17.1 Причины, вызывающие необходимость регулирования

При ведении горных работ в значительной степени изменяются параметры, определяющие вентиляцию шахт: длина пути следования воздуха, аэродинамическое сопротивление выработок, их газообильность и т.д. Параметры, по которым рассчитывается вентиляция выработок и шахт в целом, могут изменяться не только за длительные промежутки времени, но и в относительно небольших интервалах, например, в пределах недели или месяца. Для своевременной реакции вентиляции на эти колебания необходимо гибкое регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети шахты.

Регулирование распределения воздуха в горных выработках является сложной задачей, так как изменение вентиляционных параметров – аэродинамического сопротивления, количества воздуха, депрессии – в одной из ветвей сети приводит к изменению воздухораспределения в других ветвях, а также вызывает изменение режима работы главного вентилятора.

В практике рудничной вентиляции применяют различные способы регулирования количества воздуха. Увеличение или уменьшение общешахтного количества воздуха достигается изменением режима работы главного вентилятора и общего аэродинамического сопротивления шахты, надшахтного здания. Регулирование распределения воздуха в отдельных выработках или соединениях выработок осуществляется изменением аэродинамического сопротивления отдельных ветвей, установкой вспомогательных вентиляторов, воздушными завесами.

Все способы регулирования распределения воздуха подразделяются на отрицательные и положительные. Отрицательными сопротивлениями являются такие, которые приводят к увеличению аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахтной сети в целом. Очевидно, что применение отрицательного регулирования распределения воздуха приводит к увеличению расхода энергии на проветривание шахты. Положительными являются способы, не связанные с увеличением аэродинамического сопротивления выработок. При положительных способах регулирования перераспределение воздуха в ветвях сети достигается либо за счет уменьшения аэродинамического сопротивления выработок, либо за счет увеличения количества воздуха и депрессии ветвей путем установки в них дополнительных источников тяги.

17.2 Отрицательное и положительное регулирование

Увеличение аэродинамического сопротивления выработок является одним из наиболее распространенных способов регулирования распределения воздуха в вентиляционных сетях. По своей сущности этот способ регулирования является отрицательным, так как увеличение аэродинамического сопротивления любой из ветвей сети, в конечном счете, требует затрат энергии воздушного потока на преодоление дополнительно введенного сопротивления.

Искусственное увеличение аэродинамического сопротивления ветвей достигается установкой в них регуляторов отрицательного типа – вентиляционных дверей и окон.

Вентиляционные окна (рис. 17.1) представляют собой отверстия в вентиляционных дверях или перемычках, пропускающие определенное количество воздуха. Целесообразно устраивать окна с изменяющейся площадью отверстия, что делает возможным производить регулирование более гибко.

С аэродинамической точки зрения вентиляционное окно представляет собой диафрагму, которая вызывает резкое сужение воздушного потока (рис. 17.2). Сужение это продолжается за пределами окна до сечения II – II, затем поток расширяется. Таким образом, вентиляционное окно является местным аэродинамическим сопротивлением выработки. Когда воздушный поток проходит окно, происходит сжатие и расширение струи с возникновением обратных токов и завихрений.

3

Рисунок 17.1 – Схема устройства вентиляционного окна в выра-

ботке

1 – глухая перемычка;

2 – окно;

3 – шибер для регулирования.

Рисунок 17.2 – Схема движения воздуха через вентиляционное

окно

Потеря давления в потоке при прохождении окна, или депрессия окна, определяется из выражения

, (17.1)

где  – удельный вес воздуха;

g – ускорение свободного падения;

₁ – средняя скорость движения воздуха в сечении I – I;

₂ – средняя скорость движения воздуха в сечении II – II.

Выражая средние скорости через количество воздуха Q и сечение потока S, получим для сечения I – I

(17.2)

и для сечения II – II

. (17.3)

Сечение потока в месте максимального сужения II – II можно выразить через площадь сечения окна S₀:

S₀ = к·S (17.4)

где к - коэффициент сужения потока (по экспериментальным данным

 = 0,65).

Подставив в выражение (17.1) значения , g, к и зависимости (17.2) – (17.4) и произведя некоторые преобразования, получим формулу для определения площади окна:

, (17.5)

где S – площадь поперечного сечения выработки в месте установки

окна.

