Расчет величины поверхностных утечек воздуха на калийных рудниках

  • Авторы: Николаев А.В.1, Алыменко Н.И.2, Садыков Р.И.1
  • Учреждения:
    1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    2. Горный институт УрО РАН, г. Пермь, Россия
  • Выпуск: № 5 (2012)
  • Страницы: 115-121
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/geo/article/view/1077
  • Цитировать

Аннотация


При проветривании рудников по всасывающему способу, как на всех рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС), в поверхностном комплексе главной вентиляторной установки (ГВУ) образуются утечки воздуха. Величина поверхностных утечек воздуха на действующих рудниках определяется при проведении воздушно-депрессионной съемки. Для проектируемых рудников существуют коэффициенты, по которым принимаются значения прогнозируемых утечек воздуха, в действительности значительно отличающиеся от полученных в ходе измерений значений. В статье приводится алгоритм расчета величины поверхностных утечек воздуха, возникающих при работе ГВУ на калийных рудниках. В предложенном алгоритме расчет поверхностных утечек воздуха производится по известным и ранее полученным авторами формулам. За искомую величину, по которой в дальнейшем можно вычислить величину поверхностных утечек воздуха при известном режиме ГВУ, принимается создаваемое вентилятором разряжение в месте пересечения канала ГВУ с вентиляционным стволом. Приравняв формулы, определяющие величину разряжения создаваемого ГВУ на участке поверхностный комплекс – канал ГВУ и на участке воздухоподающие стволы – подземная часть рудника – вентиляционный ствол – канал ГВУ, а также осуществив ряд преобразований, получили искомую математическую зависимость. Используемые в алгоритме формулы позволяют определить величину поверхностных утечек воздуха при изменяющихся климатических параметрах (атмосферное давление, температура воздуха, относительная влажность воздуха и т.д.). По полученным математическим зависимостям выбирается режим работы ГВУ. С использование полученного в работе алгоритма появляется возможность определить величину поверхностных утечек воздуха как на действующих, так и на проектируемых калийных рудниках.


