СПОСОБ ПРОВЕТРИВАНИЯ СИСТЕМ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Российский патент 2013 года по МПК E21F1/00 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при проветривании ортов или штреков на погрузочно-доставочных горизонтах рудных шахт.

Известен способ проветривания многоштрековых (многоортовых) систем горных выработок, заключающийся в воссоздании в системе равномерного по штрекам (ортам) воздухораспределения за счет регулирования аэродинамических сопротивлений погрузочных штреков (ортов), величину которых рассчитывают по рекуррентной формуле Шепелева-Цая [1. Труды ИГД Казах. АН. т.38. - Алма-Ата: Наука, 1969, с.20-23.],

$$r_{k+1}=r_k-r_{nk}{(n-k)}^2+r_{вk}{k}^2.(1)$$

В современных обозначениях принятых в России формула (1) записывается так:

$$R_{j+1}=R_j-R_j^{(o)}{(m-j)}^2+R_j^{\left(в\right)}{j}^2$$ ,

где R_j -аэродинамическое сопротивление j-го штрека (орта), R_j=r_k;

$$R_j^{(o)}$$ - аэродинамическое сопротивление j-го междуштрекового (межортового) участка воздухоподающего (хозяйственного) орта (откаточного, полевого штрека), $$R_j^{(o)}=r_{nk}$$ ; $$R_j^{\left(в\right)}$$ - аэродинамическое сопротивление j-го междуштрекового (межортового) участка воздуховыдающего (вентиляционного) орта (сборного вентиляционного, кольцевого штрека), $$R_j^{\left(в\right)}=r_{вk}$$ ;

m - число штреков (ортов) системы, m=n;

j=1, 2, 3, …, m-1, j=k.

Существенным недостатком данного способа проветривания является то, что этот способ содержит операцию отрицательного регулирования аэродинамических сопротивлений штреков (ортов) за счет установки в них вентиляционных дверей или других местных аэррдинамических сопротивлений (проницаемых перемычек, вентиляционных окон, парашютов), которые применительно к многоштрековым (многоортовым) системам, несовместимы с функционированием рудничного транспорта в погрузочных штреках (ортах). При пропускании транспорта через вентиляционные двери или другие местные сопротивления неизбежны срывы режима вентиляции, что ведет к снижению эффективности способа проветривания в целом. Данный способ особенно несовместим с функционированием длинных подвижных составов при погрузке руды в ортах, когда даже шлюзование дверей не устраняет срывов режима вентиляции, т.к. в коротких ортах поезд оказывается длиннее орта, а в этом случае одновременно открыты обе двери шлюза.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому (выбранному в качестве прототипа) является способ проветривания систем горных выработок [2 - А.с. №1802151, E21F 1/00], включающий положительное регулирование аэродинамических сопротивлений ортов или штреков, которое осуществляют путем установки в ортах или штреках,, кроме первого, источников тяги ориентированного действия, не препятствующих движению рудничного транспорта, причем действие источников тяги ориентируют в зависимости от знака их расчетных депрессий.

Недостатком этого способа является то, что в реальной производственной практике встречаются системы, содержащие дополнительные ветви притока примесей в сборный вентиляционный штрек или орт (притоки отработанного, загазованного и запыленного воздуха в сборную вентиляционную выработку регулируемой системы), а также отток от регулируемой системы свежего воздуха для проветривания других систем и объектов, лежащих вниз по потоку от нее, которые в способе [2] не фигурируют и не отражаются в расчетах депрессий регуляторов. Таким образом, отсутствие расчетного аппарата и основанной на нем последовательности действий при воссоздании равномерного воздухораспределения по погрузочным ортам или штрекам в системах горных выработок содержащих дополнительные ветви притока отработанного и оттока чистого воздуха, а также безысходность проектно-конструкторских изысканий с силу отсутствия таких расчетов равносильно снижению эффективности проветривания таких систем.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности проветривания многоортовых или многоштрековых систем горных выработок за счет разработки алгоритма расчета выравнивающих.депрессий регуляторов совместимых с функционированием рудничного транспорта.

