Международный опыт: технологии вентиляции и кондиционирования в подземных шахтах
26.01.2022 14:12:00
Главная задача вентиляции шахт – обеспечение достаточным количеством воздуха всех рабочих мест и путей перемещения в подземных выработках, чтобы сократить до приемлемого уровня те загрязнители, с которыми невозможно бороться любыми другими средствами. Где глубина и температуры скальных пород такие, что температуры воздуха слишком высоки, можно использовать механические системы для усиления положительного эффекта вентиляции.
Международный опыт: технологии вентиляции и кондиционирования
в подземных шахтах
Главная задача вентиляции шахт — обеспечение достаточным количеством воздуха всех рабочих мест и путей перемещения в подземных выработках, чтобы сократить до приемлемого уровня те загрязнители, с которыми невозможно бороться любыми другими средствами. Где глубина и температуры скальных пород такие, что температуры воздуха слишком высоки, можно использовать механические системы для усиления положительного эффекта вентиляции.
АТМОСФЕРА ШАХТЫ
Состав газовой оболочки, окружающей землю, варьирует в зависимости от места меньше, чем в пределах 0,01%, и состав «сухого» воздуха обычно принимается так: азот — 78,09 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 % и двуокись углерода — 0,03 %.
Водяной пар также присутствует в разных количествах в зависимости от температуры, давления воздуха и наличия свободных водных поверхностей. По мере того, как вентилирующий воздух проходит через шахту, концентрация водяного пара может значительно изменяться, и это изменение — предмет отдельного изучения психрометрии. Определение состояния водяного пара и сухой воздушной смеси в той или иной конкретной точке требует знания трех измеримых независимых свойств: барометрического давления и температур сухого и влажного шариков термометра.
ТРЕБОВАНИЯ К ВЕНТИЛЯЦИИ
Загрязнители, с воздействием которых нужно бороться посредством рассеивающей вентиляции — это, прежде всего, газы и пыль, хотя может представлять проблему и ионизирующая радиация, связанная с естественно присутствующим радоном, особенно в урановых рудниках и там, где повышены фоновые концентрации урана в разрабатываемых или соседних скальных породах.
Количество воздуха, требуемого для снижения концентрации загрязнителей, будет зависеть как от интенсивности загрязнения, так и от эффективности других мер борьбы типа орошения для подавления пыли или систем метанового дренажа в угольных шахтах. Минимальная скорость потока воздуха определяется загрязнителем, требующим наибольшего разжижения, с учетом возможных побочных эффектов и синергизма, когда один загрязнитель может усиливать эффект другого. На основании этого определяется минимальная требуемая скорость воздуха, которая обычно бывает 0,25 м/с и увеличивается по мере того, как возрастает температура воздуха.
ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРИ РАБОТЕ С ДИЗЕЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
В механизированных шахтах, использующих дизельное передвижное оборудование, и при отсутствии непрерывного контроля газа, используется разжижение выхлопного газа для определения минимальных требований к воздуху вентиляции там, где она работает. Количество требуемого воздуха обычно бывает в пределах 0,03-0,06 куб.м/с на киловатт номинальной мощности в точке работы в зависимости от типа двигателя и от того, применяется ли какое-либо кондиционирование выхлопного газа.
Постоянное развитие как топливной, так и машинной технологии обеспечивает меньший выхлоп газов, а каталитические конвертеры, влажные скребки и керамические фильтры могут далее уменьшать остаточные концентрации окиси углерода /альдегидов, окиси азота и частиц дизельного топлива соответственно. Это помогает подходить все более и более к строгим пределам загрязнителя без значительно увеличивающихся степеней разбавления выпуска.
Минимальный возможный предел разжижения 0,02 куб.м/с на киловатт определен эмиссией двуокиси углерода, которая пропорциональна мощности машины и не зависит от кондиционирования выхлопного газа.
Коэффициент полезного действия дизельных двигателей, превращающих энергию топлива в полезную мощность, составляет около одной трети, а большая часть энергии идет на преодоление трения, что приводит к выходу теплоты, который примерно втрое больше, чем выход полезной энергии. Даже при перевозке породы по наклонному пути вниз на грузовике на полезную работу идет только приблизительно 10% энергии, поступающей из топлива.
