе воздуха.

С учетом требований Правил безопасности и для обеспечения высокой производственной мощности шахты расчетная концентрация метана в общешахтной исходящей струе воздуха должна быть не более 0.75 % и не менее 0.5 %.

В газовых шахтах при схемах проветривания с погашением вентиляционных штреков на спряжениях погашаемых тупиков с лавами могут возникать повышенные концентрации метана. При высокой метанообильности необходим переход к другим схемам проветривания или отвод метановоздушной смеси из выработанного пространства за пределы участков при помощи вентиляторов- эжекторов.

Главной проблемой, возникающей при разработке газоносных угольных пластов высокомеханизированными добычными комплексами является обеспечение эффективного проветривания выемочных полей угольных шахт при интенсивном выделении метана в выработанное пространство искусственный газовый коллектор- из под, -надрабатываемого газонасыщенного углеводородного массива, газоносность которого возрастает с увеличением глубины разработки.

При отработке пластов пологого и наклонного падения с применением традиционных схем проветривания выемочных участков в комплексе с дегазацией выработанного пространства, могут образовываться газоопасные зоны: при возвратноточной схеме - на сопряжении очистной выработки с воздуховыдающей выработкой за счет выноса метановоздушной смеси из аэрогазодинамически активной зоны выработанного пространства; при прямоточной схеме - в объеме призабойного пространства, примыкающего к воздуховыдающей выработке, сохраняемой в выработанном пространстве для повторного использования, за счет утечек свежего воздуха.

Проблема разработки способов борьбы с метаном на основе управления газовоздушными потоками в выработанных пространствах с использованием ВМП впервые сформулирована акад. А.А. Скочинским. Эти способы проветривания выемочных участков использовались на шахтах США, Великобритании, ФРГ, Японии и СССР. На шахтах Кузнецкого, Донецкого и Карагандинского бассейнов при отработке свит высокогазоносных пластов разработан и внедрен комплексный способ управления метановыделением из выработанных пространств на выемочных полях, включающий совместное применение дегазации вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности, и перераспределение отводимой метановоздушной смеси между действующими выработками за счет общешахтной депрессии. Применение этого способа при газообильности выемочных участков 10-15 м/мин обеспечивает нагрузку на забой до 1000-1500 т/сут., однако функциональная и экономическая эффективность этого способа оказывается недостаточной.

Впервые для условий отработки крутых пластов столбами по падению без дегазации Г.Г. Стекольщиковым был предложен аэрогазодинамический способ снижения газообильности выемочных участков и предупреждения образования газоопасных зон в очистных выработках на основе аэрогазодинамической изоляции очистных выработок от выработанных пространств, достигаемой отводом метановоздушной смеси через аэрогазодинамически активные зоны обрушения локальным увеличением вентиляционного давления в системе действующих выработок выемочных участков. При этом метан, выделяющийся в аэрогазодинамически активное выработанное пространство, за счет регулирования избыточного давления отводится утечками воздуха, и при нагревательном способе газообильность выемочного участка определялась только газовыделением из разрабатываемого пласта [91,93].

Переход на нагнетательный способ проветривания позволил ликвидировать местные скопления с концентрацией метана 3.3-5.2 %, уменьшить газообильность выемочных участков в 2-6 раз и расход воздуха для проветривания выемочных участков в 2-3 раза. Проведенные исследования показали, что необходимая структура потоков в выработанном пространстве определяется не абсолютной величиной давления, а перепадом давления на границе области фильтрации.

Экспериментальное подтверждение эффективности применения предложенного способа управления аэрогазодинамическими процессами с использованием выработанного пространства как основного элемента вентиляционной сети, получено в условиях, когда все традиционные способы проветривания и снижения газообильности оказались неэффективны [55, 90].

Таким образом, комплекс шахтных вентиляторов, включающий и ВМП, осуществляющих проветривание газообильных угольных шахт должен обеспечивать такое поле распределений депрессий и расходов потоков в области, ограниченной выемочными участками и прилегающими к ним зонами выработанного пространства, при котором устраняются проявления метаноопасности и газового барьера.

Экспериментальными исследования показано, что аэрогазодинамически активными каналами являются выработанные пространства действующих и ранее отработанных лав.

В соответствии с этим предложена новая система комбинированной вентиляции, обеспечивающая решение проблемы снижения газообильности и предотвращения образования газоопасных зон в действующих выработках на базе управления метановоздушными потоками с допустимым содержанием метана на выемочных полях и метановыделением из выработанного пространства за счет изолированного отвода высококонцентрированной метановоздушной смеси совместным применением общешахтной и газоотводящей депрессии создаваемых ВГП и ВЦГ, а также применением в качестве «активного сопротивления» ВМП.

Сущность способа комбинированного проветривания с прямоточным отводом метановоздушной смеси заключается в раздельном удалении метана, поступающего из источников, определяющих газовый баланс выемочного участка. Метан, выделяющийся из разрабатываемого пласта в очистную выработку, удаляется вентиляционной струей по системе действующих выработок, а метан, выделяющийся в выработанное пространство, отводится через аэрогазодинамически активные зоны обрушенных пород кровли в газоотводящие выработки. При этом поступающий на выемочный участок воздух разделяется на два потока.

Прямым потоком, величина расхода которого определяется максимальным газовыделением из разрабатываемого пласта, проветривается очистная выработка по возвратноточной схеме за счет общешахтной депрессии.