Поставленная задача решается тем, что в способе проветривания систем горных выработок, при котором подача и отвод воздуха по воздухоподающим и воздуховыдающим штрекам или ортам, соединенным ортами или штреками, регулирование аэродинамических сопротивлений ортов или штреков путем установки в ортах или штреках, кроме первого, источников тяги ориентированного действия, не препятствующих движению рудничного транспорта, при этом действие источников тяги ориентируют в зависимости от знака их расчетных депрессий, при h_j+1>0 источник тяги устанавливают на действие от воздухоподающего штрека или орта к воздуховыдающему штреку или орту, при h_j+1<0 источник тяги устанавливают на действие от воздуховыдающего штрека или орта к воздухоподающему штреку или орту, согласно изобретению, система горных выработок содержит дополнительные ветви притока в воздуховыдающий штрек или орт ранее отработанного воздуха и ветвь оттока свежего воздуха из воздухоподающего штрека или орта, причем при обеспечении равномерного воздухораспределения по ортам или штрекам депрессии источников тяги определяют из выражения, представленного в тексте описания изобретения.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками заявляемого изобретения и техническим результатом выражается в том, что наличие дополнительных ветвей притока примесей и оттока свежего воздуха не переводит управляемую систему в разряд топологически сложных, поскольку депрессии источников тяги, устраняющие топологический эффект (крайне неравномерное естественное воздухораспределение в погрузочных ортах или штреках), выражаются явно и причем рекуррентно.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором приведена схема проветривания многоортовых или многоштрековых систем, содержащих дополнительные ветви притока отработанного воздуха. На схеме проветривания стрелками со светлыми кружками обозначены направления движения чистого воздуха к системе и от нее. Стрелками с темными кружками обозначены направления движения отработанного воздуха к проветриваемой системе и от нее. Нумерация ортов или штреков на схеме проветривания расположена непосредственно под соответствующим ортом или штреком. Положительные регуляторы обозначены значками вентиляторов. Расходы внешних ветвей, депрессии регуляторов и аэродинамические сопротивления соответствующих ветвей нанесены непосредственно на схему ветвей и будут расшифрованы в экспликациях к расчетам. (Заявитель просит экспертизу принять к рассмотрению схему проветривания системы аналогичную схеме вентиляции прототипа, иначе при сквозной нумерации всех элементов схемы, никаких рекуррентных связей получить нельзя. Такие связи возникают лишь при математически правильной нумерации элементов).

Способ осуществляют следующим образом. Во всех ортах или штреках, кроме первого (см. чертеж), реально существующей многоортовой или многоштрековой вентиляционной системы, содержащей дополнительные ветви притока примесей в вентиляционный штрек или орт, а также ветвь оттока свежего воздуха, устанавливают источники тяги направленного действия с депрессиями h_j+1, j=1, 2, 3 … m-1, h₁=0, которые закрепляют к бортам или кровле горных выработок с учетом того, чтобы они не препятствовали движению подвижных составов или скреперов и тросов.

Источники тяги, действующие в ортах или штреках изменяют их эквивалентное аэродинамическое сопротивление и при определенных депрессиях источников тяги воссоздают в системе равномерное воздухораспределение по ортам или штрекам.

Депрессии, развиваемые источниками тяги, рассчитывают из системы уравнений второго закона сетей при условии равномерного воздухораспределения в ортах или штреках вентиляционной системы:

$$\begin{array}{l}\left(R_1-R_2\right)Q^2+R_{1,1}^{\left(в\right)}{\left(Q+Q_0^{\left(в\right)}\right)}^2+R_{1,2}^{\left(в\right)}{\left(Q+Q_0^{\left(в\right)}+Q_1\right)}^2\\ -R_1^{(o)}{\left(Q_0^{(o)}-Q\right)}^2=-h_2\end{array}$$ ;

$$\begin{array}{l}\left(R_2-R_3\right)Q^2+R_{2,1}^{\left(в\right)}{\left(2Q+Q_0^{\left(в\right)}+Q1\right)}^2+R_{2,2}^{\left(в\right)}{\left(2Q+Q_0^{\left(в\right)}+Q_1+Q2\right)}^2\\ -R_2^{(o)}{\left(Q_0^{(o)}-2Q\right)}^2=h_2-h_3\end{array}$$ ;

$$\begin{array}{l}\left(R_j-R_{j+1}\right)Q^2+R_{j,1}^{\left(в\right)}{\left(jQ+Q_{j0}^{\left(в\right)}+{\displaystyle \sum _{i=1}^{j-1}{Q}_i}\right)}^2+R_{j,2}^{\left(в\right)}{\left(jQ+Q_0^{\left(в\right)}+{\displaystyle \sum _{i=1}^j{Q}_i}\right)}^2\\ -R_j^{(o)}{\left(R_0^{(o)}-jQ\right)}^2=h_j-h_{j+1}\end{array}$$ ;

$$\begin{array}{l}\left(R_{m-1}-R_m\right)Q^2+R_{m-1,1}^{\left(в\right)}{\left(\left(m-1\right)Q+Q_0^{\left(в\right)}+{\displaystyle \sum _{i=1}^{m-2}{Q}_i}\right)}^2+R_{m-1,2}^{\left(в\right)}(\left(m-1\right)Q+Q_0^{\left(в\right)}\\ +{{\displaystyle \sum _{i=1}^{m-1}{Q}_i)}}^2-R_{m-1}^{(o)}{\left(Q_0^{(o)}-\left(m-1\right)Q\right)}^2=h_{m-1}-h_m\end{array}$$ .