Более мощные дизельные машины используются в более крупном передвижном оборудовании, которые требуют соблюдения условий безопасности при больших разработках. Принимая для нормального транспортного средства и типичного дизельного двигателя степень разжижения выхлопного газа в 0,04 куб.м/с на киловатт, минимальные скорости движения воздуха там, где работают дизели, должны быть в среднем приблизительно 0,5 м/с.
ВЕНТИЛЯЦИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ДОБЫЧИ
Хотя при наличии детальной информации по планированию разработки и вентиляции общие требования к количеству воздуха обычно не устанавливаются, желательно включать их в критерии, используемые для проекта. Отклонения от нормальных значений вообще можно объяснить и оправдать, например, в шахтах с проблемами теплоты и радона.
Общая взаимосвязь такая:
Количество Добычи = AT + B,
где T — ежегодная промышленная добыча в миллионах тонн (Mtpa),
А — переменный коэффициент количества воздуха, который непосредственно связан с объемом производства.
Типичные значения А приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Проектные величины количественного фактора воздуха
|
Метод проходки шахты |
A (количественный фактор воздуха, куб.м/с/Mtpa)
|
Блочное обрушение
|
50 |
Камерно-столбовой (Поташ)
|
75 |
Поэтажное обрушение
|
120 |
Выемка открытым забоем
большой: > 0,5 Mtpa
малый: < 0,5 Mtpa
|
160
240 |
Механизированная разработка с закладкой
|
320 |
Немеханизированная разработка
|
400 |
Постоянное количество воздуха B зависит главным образом от системы обработки руды и в некоторой степени от общего объема добычи. Для шахт, где скальная порода транспортируется под уклон с использованием дизельных грузовиков, или где нет дробления извлеченной скальной породы, подходящим значением B является 50 куб.м/с. Оно обычно увеличивается до 100 куб.м/с при использовании подземных дробилок и поднятии скипов с зоной обслуживания под землей.
Поскольку система обработки руды становится более обширной (то есть используя конвейеры или другие системы транспортировки руды), B может увеличиваться далее до 50%. На очень больших шахтах, где используются системы транспортировки из многих стволов шахты, постоянная количества воздуха B является также множителем числа требуемых систем стволов шахты.
ТРЕБОВАНИЯ К ОХЛАЖДЕНИЮ. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Обеспечение подходящих температурных условий для снижения опасности и неблагоприятного эффекта теплового удара возможное применение принудительного охлаждения в дополнение к вентиляции, необходимой для борьбы с загрязнителями. Хотя прикладное термическое напряжение — сложная функция климатических переменных и физиологических реакций на них, в практических понятиях горной промышленности это скорость воздуха скорость и температура влажного шарика термометра, влияние которых наиболее велико. Это иллюстрируется охлаждающей способностью исправленного в обшивке воздуха (Bт/кв.м), приведенной в таблице 2.
Лучистая температура принята как равная температуре сухого шарика термометра и на 10°C выше, чем температура влажного шарика термометра. Барометрическое давление и режим обшивки типичны для подземной работы (то есть 110 кПа и 0.52 единиц обшивки).
Таблица 2 — Охлаждающая способность с поправкой на крепление (Вт/кв.м)
Скорость тока воздуха (м/с)
|
Температура (измеряемая при смоченном шарике термометра) (град. Цельсия) |
|
20 |
22,5 |
25 |
27,5 |
30 |
32,5 |
0.1
|
176 |
153 |
128 |
100 |
70 |
37 |
0.25
|
238 |
210 |
179 |
145 |
107 |
64 |
0.5
|
284 |
254 |
220 |
181 |
137 |
87 |
1.0
|
321 |
290 |
254 |
212 |
163 |
104 |
Скорость потока воздуха в 0.1 м/с отражает эффект естественной конвекции (то есть отсутствие заметного потока воздуха вообще). Скорость воздуха 0.25 м/с — минимум, обычно допускаемый в горной промышленности, а 0.5 м/с — скорость, которая бы требовалась там, где температура влажного шарика термометра превышает 25°C. Относительно достижения теплового равновесия, метаболическая теплота, следующая из типичных показателей работы:
— отдых — 50 Вт/кв.м;
— легкая работа — от 115 до 125 Вт/кв.м;
— средняя работа — от 150 до 175 Вт/кв.м;
— интенсивная работа — от 200 до 300 Вт/кв.м.