Вторым потоком, величина которого рассчитывается из условия создания аэрогазодинамической изоляции атмосферы очистной выработки от выработанного пространства, обеспечивается прямоточный сепарированный отвод высококонцентрированной метановоздушной смеси через аэрогазодинамически активное выработанное пространство на поверхность за счет газоотводящей депрессии.

Многосвязная комбинированная вентиляционная система газообильных угольных шахт представляет собой аэрогазодинамически соединенную вентиляционную сеть действующих подготовительных и очистных выработок с допустимым содержанием метана и газоотводящую сеть, включающую выработанное пространство, газоотводящие выработки и скважины с высококонцентрированной метановоздушной смесью.

Сущность способа комбинированного проветривания с возвратноточным отводом метановоздушной смеси заключается в том, что свежий воздух в очистную выработку подают по одной из оконтуривающих выемочный столбов подготовительных выработок, а выдают исходящую струю из забоя лавы по действующим выработкам по возвратноточной схеме за счет общешахтной депрессии. При этом отвод отработанной струи в полном объеме из призабойного пространства межлавного целика и метановоздушную смесь из действующего выработанного пространства производят по возвратноточной схеме по аэрогазодинамически активному выработанному пространству смежной отработанной лавы за счет газоотводящей депрессии.

В выработанном пространстве выделяются три различные по аэрогазодинамическим свойствам зоны. Непосредственно за добычным комплексом образуется аэрогазодинамически активная зона, в пределах которой существует свободная полость между сводом пород основной кровли и обрушенными породами, характеризующаяся наиболее интенсивным поступлением в нее метана. В качестве второй зоны рассматривается аэродинамически активный слой обрушенных пород, имеющий наибольшую проницаемость и являющийся основным каналом массопереноса метановоздушной смеси. Третьей зоной, расположенной выше второй является слой упорядоченно обрушенных и оседающих с разрывом сплошности слоев подработанных пород, являющейся проводником метана из сближенных пластов и слагающих этот слой газонасыщенных пород.

Проницаемость аэродинамически активного слоя зависит от фракционного состава и пористости обрушенных пород, определяемой коэффициентом разрыхления.

В связи с изложенным и по данным экспериментальных исследований, газоотводящая сеть имеет в 3-8 раз меньшее эквивалентное отверстие, чем вентиляционная сеть комбинированной многосвязной вентиляционной системы.

Коэффициент распределения воздуха зависит от величины возвращаемых утечек из выработанного пространства и не превышает величины Кр=0,8. При этом расход отводимого метана, нарастая с увеличением длины выработанного пространства, и концентрация метана на исходной струе выемочного участка зависят от величины Кp. В связи с увеличением длины тупиковой выработки и связанным с этим недостатком воздуха в общешахтной сети подаваемой ВГП наиболее целесообразно применение в зоне сопряжения с тупиковой выработкой ВМП. При оптимальной их расположении с учетом особенностей многосвязной комбинированной вентиляционной системы ВМП с одной стороны, играя роль «активного»

сопротивления увеличивает подачу воздуха ВГП за счет снижения общешахтной депрессии, а с другой стороны, подают дополнительный воздух в тупиковую выработку. При этом ВМП способствует созданию избыточного давления тупиковой выработки, что существенно снижает метановыделение по мере роста нагрузки на очистной забой.

Однако реализация способа комбинированного проветривания газообильных угольных шахт в условиях многосвязной комбинированной вентиляционной системы требует принципиально нового подхода к проектированию и созданию вентиляторов местного проветривания.

Совокупность шахтных вентиляторов, работающих на комбинированную вентиляционную систему угольной шахты должна обеспечивать необходимые поля депрессий в зоне очистной выработки и искусственного газового коллектора, и возможность их системного изменения для обеспечения реализации эффекта аэрогазодинамической изоляции атмосферы очистной выработки от аэрогазодинамически активной зоны выработанного пространства. При этом ВМП должны играть роль «активного сопротивления», создавая дополнительный приток воздуха в тупиковую выработку, при этом вся совокупность вентиляторов не должна изменять режимы работы вентиляционной системы на других участках. Раздельное удаление метана допустимой концентрации из разрабатываемого пласта по вентиляционной сети за счет общешахтной депрессии, создаваемой ВГП и высококонцентрированной метановоздушной смеси из поднадрабатываемых пластов по газоотводящей сети за счет депрессии, создаваемой ВЦГ. При этом следует иметь в виду, что общешахтные и газоотводящие вентиляционные сети аэрогазодинамически соединены между собой, а газодинамические процессы зависят от многообразия горно-геологических и технологических условиях в шахтах. Таким образом, совокупность шахтных вентиляторов обеспечивающих проветривание газообильных угольных шахт представляет собой единый взаимосвязанный - вентиляторный комплекс комбинированного проветривания.

Статистические характеристики тупиковых выработок, приведенные в работе МакНИИ [84], относятся к 1993 году, и в настоящее время требуют дополнительной обработки и уточнения для обоснования параметров новых высокоэффективных ВМП - типоразмерного ряда вентиляторов радиальновихревых прямоточных (ВРВП), разработка которых в рамках данной диссертационной работы ведется совместно с ОАО «НЦ «ВостНИИ» и ООО «СМК».

В данном разделе диссертации приведен анализ основных статистических характеристик параметров тупиковых выработок на основе данных, полученных автором на ведущих угледобывающих предприятиях России и Украины по состоянию на настоящее время.

