СПОСОБ СЕКЦИОННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ШАХТЫ Российский патент 1995 года по МПК E21F1/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к разработке угольных пластов.

Область применения: шахты, разрабатывающие угольные пласты.

Известен способ вентиляции шахты, при котором шахту проветривают секционно, а в каждой секции подачу свежей струи к очистным и подготовительным забоям производят по скважине, панельным наклонным выработкам и выемочным штрекам, а выдачу исходящей струи непосредственно из очистных и подготовительных забоев осуществляют по трубопроводам и другой рядом расположенной скважине, оборудованной всасывающим вентилятором, развивающим высокую депрессию [1].

Недостатками аналога являются: ограничение производственной мощности шахты по фактору вентиляции из-за максимально допустимой депрессии шахты (депрессии секции шахты) не более 300 даПа, исходя из чего устанавливают депрессию скважины со свежей струей не более 100 даПа для обеспечения депрессии сети выработок, подсоединяемой к этой скважине, не менее 200 даПа, и, следовательно, при высоком аэродинамическом сопротивлении скважины по сравнению со стволом подача воздуха в шахту будет незначительной; отсутствие возможности в полной мере использовать важное преимущество скважины в сравнении со стволом по неограниченному увеличению скорости воздуха из-за ограничения депрессии шахты.

Известен способ вентиляции шахты, при котором шахтное поле делят на блоки при секционной схеме их проветривания. При этом различают центральную и фланговые секции. В центральной секции проводят главные стволы: вспомогательный (клетевой) ствол для подачи свежей струи и скиповой для выдачи исходящей, а во фланговом - секционные стволы (блочные) с теми же функциями по вентиляции. Секционные стволы соединяют с главными стволами при помощи магистральных штреков, которые возможно проветривать по трем схемам: первая - подача воздуха по секционному стволу и выдача по главному скиповому; вторая - подача по главному клетевому стволу с выпуском в общую свежую струю фланговой секции; и третья - подача воздуха по главному клетевому стволу с выпуском в исходящую струю секции (Справочник. Рудничная вентиляция, 1988, М.: Недра, с. 344).

Недостатками прототипа являются: ограничение производственной мощности шахты по фактору вентиляции в случае замены блочных стволов проводимых буро-взрывным способом скважинами; неиспользование резерва скипового ствола, применяемого для отвода исходящей струи, по увеличению скорости воздуха до предельно допустимой 12 м/с - ее ограничивают допустимой скоростью воздуха 8 м/с по вспомогательному стволу, используемому для подачи свежей струи (при условии, если его сечение не превышает сечения этого скипового ствола); повышенный расход электроэнергии на проветривание магистральных штреков вследствие использования воздуха, подаваемого или выдаваемого по секционным стволам, а не воздуха главных стволов, имеющих большее сечение и меньшее аэродинамическое сопротивление.

Целью изобретения является повышение производственной мощности шахты по фактору вентиляции.

Цель достигается тем, что подают свежую струю и выдают исходящую посредством всасывающего вентилятора в центральной секции по стволам и во фланговых секциях по скважинам и проветривание магистральных выработок, соеди- няющих фланговые секции с центральной.

Предлагаемый способ отличается тем, что осуществляют во фланговых секциях подачу воздуха по скважине за счет нагнетания, величину которого при заданном количестве воздуха выбирают равным преодолению сопротивления только этой скважины, и проветривают магистральные выработки путем регулируемого подвода части воздуха от ствола со свежей струей при минимально допустимой скорости в одну из них и отвода этого воздуха вместе с частью исходящей струи фланговой секции по остальным магистральным выработкам и далее по стволу с исходящей струей при предельно допустимой скорости воздуха, при этом согласуют расход воздуха и депрессию на скважинах по формулам:
для нагнетательного вентилятора на скважине со свежей струей:
Q_скв^с = Q_скв^о ˙ К, м³/с; (1)
Qoс

_кв = , м³/c; (2)
h_нв^скв = R_скв^с(Q_скв^с)², даПа; (3)
для всасывающего вентилятора на скважине с исходящей струей:
Q_скв^и = Q_скв^с - Δ Q_ств^и, м³/с ; (4)
h_вв^скв = h_св^скв + h_скв^и, даПа , (5) где Q_скв^с, Q_скв^о - расход воздуха по скважине со свежей струей соответственно после применения нагнетательного вентилятора и до этого, м³/с.

h_скв^о - депрессия скважины со свежей струей до применения нагнетательного вентилятора, даПа;
R_скв^с - сопротивление скважины со свежей струей, кμ;
K= - коэффициент увеличения расхода воздуха по скважине со свежей струей при применении нагнетательного вентилятора;
h_нв^скв - напор нагнетательного вентилятора на скважине со свежей струей, даПа;
Q_скв^и - расход воздуха по скважине с исходящей струей, м³/с;
Δ Q_cтв^и = Q_ств^и - Q_ств^с - количество воздуха, выдаваемого через ствол с исходящей струей, м³/с;
Q_ств^и, Q_ств^с - расходы воздуха соответственно по стволу с исходящей струей (при максимально допустимой скорости) и стволу со свежей, м³/с;
h_вв^скв - депрессия всасывающего вентилятора на скважине с исходящей струей, даПа;
h_св^скв - депрессия сети выработок между скважинами, даПа;
h_скв^и - депрессия скважины с исходящей струей, даПа.

