Способы и схемы проветривания шахт

На выбор способа вентиляции оказывают влияние следующие основные факторы:

• схема вскрытия,
• порядок отработки шахтного поля,
• глубина разработки,
• газообильность выработок,
• величина депрессии,
• наличие аэродинамической связи с поверхностью или с другими подземными сооружениями,
• применяемые системы разработки,
• соотношение аэродинамических сопротивлений крыльев шахты,
• направление и величина естественной тяги,
• возможность установки на тех или иных стволах вентиляторов главного проветривания,
• экономичность.

Нагнетательный способ проветривания состоит в том, что перепад давления в системе создается путем повышения давления воздуха вентилятором воздуха в воздухоподающей выработке. За счёт механической энергии вентилятора атмосферное давление на выходе из него увеличивается, а в воздухоподающей выработке становится равным атмосферному. В выработках создаётся перепад давления, который представляет собой депрессию всей сети выработок, определяемую как h равной P 1 – P 0.

Основными достоинствами нагнетательного способа являются:

• Возможность применения одной вентиляторной установки при фланговой системе проветривания.
• Возможность ведения горных работ без общего вентиляционного горизонта.
• Легкость регулирования распределения воздуха в сети управления вентиляционными режимами.
• Отсутствие подсосов воздуха с поверхности.
• Только чистый воздух, проходящий через вентилятор главного проветривания, незагрязненный пылью и газами, что повышает срок службы вентилятора.

К основным недостаткам нагнетательного способа следует отнести:

• Опасность загазования выработок в газовых шахтах при внезапной остановке вентилятора главного проветривания.
• Необходимость устройства герметичного надшахтного здания у ключевого воздухопопадающего ствола; а в остальных случаях вентилятор, работающий на нагнетание, должен устанавливаться на специальных столах, не оборудованных подъёмом;
• Необходимость применения мощных вентиляторных установок главного проветривания с большим диапазоном регулирования по производительности и депрессии.

Приведённые достоинства недостатки нагнетательного способа определяют его область применения. Способ запрещен к применению на газовых шахтах и рудниках. Обычно он используется при отработке расположенных близко к поверхности залежей и в тех случаях, когда имеет место аэродинамическая связь действующих выработок с поверхностью, например, через зону обрушения.

Всасывающий способ проветривания основан на том, что перепад давления в системе создается разрежением воздухопадающей выработки из-за работы вентилятора. За счёт механической энергии вентилятора давление воздуха в устье выработки снижается до величины P2, а на поверхности оно остается равным атмосферному. В этом случае в выработках создаётся перепад давлений, который представляет собой депрессию всей сети выработок, равную h = P0 – P1.

Основными достоинствами всасывающего способа являются:

• Возможность применения как одной, так и нескольких вентиляторных установок при фланговой системе проветривания;
• Единственно возможный способ для практического применения на газовых шахтах и рудниках;
• Наличие общего вентиляторного горизонта повышает безопасность проведения работ;
• Легкость реверсирования воздуха в сети и управление вентиляционными режимами при работе нескольких вентиляторов;
• Большая эффективность при проветривании выемочных участков, расположенных на флангах шахтного поля.

К основным недостаткам данного способа следует отнести:

• наличие подсосов с поверхности через зоны обрушения, трещины, тектонические нарушения, заперемыченные выработки;
• способ не рекомендуется применять при разработке месторождений полезных ископаемых, склонных к самовозгоранию;
• при применении нескольких вентиляторных установок главного проветривания усложняется процесс регулирования воздушных потоков;
• наличие подсосов воздуха с поверхности;
• через вентилятор главного проветривания проходит воздух, загрязнённый пылью и газами, что снижает срок его службы и повышает опасность взрыва.

Всасывающий способ используется при обработке расположенных до глубины 1500 м от поверхности залежей не склонного к самовозгоранию полезного ископаемого и всех случаях, когда отсутствует аэродинамическая связь действующих выработок с поверхностью. Способ применяется на газовых шахтах и рудниках.

Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ проветривания заключается в том, что в одной части выработок шахты или рудника нагнетательным вентилятором создается избыточное давление, а в другой части – разрежение воздуха вследствие работы всасывающего вентилятора. Давление воздуха в воздухопопадающей выработке увеличивается до величины P1, большей атмосферного P0, а давление воздуха в восходящей струе P2 составляет величину меньше атмосферного давления. Депрессия всей сети выработок будет соответствовать величине^

h=P₁-P₂

Основными достоинствами комбинированного способа являются:

• Вследствие работы нескольких (минимум двух) независимо работающих вентиляторных установок возрастает надежность работы системы.
• Способ дает возможность получать высокие перепады давления в системе при относительно небольших депрессиях вентиляторов.
• Наличие точки в системе выработок с давлением, равным атмосферному, дает возможность существенно снизить подсосы или утечки воздуха с поверхности.
• Большая эффективность при проветривании протяжённых горизонтов.

К основным недостаткам данного способа следует отнести:

• Трудность реверсирования воздуха в сети и управления вентиляционными режимами при работе нескольких вентиляторов в случае аварийной ситуации.
• При применении нескольких вентиляторных установок главного проветривания усложняется процесс регулирования воздушных потоков.
• Через всасывающий вентилятор главного проветривания проходит воздух, загрязнённый пылью и газами.
• При применении центральной схемы проветривания большие утечки через вентиляционные сооружения.
• Резервы нагнетательного и всасывающего вентиляторов должны соответствовать друг другу.
• Наличие двух и более вентиляторных установок.

Комбинированный способ используется при отработке залежей склонного к самовозгоранию полезного ископаемого и тех случаях, когда имеет место аэродинамическая связь действующих выработок с поверхностью. Применяется на шахтах и рудниках при секционной схеме проветривания и значительной протяженности горных выработок.

 

Схемы проветривания шахт и рудников

Схемы проветривания шахт и рудников классифицируются в зависимости от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязнённый воздух, а также от способа проветривания. Выбор схемы проветривания производится с учетом принятой схемы вскрытия, порядка отработки и системы разработки. Схема обычно принимается на весь период отработки шахтного поля.

Схема вентиляции должна обеспечивать:

• безопасность ведения горных работ,
• легкость управления при штатной и аварийной ситуациях,
• высокую надежность при проветривании очистных и подготовительных выработок,
• экономичность.

Все схемы проветривания шахт рудников подразделяются на три группы: центральные, фланговые и комбинированные.

Центральные схемы проветривания характеризуются расположением воздухопопадающего и воздухоотводящего стволов в непосредственной близости друг от друга, обычно в центре шахтного поля. Свежий воздух движется по подающему стволу, поступает на крылья шахты, омывает очистные забои и движется по вентиляционным выработкам к выдающему стволу, по которому выходит на поверхность. Так как воздух движется по параллельным выработкам в разном направлении, центральную схему называют также возвратноточной.

Существует два вида центральных схем: центрально-сдвоенная, при которой оба ствола находятся в пределах одного околоствольного двора, и центрально-отнесенная, при которой стволы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, нередко на различных краях шахтного поля.

Достоинства центральных схем следующие:

• Приходится минимальное количество вскрывающих выработок, и как следствие, относительно малые капитальные затраты;
• Возможность ведения работ на глубоких горизонтах;
• Организация одной стройплощадки при строительстве шахты;
• Простота в управлении проветриванием.

Недостатки:

• Высокая депрессия шахты вследствие большой суммарной длины выработок, по которым движется вентиляционная струя.
• Большие утечки воздуха в параллельных выработках, по которым воздух движется в разных направлениях.
• Необходимость поддержания вентиляционных выработок;
• Необходимость большого запаса производительности вентилятора главного проветривания в связи со значительным изменением расстояния от стволов до очистных забоев по мере отработки шахтного поля.

Перечисленные факторы определяют область применения центральных схем: большая глубина ведения горных работ, небольшие размеры шахтного поля, малая производственная мощность при невозможности проходки фланговых стволов (например, в горной местности).

Фланговые схемы проветривания применяются при вскрытии в центре шахтного поля и на его границах. Свежий воздух движется по попадающему стволу, распределяется на фланге горизонта, омывает очистные забои и выходит на поверхность по фланговому стволу, шарфу или штольне. Воздух в пределах крыла движется в одном направлении. Такая схема называется прямоточной.