Основными параметрами тупиковой выработки как элемента вентиляционной системы тупикового забоя является ее длина lв, площадь поперечного сечения Sв, тип и диаметр dmp применяемого трубопровода.

Совокупность значений этих параметров с учетом динамики метаноносности является основой для определения поля вентиляционных режимов для ВМП.

Актуальность научно-технической проблемы создания ВМП для газообильных угольных шахт обусловлена важностью обеспечения надежного и безопасного их проветривания, существенного снижения энергоемкости вентиляции, устранения проявления метаноопасности и газового барьера.

Задача заключается в разработке теоретических основ проектирования, научного обоснования технических решений создания ВМП, поскольку применяемые в настоящее время ВМП осевого исполнения не обеспечивают требуемые вентиляционные режимы.

Вентиляторы местного, главного проветривания и газоотсасывающие вентиляторы, входящие в состав вентиляторного комплекса комбинированного проветривания предназначены для обеспечения необходимых вентиляционных параметров в газообильной угольной шахте, при которых достигаются нормативные требования санитарно-гигиенических условий, предотвращения проявлений метаноопасности и газового барьера.

Многосвязная комбинированная вентиляционная система угольных шахт представляет собой аэрогазодинамически соединенные вентиляционную, газоотводящую сети и воздуховоды тупиковых выработок. Специфика воздуховодов тупиковых выработок, их аэрогазодинамическая связь с вентиляционной общешахтной сетью приводит к взаимозависимости режимов работы вентиляторов в составе комплекса комбинированного проветривания, при всем разнообразии горно-геологических и технологических условий.

Дифференцированный анализ вентиляционных режимов угольных шахт позволил установить закономерности режимов работы ВМП. На рис. 1.1 - 1. приведены гистограммы распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600мм, 800мм и 1000 мм соответственно в расчете на 2005, 2010 годы и прогноз на 2015 год.

Одним из основных параметров вентилятора является диаметр его рабочего колеса. Для ВМП диаметр рабочего колеса в значительной степени зависит от диаметра трубопровода, который, в свою очередь, определяется, в основном, площадью поперечного сечения выработки. Целесообразно с точки зрения определения режимных параметров вентиляторов провести группировку длин выработок по диаметру применяемого трубопровода.

Большие длины воздуховодов тупиковых выработок, т.е. малые эквивалентные отверстия вентиляционных сетей требуют соответственно и низкую удельную быстроходность ВМП, то есть большую их аэродинамическую нагруженность по сравнению с ВГП.

Широкий диапазон диаметров и длин воздуховодов, т.е. вентиляционных режимов по расходу и давлению требует увеличения экономичности вентиляторов местного проветривания на нерасчетных режимах, то есть улучшения их регулируемости, причем особенности комбинированной вентиляционной системы, накладывают соответствующие требования на соотношения параметров регулируемости вентиляторов.

Закон распределения длины выработки, оснащенных воздуховодами 600мм, 800мм и 1000мм соответствует экспоненциальному. Необходимо учесть, что данный закон распределения получен при условии, что отсчет длины воздуховодов произведен для трубопровода диаметром 600мм – с нуля;

для трубопровода диаметром 800мм – с длины 100м; для трубопровода диаметром 1000мм – с длины 300м, что как показано выше дает погрешность распределения длин тупиковых выработок не превышающую 5%.

Дифференциальная функция для ряда распределения длин за 2005 и гг. соотвесвтенно имеет вид:

- для трубопроводов диаметром 600мм - для трубопроводов диаметром 800мм - для трубопроводов диаметром 1000мм Рис. 1.1. Гистограмма и плотность распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600мм (а), 800мм (б), 1000мм (в) в расчете на Рис. 1.2. Гистограмма и плотность распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600мм (а), 800мм (б), 1000мм (в) в расчете на Рис. 1.3 Гистограмма и плотность распределения длин тупиковых выработок, оснащенных трубопроводами 600мм (а), 800мм (б), 1000мм (в) в расчете на Проверка по критерию согласия Пирсона 2 показала, что вероятность расхождения между теоретическими и статистическими распределениями за счет случайных причин составляет:

- для трубопроводов диаметром 600мм р=0,757 и р=0,655;

- для трубопроводов диаметром 800мм р=0,732 и р=0,717;

- для трубопроводов диаметром 1000мм р=0,766 и р=0,692.

Этого достаточно, чтобы признать гипотезу не противоречащей опытным данным.

Из анализа гистограмм, приведенных на рис. 1.1 - 1.3, можно сделать следующие выводы:

- с вероятностью не менее 95% для тупиковых выработок длиной не более 500 м диаметры воздуховодов 600мм, используются с длиной от 0 до 350м;

- с вероятностью не менее 90% для тупиковых выработок длиной не более 1500 м трубопроводы диаметром 800мм используются в диапазоне длин от 100 до 1100 м. Воздуховоды длиной менее 100 м используются с вероятностью менее 2%;

- с вероятностью не менее 85% при длине тупиковых выработок до м используются воздуховоды диаметром 1000 м в диапазоне длин от 300 до 1800 м. Вероятность использование трубопроводов длиной до 300 м не превышает 3%.

