Оптимизация параметров систем управления проветриванием рудных шахт в условиях аварийных ситуаций

При подземной разработке месторождений всё большее значение приобретает задача создания в шахтах и рудниках нормальных атмосферных условий. От решения этой задачи зависит возможность сохранения здоровья рабочих и обеспечения необходимого роста производительности труда. Современное состояние шахтной аэрологии позволяет обоснованно решать преобладающее большинство задач практической вентиляции. Однако наряду со значительными успехами в решении ряда вопросов вентиляции на практике приходится сталкиваться с явно неудовлетворительным состоянием проветривания.

На протяжении сорока лет в структуре ВГСЧ Урала существует служба воздушно-депрессионных съёмок, проводящая обследование проветривания всех рудных шахт Урала. Результаты обследований дают основание утверждать, что существующая вентиляция зачастую не удовлетворяет предъявляемым требованиям. В связи с большими утечками обеспеченность очистных и подготовительных забоев потребным количеством воздуха недостаточна. Поэтому наблюдается увеличение продолжительности проветривания. При слабой принудительной вентиляции на общий режим проветривания существенное влияние оказывает естественная тяга. В ряде случаев она уменьшает количество проходящего воздуха, а иногда определяет направление его движения. При значительных колебаниях температуры воздуха на поверхности направление движения воздуха в части выработок меняется на обратное. Вентиляция соответствующих участков шахт оказывается неуправляемой.

Недостаточно интенсивное проветривание ряда участков, зависящее от температуры воздуха на поверхности, создаёт предпосылки для накопления вредных газов в рудничном воздухе со всеми вытекающими отсюда последствиями. Простои на время проветривания и неблагоприятные атмосферные условия отрицательным образом влияют на производительность труда рабочих и снижают производственную мощность шахт.

Особенно заметное влияние естественной тяги проявляется на шахтах при совмещённой системе отработки (открытым и подземным способом) месторождения и шахтах, имеющих связь горных работ с поверхностью через обрушения.

Обрушения являются весьма активными ветвями шахтной вентиляционной сети. Поэтому при проектировании вентиляционных систем и налаживании проветривания на шахтах их наличием пренебрегать нельзя.

Процессы, происходящие при проветривании подобных шахт с наличием внутришахтных естественных тяг, в достаточной мере изучены и освещены в научной литературе. Однако, в условиях чрезвычайных ситуаций, особенно связанных с эндогенными и экзогенными пожарами, когда дополнительно, кроме учтённой общешахтной естественной тяги, возникают локальные внут-ришахтные тепловые побудители движения воздуха, появляются проблемы с воздухораспределением в выработках, обеспечении безопасности горноспасательных работ, спасении людей и т. д. Вентиляция может стать неконтролируемой, трудно предсказуемой и даже опасной.

В настоящей работе в соответствии с необходимостью коренного улучшения и создания эффективной управляемой вентиляции при нормальных и чрезвычайных ситуациях рассматриваются следующие главные вопросы:

1.Влияние дополнительных побудителей движения воздуха, проявляющихся в виде естественных тяг через обрушения, а также возникающих при подземных пожарах на управление общешахтным проветриванием.

2. Методы моделирования вентиляционных сетей шахт с несколькими дополнительными побудителями движения воздуха.

3.Методы и способы расчёта вентиляционных систем шахт при возникновении пожаров.

Решение перечисленных вопросов позволит значительно облегчить выбор наиболее целесообразных путей моделирования вентиляционных систем при выработке оптимальных решений управления проветриванием в условиях чрезвычайных ситуаций, связанных с подземными пожарами.

Основные результаты исследований, выводы и рекомендации работы заключены в следующем.

1. Дана оценка состояния вентиляции рудных шахт. Анализ результатов многолетних натурных наблюдений позволяет констатировать незначительное улучшение современного общешахтного проветривания, по сравнению с периодом 70-х годов прошлого века. Остаётся недостаточная обеспеченность горных работ свежим воздухом, велики внешние и внутришахтные утечки, низок коэффициент полезного действия вентиляторов главного проветривания на 15-К20% ниже проектных и т. д.

2. Одной из причин подобной ситуации является наличие в шахтах не в полной мере учтённых в проектах дополнительных связей горных работ с поверхностью через провалы, пустоты обрушения над отработанными частями месторождений. Их появление приводит к увеличению эквивалентного отверстия и снижению аэродинамического сопротивления шахт, что сказывается на аэродинамических параметрах работы главных вентиляторных установок, дополнительным трудностям воздухораспределения, снижению степени управляемости как при нормальном так и аварийном проветривании, возникновению многочисленных естественных тяг с их сложным взаимодействием и направленностью, возможному загрязнению ядовитыми газами от взрывных работ обрушений и выработанных пространств и пр.