Существуют варианты фланговых схем в зависимости от расположения фланговых стволов или шурфов, которые, в свою очередь, определяются системой выработки и порядком отработки выемочных участков.

Достоинства фланговых схем следующие:

• Невысокая депрессия шахты вследствие малой суммарной длины выработок, по которым движется вентиляционная струя в одном направлении;
• Малые поверхностные и подземные утечки воздуха;
• Отсутствие необходимости поддержания вентиляционных выработок на всю длину в период отработки горизонта;
• Возможность маневра в управлении проветривания за счёт совместной работы вентиляторов;
• Большее, по сравнению с центральными схемами, количество выходов из шахты на поверхность.

Недостатки:

• Приходится большое количество вскрывающих выработок, что влечет за собой большие капитальные затраты.
• Необходимость поддержания я целиком в околоствольный дворах, в центре и на флангах шахтного поля, что вызывает большие потери полезных ископаемых.
• Трудности управления вентиляторами при аварийных ситуациях, в частности, установление реверсивного режима.

Область применения фланговых схем: относительно малая глубина ведения горных работ, большие размеры шахтного поля, одновременная разработка удаленных друг от друга залежей.

Комбинированная схема включает в себя элементы центральной и фланговой схем проветривания. В качестве воздухоподающих используются центральные стволы, в качестве воздуховыдающих выработок служат другие центральные фланговые стволы. При этом могут применяться различные способы проветривания. Часть выработок в центре шахтного поля проветривается обособленно по возвратоточной схеме, а находящаяся ближе к флангам система проветривания – по прямоточной схеме. К комбинированным схемам можно отнести и такие, при которых вскрытие проводится вертикальными стволами и штольнями.

В тех случаях, когда одновременно разрабатываются несколько горизонтов или удаленных друг от друга залежей, поля целесообразно разделить на несколько участков (секций), проветриваемых раздельными воздушными потоками.

Достоинства комбинированных схем следующие:

• Невысокая депрессия вентиляционных установок при значительном числе выработок и больших размерах шахтного поля;
• Высокая надежность проветривания отдельных участков шахты;
• Более простое регулирование и управление проветриванием отдельных удаленных участков за счет совместной работы вентиляторов;
• Большее количество выходов из шахты на поверхность, что повышает безопасность ведения работ.

Основным недостатком комбинированных схем является сложность вентиляционной сети, кроме того, они включают в себя все недостатки, присущие фланговым схемам.

Область применения комбинированных схем: одновременная отработка на различной глубине ведения горных работ, мощные шахты и рудники, предприятия в местах со сложным гористым рельефом.

 

Схемы проветривания очистных забоев на угольных шахтах

Многообразие технологических схем подготовки и отработки угольных пластов повлекло за собой разработку соответствующих схем проветривания выемочных участков (очистных забоев с примыкающим к ним откаточными и вентиляционными стояками и вырабатывающего пространства). Они различаются степенью обособленности разбавления газа от различных источников (схемы с подсвежением и без подсвежения исходящих струй), перераспределением газа между выработанными пространствами отработанных лав.

При выборе схемы проветривания выемочных участков первостепенное значение имеют условия безопасности, а также обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условиях труда. К ним относятся следующие требования:

• Предотвращение недопустимой концентрации металла на участке с вентиляционным штреком при обеспечении максимальной нагрузки на очистной забой по газовому фактору;
• Обособленное разбавление метана, выделяющегося из различных источников газовыделения;
• Надежность проветривания в нормальном и аварийном режимах.
• Обеспечение проветривания выемочных участков за счет шахтной депрессии.

Таблица 1.

Классификация схем проветривания выемочных участков

Основное классификационное деление	Классификационный признак	Варианты признака	Условные обозначения
Тип	Степень обособленности разбавления вредностей по источникам поступления	Последовательное Частичное Полное	1 2 3
Подтип	Направление выдачи исходящей из лавы струи воздуха	На выработанное пространство На массив угля Комбинированное	В М К
Класс	Зависимое или независимое проветривание очистных выработок	Независимое Зависимое	Н З
Подкласс	Направление движения воздуха по очистному забою	Восходящее Нисходящее Горизонтальное	в н г
Вид	Поэтапное направление свежей и исходящей струй	Возвратноточное Прямоточное	вт пт

Схема проветривания очистных выработок на рудниках

Схема проветривания очистных выработок определяется применяемой системой разработки. По принципу организации проветривания все системы разработки рудных месторождений подразделяются на четыре группы.