Таким образом, имеет место следующая закономерность: по мере увеличения длины выработки увеличивается математическое ожидание длины используемых воздуховодов. Поскольку с увеличением длины выработки увеличивается потребный расход воздуха для тупиковой выработки, а диаметр воздуховода подбирается из расчета постоянства скорости при номинальном расходе для различных диаметров воздуховода, с увеличением длины выработки необходимо не только увеличение подачи вентилятора, работающего на данную выработку, но и увеличение давления, создаваемого им. Данный факт вступает в явное противоречие с применяемым в настоящее время методологией разработки параметрического ряда вентиляторов местного проветривания. Используемые в настоящее время параметрические ряды вентиляторов ВМЭ, ВМЭВО и ВМЦ(Г) построены по принципу увеличения подачи при сохранении или даже уменьшении давления, развиваемого вентилятором, с ростом его диаметра, что явно противоречит статистическим данным потребных расходов и давлений, необходимых для обеспечения эффективного проветривания тупиковых выработок. По этой причине во многих случаях, при большой длине тупиковой выработки в шахтах вынуждены использовать последовательное соединение двух и более ВМП.

Кроме того, интенсификация угледобычи, увеличение нагрузки на очистной забой привела к росту динамики длины очистного забоя за последние 15-20 лет в 5-10 раз, поскольку нагрузка на очистной забой возросла с 5000 т/сут до 25000-30000 т/сут.

Выполненный анализ статистических характеристик тупиковых выработок, а также сделанный прогноз динамики изменения длины тупиковых выработок и используемых воздуховодов, позволяет сделать вывод о том, что применяемые в настоящее время аэродинамические схемы не в полной мере обеспечивают требуемый уровень аэродинамической нагруженности и экономичности вентиляторов местного проветривания, что приводит к снижению их функциональной и экономической эффективности.

Использование результатов анализа совместно с данными об аэродинамических характеристиках воздуховодов, нагрузках на очистной забой, интенсивности метановыделения определить поля вентиляционных режимов для построения параметрического ряда новых высокоэффективных вентиляторов местного проветривания типа ВРВП.

Известные методы повышения эффективности ВМП, то есть их аэродинамической нагруженности и экономичной работы на нерасчетных режимах в зависимости от характера воздействия на параметры вентиляторов подразделяются на простые, сложные и комбинированные. Указанные способы в свою очередь, могут быть осуществлены путем:

- совершенствование геометрии проточной части;

- изменения частоты вращения рабочего колеса;

- изменения отдельных сечений проточной части вентиляторов;

- поворота лопаток или отдельных частей рабочего колеса;

- изменения направления потока на входе в рабочее колесо.

Вопросам разработки и совершенствования средств повышения аэродинамической нагруженности и экономичности центробежных вентиляторов уделяется большое внимание, и в этом направлении достигнуты значительные успехи [13-16, 33, 34, 83, 103].

Наиболее перспективным является применение комбинированных методов, которые, сочетая в себе преимущества отдельно каждого способа, исключают их недостатки, при этом алгоритм расчета должен обеспечить максимальное значение составляющих по каждому управляющему параметру [39, 108, 113, 115].

1.3 Математическое моделирование вентиляционных сетей горных Расчет проветривания шахт и рудников в настоящее время на всех шахтах России проводится на основе стационарного подхода в предположении несжимаемости среды. На базе такого подхода расчет нестационарных процессов вентиляции принципиально невозможен. Поэтому разработка газодинамических методик расчета нестационарных процессов вентиляции является актуальной.

Математическая модель вентиляции сети выработок шахты основывается на предположениях об одномерном движении газа в прямолинейных выработках, полном и мгновенном перемешивании потоков в узлах сопряжения прямолинейных выработок. Эффекты турбулентной вязкости и теплопроводности учитываются в уравнениях в правых частях с использованием интегральных коэффициентов аэродинамического сопротивления горных выработок и мест их пересечения, которые подробно изучены экспериментально. В математической модели учитываются эффекты естественной конвекции неизотермического газа при его движении в наклонных выработках. Для прогнозирования влияния естественной конвекции на аэродинамику рудничной атмосферы в сети выработок учитывается теплообмен рудничной атмосферы со стенками выработок, а также изменение температуры стенок при теплообмене. Неоднородное распределение легких примесей в рудничной атмосфере также приводит к естественно-конвективному движению в наклонных выработках и учитывается в математической модели. Процессы вентиляции определяются пространственной топологией выработок, расстановкой и режимами работы вентиляционного оборудования: вентиляторов главного проветривания, вентиляторов местного проветривания, газоотсасывающих установок, вентиляционных сооружений, располагающих в выработках шахты.

В нестационарных условиях вентиляции температура стенок выработок меняется во времени и влияет на аэродинамику рудничной атмосферы. Так как наибольший градиент температуры формируется в направлении, перпендикулярном стенке во всех точках вдоль выработки, полагая в этих точках интенсивность теплообмена газа со стенками по периметру выработки одинаковой.

Граничные условия ставятся в зависимости от условий на границах прямолинейных выработок. Если границей выработки является стенка, то ставится условие непротекания. Если границей выработки является выход выработки на поверхность в атмосферу, то граничные условия ставятся в зависимости от направления потока газа. Если на границе выработки установлен работающий вентилятор проветривания, то задаются скорость и энтропия воздуха, втекающего в выработку. Если граница ветви примыкает к узлу, то граничные условия ставятся в соответствии с направлением характеристик, и задаются давление и энтропия либо только давление.

Таким образом, система уравнений описывает нестационарное течение смеси газов в выработках с учетом тепло- и массообмена потока воздуха со стенками выработок.

Для численного решения системы уравнений использовался метод С.К.