Условия проекта для данной конкретной разработки должны определяться исходя из детального изучения оптимизации. В основном, оптимальные температуры влажного шарика термометра бывают между 27,5°C и 28,5°C, а для менее механизированных действий приемлемы более низкие температуры.
Работоспособность уменьшается, а опасность болезни, связанной с теплотой, значительно увеличивается, когда температура влажного шарика термометра превышает 30°C, и работу обычно нельзя продолжать, когда температура влажного шарика термометра превышает 32,5°C.
Тепловые нагрузки шахты. Тепловая нагрузка шахты — это нагрузка теплоты в шахте, меньшая, чем охлаждающая способность вентилирующего воздуха. Тепловая нагрузка шахты включает эффекты самосжатия воздуха в воздушных потоках всасывания (конверсия потенциальной энергии к энтальпии по мере того, как воздушные потоки следуют вниз в шахту), потока теплоты в шахту от окружающей скальной породы, теплоты, исходящей из ломающейся скальной породы или любой воды из трещин прежде, чем она удалена из вентиляционной выработки или рабочих разделов шахты, и теплоты, получающейся от работы любого оборудования, используемого в ломке руды и процессах перевозки.
Охлаждающая способность воздуха вентиляции зависит как от проектных тепловых условий на рабочих местах, так и от фактических климатических условий на поверхности.
Хотя относительный вклад каждого источника теплоты в общее ее количество специфичен для каждого конкретного места, обычно главный источник –самосжатие, дающее 35-50% общего количества тепла.
По мере возрастания глубины шахты самосжатие может доводить охлаждающую способность воздуха до того, что ее значение становится отрицательным, и эффект поступления большего количества воздуха должен увеличить нагрузку охлаждения в шахте. В этом случае количество подаваемой вентиляции должно быть минимальным, насколько это согласуется с контролем загрязнителей, и требуется усиление интенсивности охлаждения, чтобы обеспечить производительные и безопасные условия труда.
Глубина добычи, при которой охлаждение становится необходимым, будет зависеть, прежде всего, от поверхностных климатических условий, расстояний, на которые воздух следует через вентиляционные воздушные сети всасывания до того, как он будет использован, и масштабом использования крупного оборудования (на дизельной или электрической тяге).
ПЕРВИЧНЫЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Сети. Первичные вентиляционные системы, или сети, предназначены для обеспечения потока воздуха через связанные между собой полости в шахте. Общая вентиляционная сеть имеет узлы, где встречаются три или большее количество воздушных трасс, ветви, представляющие собой воздушные трассы между узлами, и ячейки сети, которые являются закрытыми путями, проходящими через сеть. Хотя большинство рудничных сетей вентиляции разветвляется на сотни или даже тысячи ветвей, таких структур, как главный ввод (ветвь между поверхностью и местами добычи) и выводящая ветвь (ветвь между местами работ и поверхностью), бывает меньше десяти.
При большом числе ветвей в сети непросто определить характер потока и общую потерю давления. Хотя многие сети — простые серии или параллельно расположенные структуры, которые можно алгебраически и точно рассчитать, Может быть несколько сложных секций, требующих итерационных методов со сходимостью к могущему быть принятым допуску. Для сетевого анализа успешно использовались аналоговые компьютеры; однако они были заменены занимающими меньшее время цифровыми методами, основанными на методике приближения Харди-Кросс, разработанной для расчета сетей расхода воды.
Сопротивление воздушной трассы и потери от удара. Сопротивление туннеля или выемки шахты воздушному потоку — функция их размера и шероховатости поверхности, и результирующая потеря давления зависит от этого сопротивления и квадрата скорости перемещения воздуха. При добавлении энергии к системе может возникать сопротивление, которое будет превосходить потерю давления.
Это может происходить естественно там, где энергия обеспечивается теплотой от скальной породы и других источников (естественная вентиляция). Хотя это обычно было главным методом обеспечения вентиляции, преобразовывалось только от 2 до 3% энергии, и в жаркое лето скальная порода может фактически охлаждать воздух из вентиляционной выработки, что приводит к изменению направления потока воздуха.
В современных шахтах, чтобы обеспечить энергию воздушному потоку, обычно используется вентилятор, который преодолевает потерю давления, хотя результат естественной вентиляции может быть либо вспомогательным, либо слабым в зависимости от времени года.