А. Системы разработки, у которых очистное пространство активно не проветривается после взрывных работ. К ним относятся системы подэтажного и этажного обрушения руды и вмещающих пород, этажного самообрушения, комбинированные системы. Количество воздуха для проветривания определяется в целом для блока после массового взрыва и отдельно для остальных производственных процессов.

Объектами проветривания в таких системах являются:

• Очистные выработки при процессах бурения.
• Выработки, в которых производится выпуск руды.
• Откаточные выработки.
• Поддерживаемые выработки в пределах блока.
• Проходимые нарезные выработки.

Тупиковые очистные выработки проветриваются вентиляторами местного проветривания, которые устанавливается в подготовительных выработках, проветриваемых сквозной струей за счет общешахтной депрессии.

Выработки, в которых производится выпуск руды, проветриваются за счет общешахтной депрессии. Заезды, представляющие собой тупиковые выработки длиной до 10 м, проветриваются за счёт диффузных процессов.

Откаточные выработки проветриваются обособленно за счёт работы вентилятора главного проветривания.

Поддерживаемые выработки в пределах блока представляют собой запасные выходы (вентиляционно-ходовые, транспортные заезды, уклоны, технологические выработки, а также под этажные выработки, в которых пока не ведутся работы). Все они представляют собой сквозные выработки, проветривается за счет общешахтной депрессии.

Все проходимые тупиковые нарезные выработки проветриваются с помощью вентилятора местного проветривания. Основное требование при этом – исходящая струя не должна попадать в очистные забои. Количество воздуха у всаса вентиляторов местного проветривания должно удовлетворять требованиям правил безопасности.

В. Системы разработки, у которых очистное пространство представляет собой подобие лавообразной и штрекообразной выработки. Это системы с магазинированием руды, слоевые системы с обрушением кровли и камерно-столбовые системы, слоевые системы с закладкой выработанного пространства. Количество воздуха для проветривания определяется как общее для всех выработок блока.

Объектами проветривания в таких системах являются:

• Откаточные, конвейерные, транспортные выработки;
• Поддерживаемые выработки в пределах блока.

Очистные выработки проветриваются сквозной струей за счет общешахтной депрессии. Воздух поступает в них по вентиляционным восстающим (система с магазинированием) или по транспортным шрекам.

Откаточные выработки проветриваются обособленно за счёт работы вентилятора главного проветривания. Приходятся они на несколько блоков, в которых ведутся одновременно работы.

Поддерживаемые выработки в пределах блока проветриваются за счет общешахтной депрессии.

Все проходимые тупиковые подготовительные и нарезные выработки проветриваются с помощью вентиляторов местного проветривания. Выработки проходятся вне пределах действующих блоков.

С. Системы разработки, у которых очистное пространство является камерой, проветриваемое сквозной струей. Сюда входят системы с открытым очистным пространством, с отбойкой руды глубокими скважинами, с креплением очистного пространства, закладкой выработанного пространства, этажного принудительного обращения, с доставкой руды силой взрыва.

Расход воздуха для проветривания блока определяется как сумма количества воздуха для проветривания камеры и всех остальных обособленно проветриваемых выработок.

Объектами проветривания в таких системах являются:

• камеры;
• откаточные, подсечные, доставочные, буровые выработки;
• поддерживаемые выработки в пределах блока.

Камера проветривается сквозной струей за счет общешахтной депрессии. Воздух поступает в них по блоковым возрастающим и автосъезду, проходит по камере и далее попадает на вентиляционный штрек. При системах, в которых люди находятся в процессе работы в камере, активному проветриванию подлежит рабочая зона.

Откаточные, подсечные, доставочные выработки проветриваются обособленно за счёт работы вентиляторов главного проветривания. Буровые выработки проветриваются при подаче воздуха в камеру. Поддерживаемые выработки в пределах блока проветриваются за счет общешахтной депрессии.