Годунова распада произвольного разрыва. Обыкновенные дифференциальные уравнения решались методом Эйлера. Уравнения теплопроводности с краевыми условиями решались по неявной разностной схеме методом прогонки на неравномерной сетке, в которой шаг по пространству вглубь стенки увеличивался о геометрической прогрессии.

На основе разработанной математической модели и методики расчета проводится моделирование нестационарных процессов вентиляции сети выработок на примере модельных сетей шахты, расчет проветривания тупиковых выработок ВМП.

В современных условиях вентиляционные сети шахт становятся все более сложными и разветвлёнными. Достаточно часто традиционные методы управления воздушными потоками внутри рудников оказываются недостаточно эффективными, что приводит к неоправданным затратам на проветривание. Использование систем автоматизированного управления проветриванием, позволяющих снизить энергетические затраты при одновременной сбалансированной доставке воздуха в выработки в необходимом количестве, повышает эффективность проветривания шахт.

Особенностью горного производства являются постоянно меняющиеся условия работ. Горные инженеры должны предвидеть эти изменения и в короткие сроки принимать правильные решения для обеспечения выработок необходимым количеством воздуха. Корректная схема проветривания шахты и верно выбранные режимы вентиляционных установок во многом определяют безопасные условия труда под землёй, влияют на производительность труда и затраты предприятия. В современных условиях знания, опыт и интуиция специалистов должны опираться на результаты математического моделирования физических процессов.

В настоящее время как нормальные, так и аварийные режимы проветривания на всех угольных шахтах России рассчитываются с помощью программного комплекса «Рудничная аэрология». Этот программный комплекс содержит большой блок технологических и аварийных задач, позволяющих быстро выполнять необходимые расчёты по обеспечению аэрологической безопасности горных работ при эксплуатации угольных шахт и в ходе ведения аварийно-спасательных работ, проверку эффективности принятых в плане ликвидации аварии вентиляционных режимов и расчёты устойчивости проветривания подземных выработок при пожаре, с учётом прогрева/остывания пожарных газов по пути их следования. С его помощью можно решать задачи оперативного управления проветриванием, определять рациональные пути выхода в безопасную зону людей, застигнутых аварией, и маршруты движения аварийно-спасательных формирований. Учитывается степень задымленности выработок и их проходимость, время включения в изолирующие респираторы и характер нагрузок, который влияет на интенсивность потребления кислорода. Можно визуально наблюдать на графической схеме горных выработок движение горнорабочих и распространение дыма в реальном масштабе времени с учётом изменения направления движения воздуха при реверсировании вентиляционной струи [79].

Газодинамический подход, способный учитывать нестационарный характер протекающего процесса, позволяет получать более точную математическую модель физических процессов вентиляции, чем его стационарный аналог.

В шахтах и рудниках на затухание вентиляционного возмущения также влияет наличие связей выработанного пространства с горными выработками.

Разветвленная вентиляционная сеть действует как своеобразный «демпфер».

Этот демпфер уменьшает распространение вентиляционного возмущения в направлении от внутренних к внешним вентиляционным контурам. Поэтому, повышение сопротивления лавы до на современной шахте с разветвленной сетью выработок, никак не отразится на расходах воздуха в стволах или на подаче ВГП.

Таким образом, математическое моделирование вентиляционных сетей горный выработок, позволяет:

- определить свойства вентиляционной сети, характеризующие закономерности изменений в вентиляционной сети после возникновения вентиляционного возмущения;

- использовать свойства узла вентиляционной сети для установления связи между изменением расходов воздуха в ветви-регуляторе и объектом регулирования;

- использовать законы вентиляционной сети для разработки теоретических основ аэрологии вентиляционных сетей;

- использовать графоаналитический метод анализа свойств шахтной вентиляционной сети для визуализации особенности формирования режима вентиляции отдельных элементов сети с учетом действия вентиляционных возмущений и аэродинамических параметров ВМП;

- использовать программные комплексы для автоматизации решений задач управления вентиляцией ВМП.

1.4. Методология проектирования систем вентиляции шахт с вентиляторами местного проветривания и критерии её Безаварийная работа высокопроизводительных очистных забоев в значительной степени зависит от способности оперативно и эффективно перерабатывать потоки информации об аэрогазовом состоянии в горных выработках. Эта информация позволяет определить параметры моделей, характеризующих геомеханические, газокинетические и аэрогазовые процессы в выработках. При адекватности моделей реальным процессам открываются возможности оперативного прогноза аэрогазовой обстановки в отрабатываемом горном блоке и ее развития на основе поэтапного обобщения оперативных данных.

Интенсификация подземных работ актуализирует всестороннее развитие прогнозирующих качеств систем мониторинга и выдвигает задачу создания геоинформационной системы мониторинга аэрогазовой обстановки в горных выработках. Для ее создания необходим новый подход к моделированию процессов, учитывающий современный уровень исследований в области рудничной аэрологии и геомеханики и достижения в области информационных технологий.

Математическое моделирование процесса газовыделения из разрабатываемого пласта обеспечивает получение верхних прогнозных оценок газовыделения на выемочном участке в зависимости от состояния объекта на данном этапе его отработки и планируемых нагрузок на забой.

Проблема управления метаном в угольных шахтах на сегодняшний день не является только проблемой безопасности ведения горных работ. Метан представляет собой не только производственную, но и экологическую опасность: этот газ относится к числу "парниковых". С другой стороны, он является ценным энергетическим и химическим ресурсом.