В силу того, что в данной системе уравнений существует рекуррентная связь между неизвестными - депрессиями источников тяги h_j+1, то, учитывая, что расход воздуха в каждом погрузочном орте (штреке) имеет следующую величину $$Q=(Q_0^{(o)}-Q_m^{(o)})/m$$ , депрессии источников тяги рассчитывают по формуле

$$\begin{array}{l}{h}_{j+1}=h_j+[\left(R_{j+1}-R_j\right){\left(1-a\right)}^2-R_{j,i}^{\left(в\right)}(j\left(1-a\right)+mb+m{\displaystyle \sum _{i=1}^{j-1}{q_i)}^2}-\\ R_{j,2}^{\left(в\right)}(j\left(1-a\right)+mb+m{\displaystyle \sum _{i=1}^j{q_i)}^2+R_j^{(o)}{\left(m-j\left(1-a\right)\right)}^2]\left(\frac{Q_0^{(o)}}{m}\right)},\end{array}$$

где h_j - депрессия j-го источника тяги, Па;

j=1, 2, 3, … m-1;

R_j - аэродинамическое сопротивление j-го орта или штрека, Нс²м⁸;

$$R_{j,1}^{\left(в\right)}$$ , $$R_{j,2}^{\left(в\right)}$$ - аэродинамические сопротивления первого и второго звеньев j-го межортового или междуштрекового участка вентиляционного (воздуховыдающего) штрека или орта, Нс²м⁸;

$$R_j^{(o)}$$ - аэродинамическое сопротивление j-го участка откаточного (воздухоподающего) штрека или орта, Нс²/м⁸;

q_i - относительный расход отработанного воздуха в i-й ветви, $$q_i=Q_i/Q_0^{\left(o\right)}$$

Q_i - расход отработанного воздуха в i-й ветви, м³/c;

$$Q_0^{\left(o\right)}$$ - расход свежего воздуха на входе в систему по воздухоподающему (откаточному) штреку или орту, м³/с;

а - относительный расход свежего воздуха на выходе из системы, $$a=Q_m^{\left(o\right)}/Q_0^{\left(o\right)}$$

$$Q_m^{\left(o\right)}$$ - расход свежего воздуха на выходе из системы, м³/с;

b - относительный расход отработанного воздуха на входе в систему, $$b=Q_{о}^{\left(в\right)}/Q_0^{\left(o\right)}$$

$$Q_{о}^{\left(в\right)}$$ - расход отработанного воздуха на входе в систему, м³/с;

m - число погрузочных ортов или штреков в системе.

Предварительно составляют таблицу свойств системы, в которую заносят аэродинамические сопротивления всех ее элементов, а также расходы воздуха на входе в систему и на выходе из нее, и расходы воздуха во всех ветвях притока в сборную вентиляционную выработку. В реально существующих системах данные таблицы получают путем измерений, а в проектируемых системах - путем расчетов и ориентировочных оценок. Затем выполняют расчеты депрессий источников тяги по вышеприведенной формуле.

Если в результате вычислений депрессия того или иного источника тяги оказывается отрицательной по знаку, то данный источник тяги устанавливают таким образом, чтобы его действие было направлено против потока воздуха в данном орте или штреке, считая положительным направлением движения воздуха из воздухоподающего штрека или орта в воздуховыдающий штрек или орт.

Доводку режима работы каждого из источников тяги осуществляют путем поэтапной вариации производительности каждого из источников тяги: изменяют число оборотов лопаток, если источником тяги является вентилятор; изменяют расход сжатого воздуха, если источником тяги является пневматический эжектор.

Производят измерения расходов воздуха в погрузочных ортах или штреках, Q_j+1 (м³/с), причем если

$$Q_{j+1}>\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ при h_j+1>0 или

$$Q_{j+1}<\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1<0, то производительность j+1-го источника тяги уменьшают до состояния:

$$Q_{j+1}=\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , и увеличивают до этого состояния,

если $$Q_{j+1}<\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1>0 или

$$Q_{j+1}>\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ при h_j+1<0.

При соответствующем опыте равномерное воздухораспределение в системе добиваются за три-пять этапов вариации.