Все проходимые, тупиковые, подготовительные и нарезные выработки вне блока проветриваются аналогично описанным выше.

Г. Системы разработки, у которых очистное пространство является тупиковой камерой. Наиболее часто такая система проветривания применяется в системе с нисходящей слоевой выемкой и твердеющей закладкой. Расход воздуха для проветривания блока определяется как сумма производительности вентиляторов местного проветривания, подающих воздух для проветривания камеры всех остальных обособленно проветриваемых сквозных выработок.

Объектами проветривания в таких системах являются:

• камера (заходки);
• откаточные, конвейерные, транспортные выработки;
• поддерживаемые выработки в пределах блока.

Камера проветривается за счёт работы вентиляторов местного проветривания. Воздух поступает к их всасу по уклонам или восстающим и слоевым ортам.

Откаточные, конвейерные, транспортные выработки проветриваются обособленно за счёт работы вентилятора главного проветривания.

Поддерживаемые выработки, к которым относятся восстающие и закладочные выработки, в пределах блока проветриваются за счет общешахтной депрессии.

При наличии концентрированных горизонтов при любой системе разработки выработки проветриваются обособленно. Количество воздуха определяется как сумма расходов воздуха, двигающегося по параллельным выработкам в одном направлении. В каждой выработке количество воздуха принимается как максимальное из всех факторов, по которым производится расчёт.

 

Схемы вентиляции подземных сооружений транспортного назначения

Схемы вентиляции транспортных тоннелей подразделяются на продольные, поперечные, продольно-поперечные, комбинированные. По продольной схеме вентиляции воздуховодом является выработка, вдоль оси которой за счет действия естественного и поршневого эффекта или в результате работы вентиляторов осуществляется движение воздуха.

В железнодорожных тоннелях для создания необходимой величины депрессии используется эжэктирующий эффект, создаваемый при выпуске воздуха под определенным углом к оси тоннеля кольцеобразного щелевого канала, выполненного по его периметру. Схема Сакардо является наиболее часто используемой для однопутных железнодорожных тоннелей на электрической тяге длиной от 1 до 3 км. Например, из десяти действующих железнодорожных тоннелей Байкало-Амурской магистрали восемь тоннелей проветривается по схеме Сакардо. Недостатком этой схемы вентиляции является ее сильная зависимость от естественной тяги, периодические изменения которой по величине и направленности в ряде случаев серьезно затрудняют организацию проветривания. Надежность вентиляции по схеме Сакардо может быть значительно повышена при установке вентиляторов на противоположных порталах тоннелей и организации подачи воздуха в тоннель в направлении действия естественной тяги, а также использовании для управления воздухообменом в различных регулирующих устройствах различного типа (ворота, воздушные завесы и тому подобное).

Использование для проветривания железнодорожных тоннелей схемы Сакардо вследствие значительных потерь напора в воздуховодах и кольцевой щели связано со значительными энергетическими затратами. Связи с этим становится рациональным применение струйных вентиляторов, расположенных или у портала в тоннеле, или непосредственно в транспортном отсеке за пределами габарита приближения, в нишах. Системы вентиляции, используемые эти принципы, запроектированы для Лысогорского и Кузнецовского тоннелей.

При длине железнодорожных тоннелей, превосходящих 44 км, становится рациональном применение комбинированной схемы вентиляции, включающей шахтные стволы, сервисные тоннели, проведённые параллельно транспортному тоннелю, сбойки, соединяющие транспортный и сервисные тоннели, кроссинги и другие выработки.

В Байкальском (длина 6688) и Северо-Енисейском (длина 15343 м) тоннелях сервисные тоннели используются для организации рециркуляции воздуха по горным выработкам при отрицательных температурах наружного воздуха. Применение схемы вентиляции позволило реализовать в тоннеле положительный тепловой режим и исключить появление наледей при магистральных энергетических затратах.

В автодорожных тоннелях длиной, не превышающей 3 км, для продольной вентиляции используются струйные вентиляторы, размещённые у кровли тоннеля. Наиболее эффективно использование продольной схемы для тоннелей с движением автотранспорта в одном направлении. В этом случае оно усиливает вентиляцию за счет принудительной подачи воздуха в направлении движения транспортных средств. При высокой интенсивности их движения в одном направлении (свыше 1000 авт./ час) и отсутствии значительного встречного влияния естественных факторов (естественная тяга, ветер) эффективное проветривание тоннелей может осуществляться только за счет поршневого эффекта.