Как повышение интенсивности вентиляции, так и дегазация увеличивают эмиссию метана в земную атмосферу, если метан не утилизируется.

Важнейшей проблемой утилизации метана является обеспечение стабильных дебитов и высоких концентраций газа в отсасываемой газовоздушной смеси.

При дегазации неразгруженного массива, как правило, при концентрациях газа, близких к 100%, дебиты его невелики и нестабильны. Наиболее высокие дебиты наблюдаются при дегазации сближенных пластов при разгрузке их горными работами и выработанных пространств, но в этих случаях концентрации газа значительно снижаются за счет утечек воздуха из вентиляционной сети. Распределение метана в системе "горные выработки выработанные пространства - дегазационные скважины" в значительной степени определяется режимом проветривания выработанного пространства.

Таким образом, кондиционные параметры газовоздушной смеси в дегазационных системах достигаются только при применении комбинированных методов управления метановыделением, включающих дегазацию как неразгруженных пластов, так и выработанных пространств, а также аэродинамические методы.

Учитывая экологический и ресурсосберегающий аспекты проблемы управления шахтным метаном, необходимо включать в систему газового мониторинга и дегазационные сети. Производственный опыт и многочисленные научные исследования убедительно доказывают, что вентиляцию и дегазацию необходимо рассматривать как единую систему управления шахтным метаном. При этом следует использовать возможность аэродинамического воздействия на выделение метана из выработанных пространств и перераспределение его между дегазационной и вентиляционной сетями.

Стратегия управления режимом проветривания шахт должна учитывать не только газовую опасность, поскольку вентиляционный режим шахты в целом определяется совокупностью разнородных факторов, отражающих характерные, индивидуальные для каждой шахты особенности технологии и организации ведения работ. Оптимальный режим для шахты в целом необходимо выбирать с учетом всей совокупности лимитирующих факторов, учитывающих требования безвредности и безопасности шахтной атмосферы, и экономичности проветривания. Кроме того, критерии оптимальности должны предусматривать необходимость использования шахтного метана и возможность развития новых технологий его утилизации.

В качестве такого критерия предлагается отношение потоков, удаляемых шахтной вентиляцией сети, стремящееся к максимуму.

Этот критерий не является формальным, он выражает соотношение потоков разного энергетического качества и обеспечивает приоритетность потока более высокого качества, т.е. неразбавленного потока метана, использование которого в качестве энергетического ресурса потребует минимальных дополнительных затрат.

Предлагаемый критерий является, таким образом, универсальным, как с точки зрения экологии, так и безопасности, поскольку отражает эффективность как вентиляции, так и дегазации, и их соотношение.

Максимизация этого критерия отражает стремление сохранить высокое энергетическое качество метана, выделяющегося при добыче угля.

На основе данного критерия разработана модель оптимизации управления газовыми потоками в вентиляционно-дегазационной системе шахты.

Вопросы энергетических ресурсов на сегодняшний день являются в списке не просто приоритетных, но критических как в России, так и во всем мире. Энергетическая стратегия Российской Федерации до 2030 года предусматривает значительное повышение роли угля в топливноэнергетическом балансе России в течение ближайших двадцати лет. Чтобы обеспечить российский рынок рентабельным углем, шахты РФ должны стремиться к рубежу 3 – 4.5 млн. т угля из комплексно-механизированного забоя в течение года, или до 15 – 35 тыс. т в сутки, что затруднительно на высокометанообильных шахтах, доля которых в России достигает 48%.

Метановыделение в очистной забой определяется газоносностью угля, мощностью разрабатываемого пласта, скоростью подвигания забоя, площадью обнаженных поверхностей. Источниками метановыделения являются свежеобнаженные поверхности пласта, выработанное пространство, отбитый и транспортируемый уголь. Пылеобразование происходит при разрушении угля в забое, погрузке и транспортировке, а также взметывании отложившейся пыли при высокой скорости движения воздуха. Интенсивность выделения метана и пыли в очистных забоях определяется характером технологических процессов в забое и резко повышается при работе очистных комбайнов.

В настоящее время основными способами, применяемыми в шахтах, опасных по газу и пыли, для снижения содержания метана в шахтной атмосфере до установленных норм, является проветривание, дегазация и комплекс противопылевых мероприятий. Другие известные способы управления газовыделением, включающие физическое воздействие на пласты угля, недостаточно совершенны.

Концентрация пылеметановоздушных смесей подвергается случайным изменениям во времени и пространстве. Поэтому образование взрывоопасной концентрации метана и угольной пыли в атмосфере горных выработок может рассматриваться как случайное пространственно-временное событие. В связи с этим описание закономерностей образования пылеметановоздушных смесей и управления пылегазовой обстановкой в очистных забоях должно производиться на основе вероятностных методов, так как детерминированные критерии недостаточно отражают физическую сущность газовыделения или пылеобразования и, следовательно, не могут обеспечить необходимый уровень надежности прогноза возникновения взрывоопасных ситуаций.

При выборе и оценке схем проветривания выемочных участков первостепенное значение имеют условия безопасности, а также обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда.