Когда воздух перемещается по поверхности, находящиеся в непосредственной близости от нее воздушные молекулы бездействуют, а расположенные дальше скользят по ним с сопротивлением, которое зависит от вязкости воздуха. Там, где скорость возрастает с увеличением расстояния от поверхности, возникает скоростной градиент.
Пограничный слой, создающийся в результате этого явления, и ламинарный подслой, также образующийся по мере того, как развивается пограничный слой, сильно влияют на энергию, требуемую для того, чтобы продвинуть поток. Обычно шероховатость поверхностей воздушных путей на месте добычи достаточно велика для того, чтобы «удары» проходили через пограничный подслой. Воздушная трасса является тогда гидравлически шероховатой, а сопротивление — функцией относительной шероховатости, т.е. отношением высоты шероховатости к диаметру воздушной трассы.
Большинство воздушных трасс, проложенных посредством обычной практической обработки и методами взрыва, имеет высоты шероховатости между 100 и 200 мм, и даже у очень неровных грунтов средняя высота шероховатости не превысила бы 300 мм. Там, где воздушные трассы прокладываются с использованием буровых станков, высота шероховатости 5-10 мм и все еще поверхность считается гидравлически шероховатой.
Шероховатость воздушных трасс может быть уменьшена путем их выравнивания, хотя выравнивание — обычно скорее поддержка грунта, чем сокращение мощности, требуемой для распространения воздуха вентиляции. Например, большой выложенный бетоном ствол шахты с шероховатостью 1 мм имел бы переходное значение шероховатости, и число Рейнолдса, которое является отношением инерционных сил к вязким силам, также влияло бы на сопротивление потоку воздуха.
На практике, трудности с выравниванием гладкого бетона такого большого ствола шахты от вершины вниз по мере того, как он опускается, приводят к увеличенной шероховатости и сопротивлениям, приблизительно на 50 % более высоким, чем в случае гладкой поверхности.
При ограниченном числе вентиляционных выработок и воздушных трасс между местами работ и поверхностью в них происходит большая доля (от 70 до 90%) полной потери давления в шахте. Потери давления в воздушных трассах также зависят от того, имеются ли любые изменения, вызывающие потери удара типа изгибов, сокращений, растяжений или любых преград в воздушной трассе. Потери, происходящие из-за этих изменений типа изгибов внутрь и наружу воздушных трасс, будучи выраженными в терминах потерь, которые наблюдались бы по эквивалентной длине прямой воздушной трассы, могут составлять значительную долю общего количества потерь и нуждаются в более тщательной оценке, особенно при рассмотрении главных вентиляторных выработок и выходов. Потери зависят от количества разделения пограничного слоя; они сводятся к минимуму, если избегать внезапных изменений в пространстве.
Сопротивление воздушных трасс преградам. Влияние преграды на потери давления зависит от коэффициента торможения и коэффициента заполнения, который является отношением области блокирования объекта к области поперечного пересечения воздушной трассы. Потери, вызванные преградами, могут быть сокращены, путем снижения до минимума разделения пограничного слоя и степени любого турбулентного следа путем увеличения обтекаемости объекта.
На коэффициент торможения влияют их форма и расположение объекта в стволе шахты; сравнительными значениями будут: луч — 2.7; квадрат — 2.0; цилиндр — 1.2; удлиненный шестиугольник — 0.6; и полностью обтекаемый предмет — 0.4.
Даже при небольших коэффициентах заполнения и низких коэффициентах торможения, если преграда повторяется регулярно, типа случая с лучами, отделяющими подъем отделений в стволе шахты, кумулятивное влияние на потери давления существенно. Например, сопротивление ствола шахты, оборудованного наполовину обтекаемыми удлиненными шестиугольными лучами, и с коэффициентом заполнения 0,08 было бы приблизительно вчетверо больше, чем одной бетонного обтекаемого ствола шахты.
Хотя материальные затраты на наиболее доступные прямоугольные полые секции конструкционной стали больше, чем на 1 луч, коэффициенты торможения составляют приблизительно третью часть и легко оправдывают их применение.
Главные и вспомогательные вентиляторы. Как осевые, так и центробежные вентиляторы используются для того, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха в вентиляционных установках шахты, с достижимым коэффициентом полезного действия более чем 80%. Выбор между осевым или центробежным потоком для главных вентиляторов шахты зависит от стоимости, размера, давления, прочности, эффективности и любого изменения деятельности.