Полный текст

Введение На рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС) применяется всасывающая схема проветривания, т.е. воздух в рудник подается по воздухоподающим стволам 1 за счет разряжения, создаваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ) 2, расположенной на вентиляционном стволе 3 (рис. 1). Кроме воздуха, засасываемого в рудник Qр, при подобной схеме проветривания в канал ГВУ 4 также засасывается наружный воздух через устье вентиляционного ствола 5, который, смешиваясь с общим потоком, будет снова выбрасываться в атмосферу. Поэтому помимо полезной работы (подачи свежего воздуха в рудник) ГВУ будет совершать бесполезную работу (обусловленную внешними утечками воздуха). При проектировании рудников величина поверхностных утечек воздуха согласно [1, 2, 3 и др.] устанавливается равной 5–25 % (0,05–0,25 о.е. – так называемый коэффициент поверхностных утечек Kут, зависящий от типа ствола). Однако на практике согласно [4] утечки воздуха на рудниках ВКМКС колеблются от 9 до 51 %. Разность закладываемого в проект и реального Kут будет сказываться на работе ГВУ, так как реальный режим ее работы может не соответствовать проектному. Подобное несоответствие наблюдается и на других рудниках [5, 6]. Ранее предлагалась методика определения величины поверхностных утечек воздуха только на действующих рудниках при известной производительности ГВУ [7, 8]. В связи с этим требуется разработать алгоритм расчета, позволяющий определить величину поверхностных утечек воздуха уже на стадии проектирования рудника. Рис. 1. Упрощенная схема (центральная) рудника, работающего по всасывающему способу проветривания Величина поверхностных утечек воздуха может быть определена как разность производительности ГВУ QВ и объема воздуха, поступающего в рудник Qр: . (1) Величина Qр определяется на стадии проектирования рудника исходя из общего объема воздуха, который необходимо подавать на все добычные участки. В связи с этим величина поверхностных утечек воздуха будет зависеть от производительности ГВУ, которая, в свою очередь, будет зависеть от многих факторов, основным из которых является величина разряжения, создаваемого ГВУ Pк в вентиляционном стволе (рис. 2). Определение барометрического давления в околоствольном дворе вентиляционного ствола и разрежения ГВУ Разрежение ГВУ может быть определено с помощью двух формул: согласно [9] (2) согласно [10] (3) Рис. 2. Воздушные потоки в вентиляционном стволе где Pa – атмосферное давление воздуха, мм рт. ст.; K – коэффициент пересчета из Па в мм рт. ст., равный 0,0075; hВ – давление, создаваемое вентилятором, Па; Rкан – аэродинамическое сопротивление канала ГВУ, Н∙с2/м8; Pод.вент – барометрическое давление в околоствольном дворе вентиляционного ствола, мм рт. ст.; ρср.вент – средняя плотность воздуха в вентиляционном стволе, кг/м3; Hвент – участок вентиляционного ствола от сопряжения с околоствольным двором до сопряжения с вентиляционным каналом ГВУ (рис. 2), м; Rвент – аэродинамическое сопротивление Hвент, Н∙с2/м8. Величину барометрического давления в околоствольном дворе вентиляционного ствола согласно [10] можно найти как (4) где Pод.возд – барометрическое давление в околоствольном дворе воздухоподающего (воздухоподающих) ствола (стволов), мм рт. ст; Rпчр – аэродинамическое сопротивление подземной части рудника, Н∙с2/м8. Рис. 3. Пример расчетной схемы Определение аэродинамического сопротивления подземной части рудника Аэродинамическое сопротивление подземной части рудника можно определить при составлении его расчетной схемы и дальнейшем ее расчете, который проводится следующим образом. Представим, что рудник отрабатывается блоками по схеме, приведенной на рис. 3. Для расчета воздухораспределения в приведенной сети первоначально необходимо ее упростить. Рассмотрим блок 1. В нем выработки (ветви) 1, 2, 3 и 4, 5, 6 соединены параллельно. Следовательно, можно найти их эквивалентное аэродинамическое сопротивление по формулам [2] (5) где Ri – аэродинамическое сопротивление i-й выработки в расчетной схеме, Н∙с2/м8. В результате получим схему, приведенную на рис. 4, а, в которой ветви 1, 2, 3 и 4, 5, 6 заменены эквивалентными. Ветви, соединенные последовательно, находятся как их алгебраическая сумма. Сложив значения аэродинамических сопротивлений ветвей 9, 10 и 11, 12, а затем, определив их общее аэродинамическое сопротивление по формуле (5), полу- Рис. 4. Пример расчетной схемы: а – замена ветвей 1–6 рассчитываемого блока эквивалентными сопротивлениями Rэкв.1 и Rэкв.2; б – замена ветвей 9–12 рассчитываемого блока эквивалентным сопротивлением Rэкв.3 лучим ветвь с эквивалентным аэродинамическим сопротивлением Rэкв.3 (рис. 4, б). Аналогичным образом находится эквивалентное аэродинамическое сопротивление всей подземной части рудника (Rпчр). Аэродинамическое сопротивление каждой отдельной выработки согласно [2] определится по формуле (6) где Ki – коэффициент, определяющий степень шероховатости, способ проходки и назначение i-й выработки [2]; Li и Si – длина (м) и сечение (м2) i-й выработки. Расчет поверхностных утечек воздуха Барометрическое давление в околоствольном дворе воздухоподающего ствола согласно [11] определяется по формуле (7) где ai – коэффициенты регрессии [11]; ni – степени при параметре [11]; Pa – атмосферное давление воздуха, мм рт. ст.; tнар – температура наружного воздуха, °C; Hвозд, Dвозд, Qвозд – соответственно глубина (м), диаметр воздухоподающего ствола (м) и объем воздуха, проходящего по нему (м3/с). Средняя плотность воздуха в вентиляционном стволе определяется по формуле [10] (8) где tод.вент – температура воздуха в околоствольном дворе вентиляционного ствола (в течение года имеет практически постоянное значение и находится по формулам [12]), °C; Y – температурно-влажностный градиент, °C/м [10, 12]; ρср.возд – средняя плотность воздуха в воздухоподающем (воздухоподающих) стволе (стволах), кг/м3; Rвозд – аэродинамическое сопротивление воздухоподающего (воздухоподающих) ствола (стволов), Н∙с2/м8. Средняя плотность воздуха в воздухоподающем стволе согласно [10] определяется по формуле (9) где X – температурно-влажностный градиент, °C/м [10, 12]; Hвозд – глубина воздухоподающего ствола, м. Величина разряжения создаваемого ГВУ находится по формуле (3). Формулы (8) и (9) справедливы для случая, если устья стволов находятся на равных абсолютных отметках. В противном случае необходимо произвести добавочные расчеты, учитывающие параметры наружного воздуха по алгоритму [13]. Развиваемое вентилятором ГВУ давление согласно [2] может быть определено по формуле (10) где A, B, C – коэффициенты кривой, соответствующей определенным углам установки лопаток направляющих аппаратов (центробежный вентилятор), рабочего колеса (осевой вентилятор) вентилятора или скорости вращения рабочего колеса ГВУ [2]. Тогда, решив уравнение (2) относительно уравнения (10), получим , (11) где N – коэффициент пересчета из мм рт. ст. в Па, равный 133,332. Аэродинамическое сопротивление канала в зависимости от формы поворота из ствола в канал, способа присоединения вентилятора к каналу, расположения канала по отношению к стволу и его геометрических размеров определяется по формулам [14, 15]. Обозначив ; и , получим (12) Из формул (12) и (1) находим величину поверхностных утечек воздуха. Заключение Таким образом, предложенный вариант позволит рассчитать величину поверхностных утечек воздуха при изменении режима проветривания (производительности вентилятора), атмосферных параметров (температуры наружного воздуха и атмосферного давления), аэродинамических сопротивлений канала ГВУ и подземной части рудника, в результате чего появляется возможность применять его как для действующих, так и для проектируемых рудников. На действующих рудниках с учетом изменяющихся климатических параметров можно спрогнозировать величину поверхностных утечек и выбрать режим работы ГВУ. Для проектируемых рудников предложенный алгоритм будет иметь большее значение, так как от величины поверхностных утечек воздуха зависит выбор вентилятора ГВУ и режим его работы (характеристика и КПД), а следовательно, энергоэффективность проветривания.