Схема проветривания выемочного участка должна обеспечивать:

- устойчивое проветривание, как при нормальных, так и аварийных режимах, благоприятные условия для спасения людей и ликвидации аварий;

- возможность ведения работ по эффективной дегазации на выемочных участках;

- на газообильных и глубоких шахтах, на которых естественная температура пород достигает 30° С и выше, полное обособленное разбавление вредностей (газа, пыли, тепла), выделяющихся из всех источников;

- максимальную нагрузку на очистной забой по газовому фактору;

- подачу к очистному забою свежего воздуха по двум выработкам при разработке выбросоопасных пластов;

- надежную изоляцию выработанных пространств по мере подвигания очистного забоя;

- сокращение объема проведения тупиковых выработок за счет повторного использования откаточных выработок в качестве вентиляционных.

Оценка факторов аэрологического риска выемочных участков угольных шахт позволит обоснованно принимать технические решения по повышению безопасности ведения горных работ, особенно это важно для высокопроизводительных угольных шахт, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, опасные по взрывам пыли.

Опыт экспертизы промышленной безопасности современных проектов угольных шахт или их отдельных объектов показывает, что сегодня отсутствует не только методическая база инженерных расчетов систем обеспечения безопасности угледобычи, но и вообще какая-либо идеология проектирования. Весьма остро эта проблема стоит в области проектирования вентиляции, тогда как значение системы вентиляции для обеспечения безопасности подземной добычи полезных ископаемых огромно, особенно для шахт, опасных по газу.

До недавнего времени проектирование систем вентиляции осуществлялось по принципу обеспечения значительного резерва воздуха, на этом строилась вся методология. Даже с увеличением производительности применяемого выемочного оборудования этот принцип сохранялся.

Допустимая по газу нагрузка на очистной, так же, как и проходческий забой определялась также «с запасом».

Рост интенсивности выемки угля приводит к существенному увеличению объемов выделения метана из всех его источников. На рис. 1.4. приведена диаграмма, иллюстрирующая эту зависимость. В 60-70-х годах 20-го века наша угольная промышленность подошла к первому «газовому барьеру», когда производительность механизированных комплексов достигла примерно 1000 т/сут. Это привело к росту загазирований, участились взрывы метана, выбросы угля и газа. С привлечением усилий отечественной горной науки задача преодоления газового барьера была решена на основе разработки эффективных схем проветривания выемочных участков и новых методов и средств дегазации. Расчеты показывают, что усложнение технологической схемы выемки окупается ростом производительности.

Рис. 1.5. Связь уровня метановой опасности с нагрузкой на очистной С применением современных зарубежных выемочных комплексов, обеспечивающих сущесвтенно большую производительность очистных забоев газообильные угольные шахты, оказались перед проблемой второго газового барьера.

Поскольку научного обеспечения этого роста производительности не было, а старые методики прогноза метановыделения и расчета требуемых расходов воздуха были получены для условий прежних нагрузок, проектировщики вынуждены были дорабатывать инструкции по проектированию вентиляции горнорудных предприятий Ниже перечислены основные недостатки нормативно-методического обеспечения проектирования вентиляции шахт и рудников:

• отсутствие методики прогноза метанообильности при высоких скоростях подвигания очистных забоев;

• отсутствие универсальной методики расчета расхода воздуха для схем с обособленным разбавлением метана;

• отсутствие данных по аэродинамическим сопротивлениям горных выработок для современных типов крепей и размеров поперечного сечения;

• отсутствие методики расчета аэродинамических сопротивлений выработанных пространств и величины утечек;

• отсутствие методики расчета расхода воздуха при применении современного оборудования с ДВС;

• не учитывается эндогенная пожароопасность;

• не учитываются сетевые эффекты при использовании разветвленных систем дегазационных трубопроводов;

• не учитывается многокомпонентность отсасываемой смеси (метан, воздух, водяные пары, пыль) и возможность фазовых переходов (вода - пар);

• при проектировании дегазации выработанных пространств не учитывается влияние аэродинамического режима и схемы вентиляции на ее эффективность.

Отсутствие современных технологических норм проектирования, регламентов приводит к тому, что уже на стадии разработки проекта шахты закладываются решения, не отвечающие требованию обеспечения приемлемого уровня безопасности вообще и аэрологической – в частности.

Поэтому представляется актуальной разработка методологии проектирования угольных шахт на основе системного подхода. Основные принципы такой методологии состоят в следующем:

- шахта должна рассматриваться как сложная система, с учетом ее иерархической структуры и взаимодействия составляющих ее подсистем и элементов;

- шахтная вентиляционная система должна проектироваться как подсистема жизнеобеспечения с учетом необходимости реализации основных ее функций по обеспечению минимальных аэрологических рисков при минимизации затрат (при этом сравниваться могут только варианты, обеспечивающие приемлемый уровень безопасности);

- система вентиляции шахты должна проектироваться на основе определения четких критериев эффективности ее функционирования, определяющих минимально-допустимый уровень аэрологического риска (этот показатель должен быть одним и тем же для всех шахт, независимо от уровня сложности горно-геологических условий разработки месторождений), что позволит, кроме того, исключить субъективность экспертизы проекта вентиляции;

- для реального обеспечения снижения рисков взрывов метана необходимо ввести ограничения по природной метаносности на разработку угольных пластов без предварительной или заблаговременной дегазации, обосновав ее максимально-допустимый уровень с учетом основных определяющих факторов (в первую очередь - планируемой нагрузки и технологической схемы выемки);

- подсистемы вентиляции и дегазации должны проектироваться с учетом их взаимного влияния; расчет параметров вентиляционно-дегазационной системы шахты должен осуществляться на основе моделирования распределения газовоздушных потоков в ней с включением выработанных пространств как элементов вентиляционно-дегазационной сети;