Предлагаемый способ существенно повышает производственную мощность шахты по фактору вентиляции благодаря тому, что осуществляют во фланговых секциях подачу воздуха по скважине за счет нагнетания, величину которого при заданном количестве воздуха выбирают равным преодолению аэродинамического сопротивления только этой скважины, и этим создают возможность использования всей депрессии всасывающего вентилятора для подачи по выработкам шахты увеличенного количества воздуха, при этом согласуют расход воздуха и депрессию нагнетательного и всасывающего вентиляторов на скважинах по указанным формулам; в полной мере используется важное преимущество скважины со свежей струей в сравнении со стволом по неограниченному увеличению скорости воздуха вследствие снятия ограничения по максимально допустимой депрессии этой скважины; снижает частично расход электроэнергии на вентиляцию шахты благодаря использованию резерва скипового ствола, применяемого для выдачи исходящей струи, по увеличению скорости воздуха до предельно допустимой 12 м/с путем отвода через него части исходящей струи фланговой секции по магистральным выработкам (за исключением одной) с предельно допустимой скоростью и учета этого в указанных формулах; снижает расход электроэнергии на проветривание магистральных выработок путем регулируемого подвода части воздуха от ствола со свежей струей центральной секции, а не от соответствующей скважины фланговой секции при минимально допустимой скорости в одну из этих магистральных выработок и отвода этого воздуха вместе с частью исходящей струи фланговой секции по остальным магистральным выработкам через ствол с исходящей струей.

На фиг.1 показана схема осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - схема проветривания.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Шахтное поле делят, например, на три блока при секционной схеме вентиляции шахты соответственно с тремя секциями: одной центральной и двумя фланговыми. В центральной секции проводят два рядом расположенных главных ствола: ствол 1 - для подачи свежей струи (вспомогательный); ствол 2 - для выдачи исходящей (скиповый). Во фланговых секциях бурят две рядом расположенные скважины: скважину 3 - для подачи свежей струи и скважину 4 - для выдачи исходящей. Стволы 1 и 2 соединяют со скважинами 3 и 4 при помощи магистральных штреков 5. В уклонной части каждой секции проводят уклоны 6. Выдачу исходящей струи по скиповому стволу 2 и скважинам 4 осуществляют посредством всасывающих вентиляторов.

В фланговой секции по скважине 3 со свежей струей осуществляют подачу воздуха за счет нагнетания, для чего скважину 3 снабжают нагнетательным вентилятором.

Величину нагнетания (напора) этого вентилятора выбирают при заданном количестве воздуха, равном преодолению аэродинамического сопротивления только этой скважины, следовательно, с размещением нулевой точки перехода компрессии в депрессию на выходе воздуха из скважины 3, что позволяет всю депрессию всасывающих вентиляторов полностью использовать для подачи по выработкам шахты увеличенного количества воздуха.

Магистральные штреки 5 проветривают путем регулируемого подвода части воздуха от ствола 1 со свежей струей в один из них при минимально допустимой скорости, а отводят этот воздух по второму вместе с частью исходящей струи фланговой секции (минуя скважину 4 с исходящей струей) через ствол 2 с исходящей струей при предельно допустимой скорости воздуха. В связи с этим согласуют расход воздуха и депрессию нагнетательного и всасывающего вентиляторов на скважинах по указанным формулам.

Формулы (1-5) по определению параметров нагнетательного и всасывающего вентиляторов скважин 3 и 4 получены следующим образом.

Формулы (1 и 2) взаимосвязаны, а величину h_скв^о в формуле (2) определяют из выражения: h_скв^о = h_сш - h_св^скв, где h_сш - допустимая депрессия секции шахты составляет h_сш ≅ 300 даПа. При определении h_скв^о не принято во внимание h_скв^и (депрессия скважины 4 с исходящей струей), поскольку по этой скважине не производят транспортировки людей, поэтому можно не учитывать высокой депрессии этой скважины (она может превышать даже указанное нормативное ограничение депрессии секции шахты).

Формула (3) по определению величины напора нагнетательного вентилятора учитывает только аэродинамическое сопротивление скважины 3 со свежей струей, чтобы поддерживать нулевую точку на выходе воздуха из этой скважины.