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность проветривания систем вентиляции с дополнительными ветвями притока отработанного воздуха на стадии эксплуатации таких систем, а на стадии проектирования даст возможность качественно выполнять проектно-констукторские изыскания. Кроме того, использование данного способа даст возможность осуществлять рациональное использование чистого воздуха, улучшать атмосферные условия труда горнорабочих и сокращать время проветривания погрузочных ортов или штреков после взрывных работ.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при проветривании ортов или штреков на погрузочно-доставочных горизонтах рудных шахт. Техническим результатом является повышение эффективности проветривания систем горных выработок за счет разработки алгоритма расчета выравнивания депрессий регуляторов. Сущность изобретения состоит в том, что данный способ включает регулирование аэродинамических сопротивлений ортов или штреков, которое осуществляют путем установки в ортах или штреках, кроме первого, источников тяги ориентированного действия, не препятствующих движению рудничного транспорта. При обеспечении равномерного воздухораспределения по ортам или штрекам депрессии источников тяги определяют из выражения, приведенного в тексте описания и формуле. Действие источников тяги ориентируют в зависимости от знака их расчетных депрессий. Доводку расходов воздуха в ортах или штреках до заданного режима выполняют в зависимости от рассчитанной депрессии. 1 ил.

Способ проветривания систем горных выработок, включающий подачу и отвод воздуха по воздухоподающим и воздуховыдающим штрекам или ортам, соединенным ортами или штреками, при котором регулирование аэродинамических сопротивлений ортов или штреков путем установки в ортах или штреках, кроме первого, источников тяги ориентированного действия, не препятствующих движению рудничного транспорта, при этом действие источников тяги ориентируют в зависимости от знака их расчетных депрессий, при h_j+i>0 источник тяги устанавливают на действие от воздухоподающего штрека или орта к воздуховыдающему штреку или орту, при h_j+i<0 источник тяги устанавливают на действие от воздуховыдающего штрека или орта к воздухоподающему штреку или орту, отличающийся тем, что при обеспечении равномерного воздухораспределения по ортам или штрекам депрессии источников тяги определяют из выражения
$$\begin{array}{l}{h}_{j+1}=h_j+[(R_{j+1}-R_j){(}^1-R_{j,1}^{\left(в\right)}(j(1-a)+mb+m{\displaystyle \sum _{i=1}^{j-1}{q}_i{)}^2}-\\ R_{j,2}^{\left(в\right)}{(}^j,\end{array}$$
где h_j - депрессия j-го источника тяги, Па;
j=1, 2, 3 …, m-1;
R_j - аэродинамическое сопротивление j-го орта или штрека, Нс²/м⁸;
$$R_{j,1}^{\left(в\right)}$$ , $$R_{j,2}^{\left(в\right)}$$ - аэродинамические сопротивления первого и второго звеньев j-го межортового или междуштрекого участка воздуховыдающего штрека или орта, Нс²м⁸;
$$R_j^{(o)}$$ - аэродинамическое сопротивление j-го участка воздухоподающего штрека или орта, Нс²м⁸;
q_i - относительный расход отработанного воздуха в i-й ветви,
$$q_i=Q_i/Q_0^{\left(o\right)}$$ ;
Q_i - расход отработанного воздуха в i-й ветви, м³/с;
$$Q_0^{\left(o\right)}$$ - расход свежего воздуха на входе в систему по воздухопрдающему штреку или орту, м³/с;
а - относительный расход свежего воздуха на выходе из системы,
$$a=Q_m^{\left(o\right)}/Q_0^{\left(o\right)}$$ ;
$$Q_m^{\left(o\right)}$$ - расход свежего воздуха на выходе из системы, м³/с;
b - относительный расход отработанного воздуха на входе в систему,
$$b=Q_{о}^{\left(в\right)}/Q_0^{\left(o\right)}$$ ;
$$Q_{о}^{\left(в\right)}$$ - расход отработанного воздуха на входе в систему, м³/с;
m - число ортов или штреков в системе, а окончательную доводку расходов воздуха в ортах или штреках Q_j+i (м³/с) до заданного режима выполняют вариацией производительности источников тяги, причем если $$Q_{j+1}>\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1>0 или $$Q_{j+1}<\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1<0, то производительность j+1-го источника тяги уменьшают до состояния: $$Q_{j+1}=\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , и увеличивают до этого состояния, если $$Q_{j+1}<\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1>0 или $$Q_{j+1}>\left(Q_0^{\left(o\right)}-Q_m^{\left(o\right)}\right)/m$$ , при h_j+1<0.