Учитывая, что h₀ = R₀·Q², получим расчетную формулу в другом виде:

, (17.6)

где R₀ – аэродинамическое сопротивление окна.

Формулы для определения площади сечения окна (17.5) и (17.6) получены в предположении, что к=0,65. Коэффициент имеет это значение при условии  0,5.

При > 0,5 значение к возрастает; тогда для расчёта площади сечения окна пользуются зависимостями:

; (17.7)

. (17.8)

Из формул (17.6) – (17.8) можно вывести зависимости для определения аэродинамического сопротивления окна.

При  0,5

; (17.9)

при > 0,5

. (17.10)

В практике вентиляции наряду с отрицательными способами регулирования распределения воздуха в вентиляционных сетях широко используются методы положительного регулирования.

Одним из основных методов положительного регулирования распределения воздуха является уменьшение аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахты в целом.

Из формулы депрессии для отдельной выработки следует, что уменьшение аэродинамического сопротивления достигается либо снижением коэффициента аэродинамического сопротивления , либо уменьшением длины выработки L, либо увеличением площади поперечного сечения выработки S.

Рассмотрим движение воздуха в параллельном соединении ветвей по схеме, представленной на рис. 17.3. Предположим, что по условиям производства требуется увеличить подачу воздуха в ветвь 1 и одновременно снизить подачу в ветвь 2.

Распределение воздуха в соединении до проведения регулирования определяется соотношением

R₁·Q₁² = R₂·Q₂², (17.11)

где R₁, R₂ – аэродинамическое сопротивление ветвей 1 и 2 до регу-

лирования;

Q₁, Q₂ – количество воздуха в ветвях 1 и 2 до регулирования.

Регулятор

R₁, Q₁

1

Q

Q

R₂, Q₂

2

Рисунок 17.3 – Схема к регулированию распределения воздуха в

параллельном соединении.

Увеличению количества воздуха в ветви 1 должно соответствовать такое уменьшение аэродинамического сопротивления, при котором выдерживается соотношение:

R₁·Q₁² = R₂·Q₂² (17.12)

где R₁, Q₁ – соответственно аэродинамическое сопротивление и ко-

личество воздуха в ветви 1 после регулирования;

Q₂ – количество воздуха в ветви 2 после регулирования.

Из выражения 17.12 получаем требуемое значение аэродинамического сопротивления ветви 1 для заданного распределения расходов воздуха:

. (17.13)

С учетом выражения 17.11 можно получить зависимость для определения необходимой величины уменьшения аэродинамического сопротивления ветви 1:

R₁=R₁ – R₁^’= R₂· . (17.14)

Если уменьшить аэродинамическое сопротивление удобно снижением коэффициента  (например, изменением типа крепи в выработке или обшивкой её стенок), то необходимую величину изменения  можно определить из выражения:

, (17.15)

где S, P и L – площадь поперечного сечения, его периметр и дли-

на выработки.

Аналогичным образом определяется увеличение площади поперечного сечения выработки для уменьшения её сопротивления рассматриваемым способом.

Необходимое значение площади поперечного сечения:

, (17.16)

а необходимое приращение сечения:

, (17.17)

где S₁ и S’₁ – площадь поперечного сечения выработки 1 (см.

рис.17.3) соответственно до и после регулирования.

Таким же образом решается вопрос и при более сложных видах соединений горных выработок. В случае, когда речь идёт о снижении сопротивления в многоструйных соединениях, необходимые мероприятия следует осуществлять в выработке с наибольшим аэродинамическим сопротивлением.

Иногда возникает необходимость уменьшить аэродинамическое сопротивление соединения выработок в целом (например, когда требуется перераспределить количество воздуха между двумя рабочими горизонтами шахты). Значительное снижение сопротивления достигается при этом проведением дополнительной выработки, параллельной ветвям с большим сопротивлением, а также уменьшением длины пути движения воздуха.

В некоторых случаях аэродинамическое сопротивление выработок может быть несколько снижено, если очистить их от породы и других загромождающих материалов. Необходимо также снижать местные аэродинамические сопротивления, например, расширять сечение в местах погрузочных пунктов в конвейерных выработках, делать повороты на сопряжениях закруглёнными, изменение сечений – плавными и т.д.