Формула (4) реализует указанный резерв ствола 2 с исходящей струей по увеличению скорости воздуха.

Формула (5) по определению депрессии всасывающего вентилятора на скважине 4 с исходящей струей не учитывает скважины 3 со свежей струей, так как преодолевается сопротивление этой скважины по подаче воздуха полностью за счет напора нагнетательного вентилятора.

В результате рассчитанные по формулам параметры обеспечивают поддержание нулевой точки на выходе воздуха из скважины 3 со свежей струей и, следовательно, предлагаемый способ следует считать всасывающим.

Аварийные вентиляционные режимы при предлагаемом способе выполняют следующим образом. Согласно ПБ предусматриваются два аварийных вентиляционных режима: первый - сохранение существующего до аварии направления вентиляционной струи с увеличением подачи воздуха на аварийные участки (без реверсирования вентиляционной струи); к второй - реверсирование вентиляционной струи.

При первом аварийном режиме (без реверсирования вентиляционной струи) возможно возникает необходимость в использовании скважины 3 со свежей струей в качестве запасного выхода (по условию, например, срока действия самоспасателя). Для этой цели эту скважину 3 оборудуют подъемом, а вблизи скважины в подземных условиях сооружают камеру ожидания для людей с необходимыми спасательными средствами. На период подъема людей скорость воздуха в скважине согласно уменьшают до 15 м/с.

При втором аварийном режиме (с реверсированием вентиляционной струи) реверсирование выполняют во фланговой секции и центральной независимо одна от другой. Так, при реверсировании вентиляционной струи во фланговой секции (путем переключения реверсирующих устройств на вентиляторных установках обеих скважин) при сохранении прежнего направления вентиляционной струи в центральной секции запасными выходами из очистных и подготовительных забоев на свежую струю к стволам служат кроме первого магистрального штрека 5, как и до этого, и второй штрек 5, по которому теперь отводят свежую струю вместо исходящей.

При реверсировании вентиляционной струи в центральной секции сохраняют запасной выход к стволам из фланговой секции вместо первого по второму магистральному штреку 5, по которому ранее отводили исходящую струю.

Кроме фланговой возможен случай уклонной секции, которую располагают на прирезанном участке уклонной части шахтного поля с бурением двух рядом расположенных скважин для подачи свежей струи и выдачи исходящей. Эти скважины уклонной секции соединяют со стволами центральной секции при помощи трех уклонов (для транспорта людей, материалов, оборудования и выдачи угля и породы). Проветривание уклонов производят аналогичным образом, как и указанных магистральных штреков. В результате осуществляют вентиляцию этой уклонной секции таким же путем, как и указанную фланговую секцию.

П р и м е р. Определяют параметры двух вентиляторов (нагнетательного и всасывающего) фланговой секции и всасывающего вентилятора центральной секции.

Исходные данные: d_скв^с = d_скв^и = 3 м; L_скв = 800 м; R_скв^с = R_скв^и= 0,006 кμ; h_скв^о = =50 даПа; h_св^скв = 300 даПа; d_ств^с = d_ств^и = 8 м; L_ств = 800 м; R_ств^с = R_ств^и = 0,00016 кμ; Q_ств^с = 400 м³/с; Q_ств^и= 600 м³/с (где d_скв^с, d_скв^и, d_ств^с, d_ств^и - диаметры скважин и стволов соответственно со свежей струей и исходящей; L_скв, L_ств - длины скважин и стволов).

На основании этих данных параметры нагнетательного и всасывающего вентиляторов скважин 3 и 4 определены по формулам (1-5), а параметры всасывающего вентилятора ствола 2 установлены по известным формулам с учетом данных формул и предлагаемой схемы проветривания магистральных штреков 5 и представлены в таблице.

Из таблицы видно, что при предлагаемом способе в 3,6 раза увеличивают подачу воздуха по скважине 3 со свежей струей, то есть с 90 до 320 м³/с; используют резерв скипового ствола 2 с исходящей струей по увеличению скорости воздуха с 8 до 12 м/с для выдачи части исходящей струи фланговой секции (210 м³/с) при существенном снижении расхода электроэнергии на вентиляцию шахты.

В результате при предлагаемом способе обеспечивается возможность снятия ограничения нагрузки на шахту по фактору вентиляции; снижение капитальных затрат на бурение вентиляционных скважин для улучшения проветривания шахты (20 млн руб по одной шахте); более эффективное использование с возможностью значительного снижения α (отсутствие подъемных сосудов, армировки лестничных отделений, возможность покрытия стенок с минимальным α), снятия ограничения по скорости воздушной струи; мобильность и гибкость использования способа для улучшения проветривания шахты.