В шахтах, где отказ от вентилятора может приводить к опасному накоплению метана, устанавливаются дополнительные вентиляторы, чтобы гарантировать непрерывность вентиляции. Где ситуация не настолько критическая и при установке двойного вентилятора, если один вентилятор останавливается, будет поступать примерно две трети воздушного потока в шахту. Вентиляторы вертикального осевого потока, устанавливаемые по воздушным трассам, вызывают низкие затраты, но ограничены приблизительно 300 куб.м/с.
Для больших количеств воздуха требуются множественные вентиляторы, и они связаны с выходом выводным каналом и изгибом. Чтобы получить самую высокую эффективность при разумных затратах, используются системы вентиляторов потока низкого давления (менее 1.0 кПа) и центробежных вентиляторов высокого давления (более 3.0 кПа) системы.
Для промежуточных значений давлений подходит любой выбор. Где требуется прочность, как при выпуске со скоростями воздуха выше критического диапазона, и там, где из системы выводятся капли воды, надежнее центробежный вентилятор. Критический диапазон скорости воздуха — между 7.5 м/с и 12.5 м/с, где капли воды могут остаться в суспензии в зависимости от их размера. В пределах этого диапазона может возникать множество суспендированной воды и увеличивать давление в системе, пока вентилятор не остановится. Это область, где часть воздуха циркулирует назад вокруг лопастей, и деятельность вентилятора становится непостоянной. Хотя это нежелательно для любого типа вентилятора, возможность выхода из строя лопасти центробежного вентилятора в этой области колебания потока значительно меньше, чем лопасти осевого вентилятора.
Редко бывает, что требуется главный вентилятор для работы в одном и том же пункте на протяжении существования разработки, и желательны эффективные методы изменения режима работы вентилятора. Хотя переменная скорость действия приводит к наиболее эффективной работе как осевых, так и центробежных вентиляторов, затраты, особенно для крупных вентиляторов, велики.
Режим работы осевого вентилятора может быть изменен путем регулировки угла лопасти, и это может быть выполнено или путем остановки вентилятора, или (при значительно более высоких затратах), когда он вращается. Передавая вращающий момент воздуху, поступающему в вентилятор с разными длинами лопастей, можно изменить режим работы центробежного вентилятора на ходу.
Эффективность центробежного вентилятора на расстоянии от места установки уменьшается быстрее, чем таковая вентилятора осевого, и, если требуется высокая эффективность действия по широкому диапазону пунктов и давления, то выбирают вентилятор осевой.
Вентиляционные системы. Обычно главный вентилятор расположен в общей системе на поверхности у выхода воздушной трассы. Главные основания для этого — простота, где всасывание часто идет по восходящему пути, а выход — отдельная воздушная трасса, и снижение до минимума тепловой нагрузки путем удаления вентиляторов с воздушных трасс всасывания. Вентиляторы могут быть установлены при подъеме стволов шахты или в режиме притока или вытяжки, обеспечивая замкнутый контур. Однако там, где рабочие, материалы или скальная порода также попадают в ствол шахты или остаются в нем, существует возможность утечки воздуха.
Системы типа «тяни-толкай», где установлены и приточные, и вытяжные вентиляторы, используются или чтобы уменьшать максимальное давление в системе путем распределения, или чтобы обеспечивать очень малый перепад давления между местами работам и поверхностью. Это подходит в шахтах, использующих методы обрушивания кровли, где утечка через обрушенную область может быть нежелательна. При больших перепадах давления, хотя воздушная утечка через зону обрушивания обычно небольшая, это может вводить теплоту, радиацию или создавать проблемы окисления на рабочих местах.
Подземные вспомогательные вентиляторы из-за ограниченного пространства являются почти всегда вентиляторами осевого потока, и они используются, чтобы увеличить поток в более глубокие или более отдаленные части шахты. Их главный недостаток — возможность обратной циркуляции между выходом вспомогательного вентилятора и воздушными трассами всасывания.
Только создавая меньший поток воздуха к вспомогательным вентиляторам, где они требуются, можно достигать более низкого давления для всего воздушного потока и следующего из-за этого сокращения общей желательной мощности вентиляторов.
ВТОРИЧНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ
Вспомогательные системы. Вторичные вентиляционные системы требуются там, где сквозная вентиляция невозможна, как при создании главного штрека. Возможны четыре варианта размещения, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Система принуждения дает самый прохладный и самый свежий воздух, достигающий лобовой поверхности и позволяющий использовать более дешевый гибкий канал. Большая скорость воздуха, выходящего с конца вводного канала, создает струю, которая дает дополнительный воздух и помогает удалять с лобовой поверхности загрязнители и обеспечивать приемлемую скорость у поверхности. Его главный недостаток — то, что остальная часть главного штрека вентилируется воздухом, который загрязнен газами и пылью, возникающими при работе на лобовой поверхности. Это составляет особую проблему после взрыва, когда возрастает время возвращения к безопасному состоянию.
Система истощения позволяет удалить все загрязнители с лобовой поверхности и обслуживает остальную часть главного штрека всасываемым воздухом. Недостатки здесь в том, что поток теплоты от окружающей скальной породы и влажные испарения приводят к повышению температуры воздуха у лобовой поверхности; действия в главном штреке сзади от лобовой поверхности, типа удаления скальной породы с использованием дизельного оборудования, загрязняют всасываемый воздух; отсутствует воздушная струя, охватывающая лобовую поверхность; а также требуется более дорогостоящий канал, который способен выдерживать разрежения.
В системе истощения-перекрытия преодолевается проблема очистки лобовой поверхности воздушной струей путем установки меньших вентилятора и канала. Вдобавок к более высокой стоимости еще один недостаток — то, что перекрытие должно быть придвинуто к лобовой поверхности.
В системе перемены хода используется режим принудительной вентиляции, кроме времени взрыва и после взрыва, когда поток воздуха полностью изменен. Его главное применение — в понижении забоя, где время возвращения для глубоких стволов шахты может препятствовать тому, чтобы использовалась только принудительная система. Обратный ток воздуха можно получить или используя амортизаторы во входном отверстии вентилятора и на выходе, или пользуясь преимуществом вентиляторов осевого потока, у которых изменение направления вращения лопасти приводит к появлению обратного потока, составляющего приблизительно 60 % от нормального поставляемого потока.
Вентиляторы и каналы. Вентиляторы, используемые для вторичной вентиляции — почти исключительно осевые. Для достижения высоких давлений, необходимых для того, чтобы заставить воздух течь через длинные каналы, могут использоваться многократные вентиляторы — как противоточные, так и прямоточные. Утечка воздуха — самая большая проблема во вспомогательном вентиляторе и системах каналов, особенно при больших расстояниях. Твердые каналы, изготовленные из стали с гальваническим покрытием или стекловолокна, будучи установлены с уплотнениями, имеют соответственно низкую утечку и могут использоваться для того, чтобы разрабатывать главные выработки до нескольких километров длины.
Гибкие каналы значительно дешевле, и их проще устанавливать; однако, утечка в соединениях и легкость, с какой они разрываются при контакте с передвижным оборудованием, приводят к значительно большим потерям воздуха. На практике использование гибкого канала ограничено, и длина его редко превышает 1,0 км, хотя они могут быть удлинены, используя более длинные каналы и предотвращая контакт между каналом и передвижным оборудованием.
СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ
Как сквозная вентиляция, так и вспомогательный вентилятор и системы каналов используются для того, чтобы обеспечить вентиляцией места, где может работать персонал. Используется контроль вентиляции для направления воздуха к рабочему месту и сокращения до минимума короткого цикла или потери воздуха между приточной и вытяжной трассами.
Чтобы остановить воздух, текущий через соединяющий туннель, используется переборка. Материалы конструкции будут зависеть от перепада давления и того, будет ли оказываться воздействие взрывной волны. Гибкие занавесы, приложенные к окружающим поверхностям скальной породы, наиболее удобны для систем низкого давления, таких, как разделяющие приточные и вытяжные воздушные трассы в наборе «комната и столб», обслуживаемом непрерывным шахтером. Деревянные и бетонные переборки подходят для условий более высоких давлений и могут включать тяжелую резиновую откидную створку, могущую открываться, чтобы свести к минимуму любое повреждение от взрыва.
Дверь вентиляции необходима там, где нужен проход для пешехода или проезд для колесного транспорта. Материалы конструкции, механизм открывания и степень автоматизации определяются перепадом давления и частотой открытия и закрытия. Для высоких давлений могут быть установлены две или даже три двери, чтобы создать воздушные промежутки и уменьшить утечку и потерю всасываемого воздуха. Чтобы способствовать открытию дверей воздушного промежутка, они обычно содержат небольшую скользящую секцию, которая сначала открыта, чтобы позволить уравнивание давления с обеих сторон двери.