При продольной вентиляции двух параллельных тоннелей с разнонаправленным движением транспорта необходимо избегать возникновения ситуации, при которой часть воздуха из исходящей вентиляционной струи одного тоннеля подмешивается в приточный воздух, поступающий в параллельный тоннель.

При двустороннем движении в тоннеле транспортных средств использование продольных схем вентиляции возможно только при совпадении направления принудительной подачи воздуха с направлениями действия естественных факторов и поршневого эффекта, что достигается в результате осуществления оперативного управления работой вентиляторов.

Продольные схемы вентиляции, удовлетворяющие данному условию, реализованы по проектам института «Ленметрогипротранс» на Канонерском тоннеле в Санкт-Петербурге (длина 653 м), а также на Мацестинском (длина 1316 м), Шаумянском (длина 1440 м) и на Краснополянском (длина 2420 м) тоннелях в городе Сочи.

В тоннелях длиной более 3000 метров с интенсивным двусторонним движением транспорта применение продольных схем проветривания в большинстве случаев не приводит к положительному результату. Для проветривания таких автодорожных тоннелей предложено использовать схему вентиляции с вентиляционными стволами, по которым из тоннелей удаляется загрязнённый воздух и подаётся свежий. Вентиляционная схема данного типа реализована в проекте вентиляции тоннеля номер шесть города Сочи.

Анализ современного мирового опыта свидетельствует о том, что для проветривания автомобильных тоннелей двусторонним движением транспортных средств используются продольно-поперечные и поперечные схемы вентиляции.

Эти схемы вентиляции дают возможность уменьшить влияние на направление движения и количество воздуха в тоннеле естественных факторов и поршневого эффекта, что повышает устойчивость проветривания тоннелей, в том числе при чрезвычайных ситуациях.

Для российских автодорожных тоннелей с длиной превосходящей 3–4 км, в связи с высоким уровнем выбросов вредных веществ и необходимостью подачи в тоннели больших количеств воздуха оказалось целесообразным применение комбинированной схемы вентиляции. Например, в проекте вентиляции Гимпринского автодорожного тоннеля применена секционная схема проветривания, при которой центральная секция с продольно-поперечной вентиляцией используется для подачи свежего воздуха в крайние секции, проветривающиеся по продольной схеме.

Системы вентиляции тоннелей метрополитенов так же, как в транспортных тоннелях, ориентированы на создание нормативных условий эксплуатации и обеспечение необходимого уровня безопасности. Однако, в отличие от транспортных тоннелей, они характеризуются следующими особенностями:

• Более жесткими санитарно-техническими требованиями с параметрами воздушной среды в местах периодического нахождения людей и обслуживающего персонала.
• Постоянно усложняющейся топологией горных выработок, что вызвано сооружением новых станций и перегонных тоннелей, сопровождающихся с ранее эксплуатируемыми линиями.
• Значительными количествами теплоты, выделяемыми при движении подвижного состава, составляющими почти 80% в тепловом балансе метрополитенов. Эти количества теплоты сосредоточены на участках разгона и торможения, прилегающих к станциям, и непостоянны во времени.
• Возникновением в перегонных тоннелях при движении циркуляции воздуха между тоннелями различной направленности.

Если в первые годы эксплуатации метрополитенов в крупных мегаполисах (Москва, Санкт-Петербург) перечисленные особенности не являлись определяющими, то с течением времени стали диктовать требования к выбору схемы вентиляции. В связи с этим пришлось отказаться от ранее применяемой схемы вентиляции, при которой воздух зимой подаётся в перегонные тоннели через перегонные шахты, а летом (весной и осенью) через станционные вентиляционные шахты. Оказалось, что эта схема вентиляции приводит к перераспределению избыточной теплоты и повышению температуры воздуха на станциях метрополитена. В настоящее время в большинстве метрополитенов России используется схема всесезонной подачи воздуха через перегонные вентиляционные шахты.