- аэродинамические режимы выемочных участков и шахты в целом должны определяться на основе оптимизации расходов воздуха в ветвях с учетом всех видов аэрологических опасностей;

Основные проблемы аэрологической безопасности для схем проветривания выемочных участков с помощью ВМП сводятся к следующему:

- отсутствие единого нормативного документа, регламентирующего порядок применения комбинированной схемы проветривания;

- в существующих региональных нормативных документах недостаточно проработаны вопросы аэрологической безопасности в возможных аварийных ситуациях;

- отсутствие в нормативных документах достаточной проработки вопросов взрывозащиты газодренажных сетей и ВМП;

- отсутствие показателей эффективности работы газоотсасывающей вентиляционной системы, учитывающих влияние газовыделения из выработанного пространства ранее отработанных выемочных участков, влияние утечек (подсосов) воздуха через изоляционные перемычки, влияние общешахтной депрессии, влияние параллельно работающих ВМП;

- относительно невысокая эффективность схемы проветривания, при наличии в газодренажной сети изолированных сбоек с действующими выработками;

- недостаточная изученность процессов формирования и перемещения метановоздушных потоков в выработанном пространстве;

аэродинамическую взаимосвязь вентиляционной сети шахты и выработанного пространства.

До решения вышеуказанных проблем эффективность работы газоотсасывающей системы необходимо определять путём проведения аэрогазодинамических съёмок выемочных участков при работающих и остановленных ВМП в нормальном и реверсивном режимах проветривания.

Эффективным средством аэрогазодинамической изоляции является применение ВМП в качестве «активного сопротивления» для повышения производительности ВГП за счет снижения сопротивления общешахтной вентиляционной сети.

Эффективность общешахтной и газоотсасывающей вентиляционной системы за счет совместной работы ГВУ и ВМП рекомендуется определять по следующим показателям:

• эффективность по газовому фактору - определяется как отношение абсолютной метанообильности выемочного участка при неработающих вентиляторов к абсолютной метанообильности выемочного участка при работающей ГВУ и ВМП;

• эффективность по воздушному фактору - определяется как отношение количества воздуха отсасываемого с выемочного участка к производительности ГВУ и ВМП;

• эффективность совместной работы ГВУ, ВМП и общешахтной депрессии - определяется как отношение количества воздуха, подаваемого на выемочный участок при остановленных вентиляторах, к количеству воздуха, поступающему на выемочный участок при работающих ГВУ и ВМП;

• эффективность от водо-метановоздушной смеси от очистного забоя определяется как отношение количества утечек воздуха из лавы при остановленных вентиляторах к количеству утечек воздуха из лавы при работающих ГВУ и ВМП.

При правильном инженерном подходе и рациональном выборе расчётных параметров, а также выполнении мероприятий, заложенных в проектах, может быть достигнута высокая эффективность метода изолированного отвода метана из выработанного пространства, а также увеличение подачи воздуха в тупиковые выработки за счет использования ВМП в качестве «активного сопротивления».

1.5. Требования, предъявляемые к вентиляторам местного проветривания и критерии их эффективности Одним из важных факторов развития горного дела является совершенствование вентиляции горных предприятий, что в значительной мере связано с разработкой новых образцов вентиляционного оборудования и в частности вентиляторов местного проветривания. Прошедшие за последнее десятилетие изменения в горнодобывающей промышленности России, к сожалению, не ознаменовались существенным совершенствованием вентиляционного оборудования, технический уровень которого не соответствует современным требованиям.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 
Похожие работы:

«Чигиринский Юлий Львович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРОЕКТИРУЮЩЕЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР ТП 05.02.08 – Технология машиностроения 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении) диссертация на...»

«УДК 533.695, 629.7.015.3.036 Кажан Егор Вячеславович Комбинированный метод численного решения стационарных уравнений Рейнольдса и его применение к моделированию работы воздухозаборника вспомогательной силовой установки в компоновке с фюзеляжем летательного аппарата Специальность 05.07.01 Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов Диссертация на соискание учной степени кандидата...»

«Карапузова Марина Владимировна УДК 621.65 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПОДВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Специальность 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук Научный руководитель Евтушенко Анатолий Александрович канд. техн. наук, профессор Сумы – СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ...»

«Сидоров Михаил Михайлович Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки...»

«ШИШКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ДВУХТОПЛИВНЫХ И ОДНОТОПЛИВНЫХ ПОРШНЕВЫХ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор В.В. Бирюк Самара...»

«ГОРЕЛКИН Иван Михайлович РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА Специальность 05.05.06 – Горные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель...»

«Кикин Андрей Борисович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ СТРУКТУРНОКИНЕМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность) Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук V ;г, 7 Г.^ТЗ ~ \ Научный консультант ^' '^-^•'-^зн(-,1\^/1\. 1 и1'^А, 5 д.т.н. проф. Э.Е. Пейсах „, Наук Санкт-Петербург...»

«Викулов Станислав Викторович МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА Специальность 05.08.05. – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант : доктор...»

«КАНАТНИКОВ НИКИТА ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЗУБОСТРОГАНИЯ ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических...»

«УДК 622.673.4:621.625 Васильев Владимир Иванович ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК Специальность 05.02.09 – динамика и прочность машин Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор В. М. Чермалых Киев - СОДЕРЖАНИЕ...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.