3. При хорошей изученности аэродинамических параметров дополнительных вентиляционных связей через обрушения и провалы, заполненных кусковым материалом, учёт их как вентиляционных ветвей шахтной системы при организации управления проветриванием сложен и трудоёмок. Это объясняется тем, что отличительными от выработок специфическими особенностями. А именно: фильтрация воздуха по громадным площадям с различными скоростями, закон сопротивления движению воздуха отличается от квадратичного, на путь фильтрации оказывают влияние многочисленные естественные тяги, в одной горизонтальной плоскости могут двигаться чистые и загрязнённые объёмы воздуха, возникают благоприятные условия для образования застойных зон.

4. Выполнен анализ разработанных к настоящему времени способов и средств по исключению дополнительных связей из системы вентиляции. В полной мере их исключение за счёт изоляции вентиляционными перемычками, засыпкой и заиловкой провалов и воронок, применением наиболее эффективного комбинированного общешахтного проветривания невозможно. Они сохранят до глубины отработки месторождений 1500-^-2000 м свою аэродинамическую активность.

5. Для эффективной и управляемой вентиляции наличие движения воздуха по дополнительным путям должно учитываться в вентиляционных расчётах, как при нормальных условиях регулирования распределения воздуха, так и при аварийных режимах. Особое внимание должно уделяться локальным естественным тягам и их взаимодействия с работой главных вентиляторных установок. В частности, при авариях, связанных с подземными пожарами, возникающие достаточно большой величины тепловые депрессии (тяги) способны привести к полной дезорганизации вентиляции.

6. В планах ликвидации аварий (ПЛА) учёт постоянно действующих (общешахтным и локальных) и вновь возникающих при пожарах естественных тяг производится для определённых стационарных периодов. Изменение ситуации в вентиляционной системе шахты в процессе ликвидации аварии должны прослеживаться в любой момент времени. Поэтому ПЛА должен содержать модель вентиляционной системы способной обеспечить с помощью современного технического оснащения (ЭВМ) расчёты воздухораспределения в шахте для любого этапа аварии.

7. Выполнен анализ существующих методов определения величин естественных тяг. Показана простота и рациональность на основе законов гидростатики. Достоверность и точность методов зависит, в основном, от температуры и высоты столба воздуха.

8. Выполнена оценка достоверности существующих методик расчёта температур в подземных выработках (горизонтальных, наклонных, вертикальных) при нормальных режимах вентиляции. Для установления точности и достоверности используемых методик проведено сравнения расчётных величин температур с фактическими данными на шахте «Естюнинская». Фактические данные получены по результатам тепловой съёмки. Отклонения расчётных величин от фактических по разным методикам находятся в интервалах допустимых ошибок для инженерных расчётов. Рассмотренные методики не могут быть использованы в условиях подземных пожаров.

9. Сложное взаимодействие локальных естественных тяг показано на примере опрокидывания воздушных потоков в группе стволов шахты «Магнетито-вая» в осеннее-зимний период при нормальном функционировании общешахтной вентиляции. Условия опрокидывания определяются температурами воздуха в стволах и обрушении. Изменение температур, а, следовательно, величин и направлений действия естественных тяг, связано с метеорологическими параметрами поверхностной атмосферы.

Ю.Рассмотрены факторы, способствующие возгоранию и развитию подземных пожаров. Дана характеристика возникающих локальных естественных тяг в районе пожаров.

11. Предложена математическая модель распределения тепла в выработке по длине и во времени. Разработана методика определения температуры в выработках или в обрушении на любом удалении от очага пожара. Расчётные величины температур позволяют определить значения естественных тяг и конкретизировать границы работ горноспасателей при ликвидации пожара.

12. Обоснована рациональность и эффективность использования при возникающих авариях программного комплекса планов ликвидации аварий. Предложена структура электронной формы ПЛА, включающая в себя три модуля:

— «План ликвидации аварий»;

— «Фиксирование мероприятий ПЛА»;

— «Вентиляционная модель».

13. Разработан программный комплекс расчёта воздухораспределения в шахтах, включающий в себя создание вентиляционной модели с дополнительными побудителями (естественными тягами) движения воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современная вентиляция рудных шахт позволяет обеспечивать требуемые санитарно — гигиенические условия труда в подземных выработках.

Однако, постоянно имеющее место усложнение горно — геологических и технико-технологических условий эксплуатации горных предприятий выдвигает новые проблемы. Ряд вопросов в общешахтном и местном проветривании связаны с трудностями воздухораспределения, доставки свежего воздуха к рабочим местам, учёта в вентиляционных системах дополнительных побудителей движения воздуха, снижения непроизводительных утечек и т. д. Эти вопросы, в конечном итоге, определяют степень эффективности управления проветриванием. Особые условия, которые могут привести к неконтролируемой и даже неуправляемой вентиляции, чаще всего связаны с подземными пожарами.

Данная работа посвящена совершенствованию способов и средств управления вентиляцией шахт при аварийных ситуациях.