Регулятор используется там, где количество воздуха, текущего через туннель, должно быть сокращено скорее, чем будет полная остановка, а также там, где не требуется доступ. Регулятор — это переменное отверстие (диафрагма) и, изменяя его площадь, можно также изменить количество воздуха, проходящего через него. Опускающаяся доска — один из самых простых типов, где бетонная рама поддерживает каналы, в которых чередуются деревянные доски и открытые участки.
Другие типы (типа жалюзи бабочки) могут быть автоматизированы и дистанционно управляться. На верхних уровнях в некоторых системах открытого стопинга, может требоваться нечастый доступ через регуляторы, и гибкие наборы могут быть просто подняты или понижены, чтобы обеспечить доступ при уменьшении ущерба от взрыва. Использовались даже куски ломаной скальной породы для того, чтобы увеличить сопротивление в секциях уровня, где временно никаких работ по добыче не ведется.
ОХЛАЖДЕНИЕ И СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Первая система охлаждения при добыче полезных ископаемых была установлена в Морру-Велью (Бразилия) в 1919 г. С тех пор рост их во всем мире был линеен и достигал приблизительно 3 мегаватта охлаждения (MWR) ежегодно до 1965 г., когда общая производительность достигла приблизительно 100 MWR. Начиная с 1965 г. развитие систем охлаждения в горнодобывающей промышленности экспоненциально росло в объеме с удвоением его каждые шесть или семь лет. На развитие техники охлаждения влияли как индустрия кондиционирования воздуха, так и сложности, связанные с системой динамической разработки месторождений, при которой загрязнение поверхностей теплообменников может сильно влиять на количество вырабатываемого холода.
Первоначально рефрижераторные заводы создавались на поверхности земли, и охлаждался воздух, поступающий в шахты. По мере того, как увеличивалось расстояние от места работ под землей, охлаждающий эффект снижался и рефрижераторные заводы были перемещены под землю ближе к местам работ.
Ограниченная возможность избежать нагревания под землей и простота заводов на поверхности земли привели к перемещению их обратно на поверхность. Однако вдобавок к охлаждению воздуха они теперь еще поставляют под землю ледяную воду. Последняя может использоваться в охладительных устройствах на территориях, смежных с местами работ, или как техническая вода при обслуживании бурения и для подавления пыли.
Оборудование рефрижераторных заводов. Системы охлаждения, основанные на давлении пара, используются исключительно для шахт, и имеют центральным элементом наземных заводов компрессор. Индивидуальные мощности могут изменяться от 5 MWR до более, чем 100 MWR, и обычно требуют множественных компрессоров, которые оборудованы либо центрифугами, либо устройством положительного смещения винта. В качестве охлаждающего вещества обычно используется аммоний для наземных заводов и подходящий углеводород для работ под землей.
Теплота, требуемая для конденсации охлаждающего вещества после сжатия, выбрасывается в атмосферу и для того, чтобы свести к минимуму мощность, требуемую для обеспечения охлаждения разработки, она поддерживается насколько возможно низкой. Температура влажного шарика термометра всегда ниже, чем температура сухого шарика термометра или равна ей, и следовательно инвариантно выбираются системы отклонения с влажной теплотой.
Охлаждающее вещество может конденсироваться в оболочке и трубе или чашке и теплообменнике, используя воду и выделенную теплоту, и затем выбрасываться в атмосферу в охлаждающейся башне. Альтернативным образом эти два процесса могут быть объединены путем использования испарителя, где охлаждающее вещество циркулирует в трубах, по которым проводится воздух и распыляется вода.
Если охлаждающий завод расположен под землей, отработанный воздух из шахты используется для удаления теплоты, пока вода испарителя не выкачана к поверхности. Работа подземного завода ограничена количеством доступного воздуха и более высокими температурами влажного шарика термометра относительно таковых на поверхности.
После прохождения конденсированного охлаждающего вещества через клапан расширения испарение жидкости и газовой смеси, находящихся при низкой температуре, заканчивается в другом теплообменнике, который охлаждает и обеспечивает охлажденную воду. В свою очередь, это используется как для охлаждения поступающего воздуха, так и для обеспечения холодом воды, поступающей на шахту. Контакт между водой, воздухом вентиляции и шахтой уменьшает качество воды и увеличивает загрязнение теплообменника.
Это увеличивает сопротивление тепловому потоку. Где можно, этот эффект сводится к минимуму путем выбора оборудования, имеющего большие водные побочные площади поверхности, которые легко чистить. На поверхности земли и под землей используются камеры распыляемого раствора и охлаждающие башни, чтобы обеспечить более эффективный прямой теплообмен между охлаждаемым воздухом и охлажденной водой. Охлаждающие змеевики, которые разделяют воздушные и водные потоки, забиваются пылью и частицами дизельного топлива, и их эффективность быстро снижается.
Могут использоваться системы получения энергии для возмещения расходов на выкачивание воды из шахты, и турбины Пелтона хорошо подходят для такого применения. Использование холодной воды как охлаждающей технической воды обеспечило доступность охлаждения везде, где ведется добыча полезных ископаемых; ее использование значительно увеличило эффективность системы охлаждения шахт.
Ледяные системы и местные холодильники. Охлаждающаяся способность ледяной воды, подаваемой под землю в объеме 1.0 л/с, — от 100 до 120 kWR. На шахтах, где охлаждение требуется в большом масштабе на глубине более 2 500 м, затраты на циркуляцию охлажденной воды могут оправдывать замену ее льдом. Если принять во внимание скрытую теплоту таяния льда, охлаждающаяся способность каждого 1.0 л/с увеличивается приблизительно в четыре раза, таким образом, сокращая массу воды, которая должна быть накачана из шахты назад к поверхности. Сокращение мощности накачки вследствие использования льда для переноса холода возмещает увеличение мощности охлаждающего завода, требуемой для производства льда, и невыполнимость получения энергии.
Развитие — это обычно деятельность по добыче с самыми большими тепловыми нагрузками относительно количества воздуха, доступного для вентиляции. Это часто приводит к температурам на рабочих местах, значительно более высоким, чем встречающиеся при другой добывающей деятельности на той же шахте. Там, где применение охлаждения — проблема, ограничивающая деятельность шахты, местные холодильники, специально предназначенные для вентиляции, могут задерживать ее общую работу.
Местный холодильник — по существу миниатюрный подземный охлаждающий завод, где теплота отводится в рециркуляционный воздух от источника и обычно обеспечивает от 250 до 500 kWR охлаждения.
КОНТРОЛЬ И КРИТИЧЕСКИЕ СИТУАЦИИ
Обследование вентиляции, которое включает измерения потока воздуха, загрязнителей и температур, предпринимается на стандартном основании для того, чтобы выполнить и установленные законом требования и обеспечить и далее меры эффективности используемых методов управления вентиляцией. Где этого требует практика, важные параметры типа работы главного вентилятора проверяются непрерывно. Некоторая степень автоматического контроля возможна там, где критический загрязнитель проверяется непрерывно и, если заранее установленный лимит превышен, может быть запрошено корректирующее действие.
Более детальные обследования барометрического давления и температур предпринимаются реже и используются для того, чтобы подтвердить сопротивления воздушной трассы и помочь в планировании расширения существующей деятельности. Эта информация может использоваться, чтобы корректировать сетевые сопротивления моделирования и отражать фактическое распределение потока воздуха. Системы охлаждения могут также моделироваться, а поток и измерения температуры анализироваться для определения фактической деятельности оборудования и контроля любых изменений.
Критические ситуации, которые могут затрагивать вентиляционную систему — это пожары в шахтах, внезапные взрывы газа и сбои питания. О пожарах и взрывах речь будет идти в другом месте этой главы, а сбои питания — единственная проблема в глубоких шахтах, где температуры воздуха могут увеличиваться до опасных уровней. Обычно используют резервный вентилятор на дизельной тяге, чтобы гарантировать небольшой поток воздуха через шахту при этих условиях. Обычно когда под землей случается критическая ситуация типа пожара, лучше не связываться с вентиляцией, пока персонал, знакомый с нормальным характером потока, все еще под землей.
M.J. Howes
БЕСПЛАТНАЯ ПОДПИСКА НА ЕЖЕНЕДЕЛЬНЫЙ ОБЗОР
КЛИНСКОГО ИНСТИТУТА ОХРАНЫ И УСЛОВИЙ ТРУДА
Оперативная и актуальная информация на электронную почту
Все публикации