Принципиальная вентиляционная схема предлагаемого способа показана на фиг. 2. Во фланговой секции по скважинам 1¹-2¹ производят подачу воздуха в шахту посредством нагнетания и далее воздух направляют в сеть выработок между скважинами 2¹-3¹. В узловой точке 3¹ движение воздуха разветвляется в двух направлениях: первое - выдают на поверхность часть воздуха по вентиляционной скважине 3¹-4¹, а остальную часть - по одному из магистральных штреков 3¹-7¹ и скиповому стволу 7¹-8¹.

В центральной секции воздух подают в шахту по стволу 5¹-6¹. В узловой точке 6¹ воздух разветвляется: часть его направляют в один из магистральных штреков 6¹-3¹ для его проветривания, а по второму 3¹-7¹его отводят вместе с указанной частью исходящей струи фланговой секции через вентиляционный ствол 7¹-8¹ на поверхность; остальную часть воздуха направляют по сети выработок стволов 6¹-7¹ и далее на поверхность по тому же вентиляционному стволу 7¹-8¹, что и часть исходящей струи фланговой секции. Следовательно, принципиальная вентиляционная схема предлагаемого способа относительно простая и устойчивая по направлению движения воздуха.

Таким образом достигается поставленная цель: повышение производственной мощности шахты по фактору вентиляции.

Использование: вентиляция при разработке угольных пластов. Способ вентиляции шахты включает подачу свежей струи и выдачу исходящей посредством всасывающего вентилятора в центральной секции по стволам и во фланговых секциях по скважинам и проветривания магистральных выработок, соединяющих фланговые секции с центральной. Во фланговых секциях осуществляют подачу воздуха по скважине за счет нагнетания, величину которого при заданном количестве воздуха выбирают равным преодолению сопротивления только этой скважины. Проветривают магистральные выработки путем регулируемого подвода части воздуха от ствола со свежей струей при миимально допустимой скорости в одну из них. Отвод этого воздуха осуществляют вместе с частью исходящей струи фланговой секции по остальным магистральным выработкам и далее по стволу с исходящей струей при предельно допустимой скорости воздуха. Согласуют расход воздуха и депрессию нагнетательного и всасывающего вентилятора на скважинах по установленным математическим зависимостям. 2 ил., 1 табл.

СПОСОБ СЕКЦИОННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ШАХТЫ, включающий подачу свежей струи и выдачу исходящей посредством всасывающего вентилятора в центральной секции по стволам и в фланговых секциях по скважинам и проветривание магистральных выработок, соединяющих фланговые секции с центральной, отличающийся тем, что, с целью повышения производственной мощности шахты по фактору вентиляции, осуществляют во фланговых секциях подачу воздуха по скважине за счет нагнетания, величину которого при заданном количестве воздуха выбирают равным преодолению сопротивления только этой скважины, и проветривают магистральные выработки путем регулируемого подвода части воздуха от ствола со свежей струей при минимально допустимой скорости в одну из них и отвода этого воздуха вместе с частью исходящей струи фланговой секции по остальным магистральным выработкам и далее по стволу с исходящей струей при предельно допустимой скорости воздуха, при этом согласуют расход воздуха и депрессию нагнетательного и всасывающего вентиляторов на скважинах по формулам для нагнетательного вентилятора на скважине со свежей струей
Qcс

_кв = Qoс_кв· K, м³/с;

hcrнв^d = Rcс_кв(Qcс_кв)², даПа,
для всасывающего вентилятора на скважине с исходящей струей
Qbс_кв = Qcс_кв-ΔQис_тв , м³/c ;
hcrвв^d = hcrсв^d + hbс_кв , даПа ,
где Qcс_кв, Qoс_кв - расход воздуха по скважине со свежей струей соответственно после применения нагнетательного вентилятора и до этого, м³/с;
hoс_кв - депрессия скважины со свежей струей до применения нагнетательного вентилятора, даПа;
Rcс_кв - аэродинамическое сопротивление скважины со свежей струей, км;

- коэффициент увеличения расхода воздуха по скважине со свежей струей при применении нагнетательного вентилятора;
hcrнв^d - напор нагнетательного вентилятора на скважине со свежей струей, даПа;
Qbс_кв - расход воздуха по скважине с исходящей струей, м³/с;
ΔQbс_кв= Qbс_кв-Qcс_тв
- количество воздуха части исходящей струи фланговой секции выдаваемого через ствол с исходящей струей, м³/с;
Qbс_тв, Qcс_тв - расход воздуха соответственно по стволу с исходящей струей и стволу со свежей струей, м³/с;
hcrвв^d - депрессия всасывающего вентилятора на скважине с исходящей струей, даПа;
hcrсв^d - депрессия сети выработок между скважинами, даПа;
hbс_кв - депрессия скважины с исходящей струей, даПа.