Об авторах

Александр Викторович Николаев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikolaev0811@mail.ru
614990, г. Пермь, ул. Комсомольский просп., 29

ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета

Николай Иванович Алыменко

Горный институт УрО РАН, г. Пермь, Россия

Email: nik.alymenko@yandex.ru
614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник УРАН «Горный институт Уральского отделения РАН»

Руслан Ильгизович Садыков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: sadykovrus@mail.ru
614990, г. Пермь, ул. Комсомольский просп., 29

старший преподаватель кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

  1. Справочник по рудничной вентиляции / под ред. К.З. Ушакова. – М.: Недра, 1977. – 328 с.
  2. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. – М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. – 324 с.
  3. Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология. – М.: Недра, 1971. – 376 с.
  4. Алыменко Н.И., Минин В.В. Вентиляторные установки и их применение. – Екатеринбург: УрО РАН, 1999. – 223 с.
  5. Gillies A.D.S., Hsin Wei Wu. A comparison of air leakage prediction techniques for auxiliary ventilation ducting systems // Proceedings Eighth US Mine Ventilation Symposium / Society of Mining Engineers, University of Missouri-Rolla Press. – Missouri, 1999. – P. 681–690.
  6. Andrew O.E. Ventilation of lake shore mines // Mining in Canada / Northern Mines Press LTD, 1957. – 38 p.
  7. Morris I.N., Walker G. Changes in the approach to ventilation recent years // The Mining Eng. – 1982. – Vol. 141, № 244. – P. 401–413.
  8. Dzidziguri A.A., Cholikidze G.V. Calculation of the total air losses in long air ducts, soviet mining science. – 1977 – Vol. 13, № 5. – Р. 333–341.
  9. Николаев А.В., Гаврилов В.М. О возможности использования тепловой депрессии, возникающей при работе нагревателей, расположенных в устье вентиляционного ствола, для снижения поверхностных утечек // Молодой ученый. – 2011. – № 6. – С. 85–89.
  10. Николаев А.В. Анализ теоретической формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2009. – № 10. – С. 72–75.
  11. Николаев А.В. Управление тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Пермь, 2012. – 20 с.
  12. Николаев А.В. Уточнение формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающими и вентиляционным стволами // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: тр. III междунар. конф. – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. горн. ун-та, 2010. – С. 246–250.
  13. Alymenko N.I., Nikolaev A.V. Influence of mutual alignment of mine shafts on thermal drop of ventilation pressure between the shafts // Journal of Mining Science. – 2011. – Vol. 47, № 5. – Р. 636–642.
  14. Руководство по типовым каналам вентиляторов для шахт Кузбасса / ВостНИИ. – Кемерово, 1964. – 189 с.
  15. Алыменко Н.И. Выбор конфигурации вентиляционных каналов // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сессии ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2009 г. – Пермь, 2010. – С. 227–230.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 349

PDF (Russian) - 51

Ссылки

  • Ссылки не определены.

© Николаев А.В., Алыменко Н.И., Садыков Р.И., 2012

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах