МІНІСТЕРСТВО освіти і НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНий ГІРничий університет

Мікрюков Сергій Борисович

УДК 622.235:622.457.5

РОЗРОБКА СПОСОБІВ І ЗАСОБІВ ПРОВІТРЮВАННЯ

РУДНИКІВ ПІСЛЯ МАСОВИХ ВИБУХІВ

Спеціальність 05.26.01 “Охорона праці”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці в Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Бойко Володимир Олександрович,

Національний гірничий університет

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри аерології і

охорони праці

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, професор

БЕРЕСНЄВИЧ Петро Васильович,

Криворізький технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри опалення і вентиляції –

кандидат технічних наук, доцент

ДАНІЛОВ Михайло Петрович,

Придніпровська державна академя

будівництва та архітектури Міністерства

освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), доцент кафедри опалення і вентиляції

Провідна установа Український державний науково-дослідний інститут безпеки праці і екології в гірничорудній і металургійній промисловості (НДІБПГ) Міністерства промислової політики України, лабораторiя рудникової аерологiї, (м.Кривий Ріг).

Захист відбудеться “ 20 ” червня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 в Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, 27, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “ 16 ” травня 2002 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.Т. Заїка

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність теми. Подальший усебічний розвиток України як незалежної держави в першу чергу залежить від підйому її економічного потенціалу і, зокрема, від росту кількісних і якісних показників роботи промисловості. Основною галуззю, що визначає питому вагу України у світовій економіці, є металургійна промисловість, яка, незважаючи на загальновідомі труднощі, у даний час працює ефективно.

Подальший ріст видобутку залізної руди здійснюється як за рахунок введення в експлуатацію нових потужностей, так і за рахунок інтенсифікації ведення гірничих робіт, вишукування резервів підвищення продуктивності та безпеки праці.

Системи розробки рудників Кривбасу характеризуються масовим обваленням руди, що вимагає виконання великих одночасних обсягів підривних робіт – масових вибухів. Кількість вибухових речовин (ВР), які підриваються при цьому, досягає 100 і більше тонн. Вибуховий розпад таких великих кількостей ВР в обмежених обсягах гірничих виробок рудників неминуче приводить до їхнього інтенсивного загазування токсичними пилогазовими продуктами вибуху, розбавлення яких до безпечних гранично припустимих концентрацій (ГПК) на робочих місцях вимагає значного часу й ефективної роботи вентиляційної системи шахти.

У результаті збільшення потужностей рудників і загального зниження рівня гірничих робіт у Кривбасі сформувалися складні вентиляційні системи рудників, якими важко керувати. Крім того, застосовувані в даний час технічні засоби оперативного керування вентиляцією шахт Кривбасу, зокрема, вентиляційні споруди, не забезпечують можливість інтенсифікації вентиляції після масового вибуху в зв’язку з їхньою недостатньою стійкістю до дії ударної вибухової хвилі.

Тому дослідження аеродинамічних параметрів вентиляційних систем рудників і розробка на базі цих досліджень способів і засобів провітрювання після масових вибухів є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт Національного гірничого університету (ДГІ) по темах: “Дослідити і розробити методи і засоби оперативного керування провітрюванням рудних шахт із високим навантаженням на очисні блоки” № держ. реєстрації 0037240 і “Розрахункове обґрунтування перспективного провітрювання шахт РУ ім. С. М. Кірова” № держ. реєстрації 01900020684.

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності і ефективності провітрювання гірничих виробок рудників Кривбасу і скорочення простоїв після масових вибухів.

Для досягнення мети поставлені та вирішені наступні задачі:–

виявити і дослідити фактори, що обумовлюють низьку ефективність провітрювання рудників після масових вибухів по відбою (обваленню) руди;–

дослідити та визначити аеродинамічні характеристики протяжних гірничих виробок, місцевих опорів і комплексу негерметичних виробок очисних панелей рудників у натурних умовах;–

дослідити аеродинамічну якість негерметичних ділянок гірничих виробок і розробити спосіб локального поліпшення провітрювання очисних виробок після проведення масових вибухів;–

розробити спосіб оперативного керування загальношахтною вентиляцією при спільній роботі декількох вентиляторів на вентиляційну мережу рудника на період проведення масових вибухів;–

розробити технічні засоби для забезпечення інтенсифікації провітрювання очисних блоків після масових вибухів.

Об’єкт дослідження – вентиляційні системи рудників Кривбасу.

Предмет дослідження – провітрювання підземних гірничих виробок після масових вибухів.

Методи досліджень. При виконанні дисертаційної роботи застосовувалися аналітичний і експериментальний методи – для дослідження аеродинамічних параметрів гірничих виробок рудників з різним ступенем герметичності та процесу газовиділення після масових вибухів; методи математичного моделювання – для розробки моделей механізму взаємного накладу збурень потоку близько розташованими елементами негерметичності в гірничій виробці і характеру формування в ній площі деформації повітряного потоку; методи фізичного моделювання – для дослідження аеродинамічних характеристик негерметичних гірничих виробок на моделях; методи математичної статистики – для апроксимації експериментальних результатів, оцінки вірогідності отриманих математичних моделей; дослідно-промислову апробацію – для перевірки розроблених способів і засобів провітрювання гірничих виробок рудників після масових вибухів.

Ідея роботи полягає в скороченні часу провітрювання, підвищенні надійності й ефективності вентиляції мережі гірничих виробок рудників після масових вибухів, що досягаються коректним вибором режимів провітрювання мережі як об’єкта, який має негерметичні властивості, оперативною зміною параметрів вентиляції за рахунок регулювання режимів роботи ВГП, підвищення надійності вентиляційної мережі і застосуванні нових конструкцій вентиляційних споруд, що самовідновлюються і забезпечують зберігання аеродинамічних параметрів мережі і стабільність режимів провітрювання.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: застосуванням сучасних методів теоретичного аналізу з урахуванням загальноприйнятих допущень; обсягом експериментів, що забезпечує з імовірністю 0,95 відхилення результатів не більш 10%; зіставленням результатів лабораторних і аналітичних досліджень між собою і з натурними даними (розбіжність результатів не більш 16%); позитивними результатами дослідно-промислової перевірки розроблених способів і засобів у шахтних умовах.

Наукові положення, які захищаються в дисертації:–

взаємна накладка збурень потоку близько розташованими елементами негерметичності приводить до додаткового збільшення аеродинамічного опору гірничих виробок при позитивній негерметичності (притоках повітря), і навпаки, до його зниження при негативній негерметичності (витоках повітря), що викликано змінами енергії повітряного потоку при його розподілі чи злитті ;–

профіль швидкості в негерметичній гірничій виробці відрізняється від профілю швидкості в герметичній і характеризується зміною форми і зсувом його від осі виробки, при цьому площа деформації повітряного потоку кількісно пов’язана зі зміною аеродинамічної характеристики гірничої виробки;–

інтенсифікація провітрювання рудників після масових вибухів досягається шляхом застосування нових конструкцій вентиляційних споруд, що самовідновлюються і забезпечують оперативний режим провітрювання рудника, а також шляхом регулювання режимів роботи ВГП відповідно до змін, які відбуваються у вентиляційній мережі.

Наукова новизна одержаних результатів: –

установлена закономірність зміни параметрів повітряного потоку в негерметичних гірничих виробках в залежності від кількості повітря по їхній довжині, яка відзначається врахуванням збурень потоку близько розташованими елементами негерметичності шляхом введення коефіцієнта негерметичності, що дозволяє більш достовірно визначати аеродинамічний опір гірничих виробок;–

установлена закономірність зміни коефіцієнта аеродинамічного опору гірничої виробки від ступеня її негерметичності, яка відзначається врахуванням напрямку повітря через елемент негерметичності, що дозволило розробити ефективний спосіб провітрювання камер після масових вибухів;–

розроблено критерій оцінки перерозподілу полів швидкостей, який відзначається кількісним врахуванням величини деформації полів швидкості і зміни форми їх профілю;–

розроблена і теоретично обґрунтована математична модель формалізованого опису процесу спільної роботи вентиляторів головного провітрювання, що відзначається від відомих тим, що при зміні режиму роботи вентиляторів відповідно до змін у вентиляційній мережі, створюється план-матриця дворівневого факторного експерименту, що передбачає установку вхідних регульованих параметрів на верхньому чи нижньому рівнях щодо основного.

Наукове значення результатів роботи полягає в тому, що вирішена наукова задача визначення коефіцієнта аеродинамічного опору гірничих виробок в залежності від ступеня їх негерметичності, яка дозволяє враховувати зміну аеродинамічного опору при різних характеристиках елементів вентиляційних систем рудників і уникнути значних розбіжностей розрахункового і дійсного розподілу повітря в вентиляційній мережі; розроблена математична модель керування режимами вентиляторів головного провітрювання, яка дозволяє коректувати режими їх роботи відповідно до змін, що відбуваються у вентиляційній мережі рудників; отримані параметри місцевих опорів, протяжних гірничих виробок з різними видами кріплення та комплексу негерметичних гірничих виробок виїмкових панелей, характерних для рудників Кривбасу, які дозволяють з досить високою точністю визначати аеродинамічні характеристики елементів вентиляційної системи рудника.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони використані для створення нових способів і засобів провітрювання рудників після масових вибухів, розробки методики розрахунку режимів спільної роботи декількох вентиляторів головного провітрювання на вентиляційну систему рудника після масових вибухів, у виді рекомендацій з провітрювання шахт Кривбасу, зокрема:–

на підставі досліджень аеродинамічних характеристик негерметичних ділянок гірничих виробок розроблений новий спосіб провітрювання очисних блоків після проведення масових вибухів, що дозволяє підвищити ефективність вентиляції при врахуванні різниці в аеродинамічному опорі ділянок виробок з витоками і притоками повітря і відрізняється від відомих тим, що практично виключає ймовірність загазування гірничих виробок газами з відбитої руди при її випуску і подальшому транспортуванні, що дозволяє істотно оздоровити атмосферу на робочих місцях під час очисної виїмки руди;–

розроблений новий спосіб визначення режимів спільної роботи шахтних вентиляторів після підривних робіт, що забезпечує максимальну кількість повітря на ділянці ведення підривних робіт і дозволяє підвищити ефективність розбавлення пилогазових продуктів вибуху до ГПК, скоротити час простою рудників після масових вибухів і підвищити економічність роботи ВГП за рахунок забезпечення їхніх режимів роботи в області високих ККД;–

розроблена нова конструкція стійкої до вибуху вентиляційної перемички, що самовідновлюється, яка відрізняється від відомих тим, що в умовах близького розташування до місця підривних робіт має високу надійність, самовідновлюється після дії на неї ударної повітряної хвилі (УПХ) характеризується низькою матеріалоємністю конструкції;–

розроблена нова конструкція перемички для гасіння УПХ в гірничій виробці, що характеризується простотою спорудження і використанням, як матеріалу її конструкції, вторинної сировини – автомобільних покришок, що відробили свій ресурс, крім того, під дією УПХ відбувається диспергування води, яка знаходиться усередині її конструкції, на що додатково витрачається її енергія і що сприятливо позначається на пиловій обстановці у виробках рудника;–

на підставі досліджень розроблені “Рекомендації з перспективної схеми провітрювання шахт РУ ім. Кірова”, що передані ДПІ “Кривбаспроект” для впровадження в проектах розробки горизонтів 1045 і 1135 рудника.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці задач досліджень, аналізі причин тривалої загазованості гірничих виробок рудників після масових вибухів, у дослідженні аеродинамічних процесів у гірничих виробках і на моделях, у розробці нових способів загальношахтної та локальної вентиляції й у розробці конструкцій нових вентиляційних споруджень – стійких до дії УПХ та вентиляційних перемичок, що самовідновлюються.

У роботах, написаних у співавторстві: [1, 2] виконані теоретичні і експериментальні дослідження негерметичних гірничих виробок; [6] – рекомен-дований спосіб провітрювання підземних гірничих виробок при проведенні масових вибухів; [8] – рекомендований спосіб вибору режимів спільної роботи шахтних вентиляторів після підривних робіт; [7, 9] рекомендовані технічні засоби провітрювання рудників після масових вибухів.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на всесоюзній конференції молодих вчених (м. Свердловськ 1989 р.), на конференції по удосконалюванню видобутку і переробки пальних сланців (м. Кохтла-Ярве, 1989 р.), на всесоюзній науково-технічній конференції “Стан і перспективи застосування м’яких оболонок на підземних гірничих роботах” (м. Дніпропетровськ, 1991 р.), на конференції з проблем аерології гірничодобувних підприємств (м. Дніпро-петровськ, 1999 р.), на технічній нараді при головному інженері рудоуправління
ім. Кірова (м. Кривий Ріг, 1991 р.), на технічній раді Міністерства промисловості України (м. Кривий Ріг, 1994 р.), на засіданнях кафедри аерології і охорони праці Національного гірничого університету (ДГІ).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 друкованих роботах, з них 3 – у наукових фахових виданнях, 5 – матеріали конференцій, 4 авторські свідоцтва.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 100 найменувань на 10 сторінках, трьох додатків на 42 сторінках. Загальний обсяг дисертації 171 сторінка, із них основний текст – 129 сторінок, рисунків – 30, таблиць – 14 (із них 1 на 3 повних сторінках).

Основний зміст роботи

У вступі розкритий стан проблеми та обгрунтована актуальність досліджень за обраною темою дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, викладена загальна характеристика дисертації.

У першому розділі проаналізовано стан провітрювання на рудниках після масових вибухів, дана оцінка технічного рівня способів і засобів провітрювання рудників, застосовуваних при масових вибухах, приведений аналіз літературних джерел, що характеризують сучасний рівень у цій області знань, і встановлене наступне:–

практично всі системи розробки рудників відрізняються масовим обваленням руди за допомогою підривних робіт, що приводить до інтенсивного загазовування мережі гірничих виробок і, як наслідок, до тривалих простоїв рудників;–

проведення підривних робіт в очисних блоках масовим обваленням руди, з різними гірничогеологічними і гірничотехнічними умовами визначили різний характер і тривалість загазованості мережі гірничих виробок. При цьому тривалість провітрювання (простої) рудників складала від 6 до 33 годин (рис. 1);–

результати аналізу динаміки складу рудникової атмосфери після підривних робіт для характерних гірничих виробок свідчать про те, що основною причиною тривалих простоїв рудників після масових вибухів є складність і важке управління їхніми вентиляційними системами і недосконалість застосовуваних у даний час вентиляційних споруд для оперативного керування вентиляцією, зокрема, слабка стійкість вентиляційних перемичок до впливу вибухової ударної хвилі;–

складні та важкі щодо керування вентиляційні мережі рудників при відсутності ефективних технічних засобів регулювання повітряних потоків у них не забезпечують необхідні вентиляційні режими оперативного провітрювання після масових вибухів;–

незважаючи на значний обсяг виконаних раніше досліджень, багато питань провітрювання рудників після масових вибухів залишаються невирішеними: не розроблений спосіб оперативного провітрювання рудника декількома вентиляторами для інтенсифікації провітрювання після масових вибухів, актуальним є питання поліпшення провітрювання очисних виробок блоку при випуску руди, не створені надійні і стійкі до УПХ вентиляційні перемички, що самовідновлюються, для забезпечення необхідного режиму оперативного провітрювання;–

вимагають подальших досліджень і аеродинамічні процеси в шахтних вентиляційних системах, зокрема, визначення аеродинамічного опору протяжних гірничих виробок, місцевих опорів, комплексу виробок очисних панелей і, особливо, параметрів негерметичних ділянок вентиляційної мережі.

Рис. 1. Зміни концентрації СО в залежності від часу провітрювання.

Основний внесок у розвиток рудникової аерогазодинаміки внесли такі відомі вчені, як А.А. Скочинський, В.Б. Комаров, А.І. Ксенофонтова, П.І. Мустель,
В.М. Воронін, Ф.О. Абрамов, К.З. Ушаков, В.О. Бойко, М.Ф. Кременчуцький,
Ф.С. Клєбанов, В.А. Долінський та ін.

Результатами їхніх досліджень є наукове обґрунтування аеродинамічних процесів, що відбуваються у вентиляційних мережах рудників, інженерні методи розрахунку вентиляції, способи і засоби оперативного керування рудниковою вентиляцією, її автоматизація і диспетчеризація.

Питанням аерогазодинаміки масових вибухів у рудниках присвячені роботи С.І. Луговського, С.К. Савенка, Е.Т. Морозова, В.І. Бережного, А.А. Гуріна, П.С. Малого та ін.

Виконаний аналіз і приведені вище висновки дозволили з’ясувати сутність наукової проблеми, визначити напрямок, мету та конкретні задачі досліджень.

У другому розділі викладені результати досліджень аеродинамічної якості елементів шахтних вентиляційних систем сучасних рудників Кривбасу.

Дослідження проводилися в натурних умовах з метою визначення аеродинамічних характеристик протяжних гірничих виробок, у яких домінують утрати на тертя, об’єкти місцевих опорів, де переважають утрати, пов’язані зі зміною форми і цілісності потоку і комплексу негерметичних виробок виїмкових панелей, що включають усі види опорів. Проведені дослідження дозволили визначити їхні аеродинамічні характеристики
(табл. 1), що свідчать про аеродинамічну якість додатково.

Таблиця 1

Аеродинамічний опір сполучень виробок, місцевих опорів

і вентиляційних споруджень

Найменування сполучень виробок і їхні характеристики | R, Н·с2/м8

Перемички з двостулковими дверми в ортах-заїздах | 6,4…20,3

Вентиляц. штрек з підняттєвим (поворот із раптовим звуженням) | 0,19…0,62

Вентиляційні орти зі штрек-полками | 0,23…0,40

Штрек-полки з міжблоковими вентиляційними ортами (МВО) | 0,03…0,076

МВО зі штрек- колекторами | 0,017..0,12

Виїмкові панелі у експлуатації | 0,18…0,30

Відсутність плавних переходів від одного перетину до іншого, захаращеність шляхів руху повітря обумовлює великі втрати тиску, що в кінцевому рахунку позначається на забезпеченості повітрям споживачів. Найчастіше аеродинамічний опір тільки одного сполучення виробок дорівнює чи навіть перевищує опір системи виробок виїмкової панелі. Деякі об’єкти мають високий опір, і вирішальне значенням у його формуванні грає площа перерізу, яку на самому початку виконують малим перетином, перекриваючи її різними конструктивними елементами для технологічних функцій. Усе це значно збільшує аеродинамічний опір таких сполучень.

Отримані в результаті експериментальних досліджень значення аеродинамічного опору гірничих виробок рудників і комплексу виробок очисних панелей дозволяють з досить високою точністю виконати розрахунки режимів вентиляції рудників як при оперативному керуванні після підривних робіт, так і при її проектуванні і забезпечені потреб експлуатації.

У третьому розділі приведені дослідження закономірностей зміни параметрів повітряного потоку в негерметичних гірничих виробках зі зміною кількості повітря по їхній довжині, викладений спосіб провітрювання очисних блоків після масових вибухів з урахуванням негерметичності гірничої виробки.

Дослідженнями моделі турбулентного руху повітряного потоку в негерметичних гірничих виробках з дискретною негерметичністю встановлено, що взаємна накладка збурень потоку близько розташованими елементами негерметичності приводить до додаткового збільшення (15...20%) аеродинамічного опору негерметичних гірничих виробок при позитивній негерметичності (притоках повітря), і навпаки, до його зниження при негативній негерметичності (витоках повітря), що викликано змінами енергії повітряного потоку при його розділі чи злитті.

Дослідження структури потоку з негерметичністю показали, що аеродинамічні параметри потоку змінюються в залежності від коефіцієнта негерметичності, який рекомендовано визначати з виразу:

(1)

де q – сумарна витрата маси, що втрачається чи приєднується, приведена на 1 п.м., м3/с; Qcp – середня витрата повітря, м3/с.

(2)

де Q1 – початкова витрата, м3/с; L – довжина негерметичної ділянки, м.

При негативній негерметичності (коефіцієнт негерметичності К<0,1) не відбувається перерозподілу швидкостей по всьому перетині виробки. Зміни структури потоку спостерігаються тільки в приграничному турбулентному шарі. Його величина скорочується на 20-25%, при цьому на цю ж величину зростає ядро потоку. З цього випливає, що при коефіцієнті негерметичності К<0,1 відбувається "відсмоктування" вихру в міжрамній області (приграничний шар), що є наслідком зниження енерговитрат на його подолання основним потоком .

При збільшенні коефіцієнта витрати більше 0,1 відбувається переформування усього поля швидкостей. Через інтенсивне "відсмоктування" відбувається зсув ядра потоку убік негерметичної стінки, що сприяє більш вільному утворенню вихору на шорсткостях кріплення герметичної стінки.

Переформування швидкостей у перетині спричиняє додаткові втрати енергії та збільшення аеродинамічного опору.

При позитивній негерметичності з появою підведення повітря відбувається деформація (притискування) ядра потоку убік герметичної стінки. Підведене повітря тут виступає додатковим турбулізатором приграничного шару і є причиною істотного збільшення опору гірничих виробок.

Для встановлення інтервалу поширення деформації полів усереднених швидкостей, створюваних негерметичністю повітроводу, були проведені експерименти з використанням методу фрагментів.

Критерієм оцінки перерозподілу полів швидкостей є відносна величина деформації полів швидкості С (рис. 2)

, (3)

де Sqmax – максимальна площа деформації профілю швидкості руху повітря герметичної виробки і профілю виробки з негерметичністю; SL – площа деформації полів швидкості на i-м відстані від негерметичності і герметичним профілем.

Отримані результати для позитивної та негативної негерметичності приведені на рис. 2.

У результаті досліджень установлено, що при позитивній негерметичності інтервал збурення потоку негерметичністю склав 24d (6d – до негерметичності і 18d за негерметичністю при коефіцієнті витрат К=0,5). При негативній негерметичності загальний інтервал збурення потоку негерметичністю склав 18d.

Дослідження, проведені для виробок з позитивною негерметичністю, показали, що коефіцієнт аеродинамічного опору зростає зі збільшенням швидкості потоку і зі збільшенням коефіцієнта К.

У результаті обробки експериментальних даних отримані емпіричні залежності коефіцієнтів для виробок з негерметичністю :– 

для виробок з негативною негерметичністю

; (4)– 

для виробок з позитивною негерметичністю

. (5)

Рис. 2. Залежність відносної величини деформації полів швидкості від відстані до негерметичності: – позитивна негерметичність; – негативна негерметичність; – площа деформації полів швидкості (S=S1+S2+S3).

Отримані значення коефіцієнтів у залежності від коефіцієнта негерметичності К приведені на рис. 3.

Рис. 3. Залежність коефіцієнта аеродинамічного опору гірничої виробки від ступеня її негерметич-ності для калібру шорсткості кріплення 3: 1 – позитивна негерме-тичность (притоки повітря); 2 – негативна негерметичність (вито-ки повітря).

На підставі експериментальних даних встановлено, що аеродинамічний опір виробок з дискретною негативною негерметичністю зростає зі збільшенням абсолютної величини негерметичності, наближаючись до його значень для герметичних виробок.

Для внесення поправок при розрахунку депресії гірничих виробок Кривбасу в основну розрахункову формулу h=RQ2 доцільне введення додаткового коефіцієнта Z, що враховує зміну аеродинамічного опору при різній повітропроникності вентиляційних перемичок, міжрамних огороджень та ін.:

, (6)

де Rнг – питомий опір негерметичної виробки; R – питомий опір герметичної виробки.

Дослідження структури турбулентних потоків на моделях виробок, закріплених спецпрофілем типу СВП-27 з різним подовжнім калібром кріплення (=2-12), і ступеня негерметичності виробки показали, що мінімального значення коефіцієнт досягає при подовжньому калібрі =2 при K>0 і істотно не відрізняється від герметичних виробок (рис. 4).

Рис. 4. Залежність коефі-цієнта аеродинамічного опору гірничих виробок від подовж-нього калібру кріплення (витоку повітря): 1 – герметична виробка; 2 – виробка з коефіцієнтом негерметичності К = 0,3; 3 – К=0,1.

Досліджена природа і сумісний вплив подовжнього калібру кріплення виробки і коефіцієнта негерметичності на коефіцієнт аеродинамічного опору .

Розроблено новий спосіб провітрювання гірничих виробок при проведенні масових вибухів (рис. 5).

Способом передбачається подача свіжого повітря по вентиляційних виробках, омивання свіжим повітрям відбитої руди, відвід забрудненого повітря через випускні дучки і виробку блоку, що доставляє, виробку, що відводить повітря й установку пристрою, який розподіляє повітря, відповідно до параметрів негерметичності, що дозволяє підвищити ефективність вентиляції при врахуванні різниці в аеродинамічному опорі ділянок виробок з витоками і притоками повітря.

Місце установки пристрою 7, що розподіляє повітря (наприклад швидко-споруджувана перемичка), визначається з урахуванням розходження в аеродинамічному опорі ділянок з позитивною та негативною негерметичністю.

Одержані достовірні значення аеродинамічних параметрів гірничих виробок, які дають змогу підвищити точність вентиляційних розрахунків як при проектуванні, так і при оперативному управлінні вентиляцією рудників Кривбасу, а розроблений на базі експериментальних досліджень спосіб провітрювання камер підвищує ефективність вентиляції після підривних робіт.

У четвертому розділі приведено новий спосіб вибору режиму спільної роботи шахтних вентиляторів, що включає зміну їхньої подачі та вимір витрати повітря на ділянці. При цьому встановлюють режими роботи вентиляторів, що забезпечують можливість збільшення та зменшення їхньої продуктивності на 10-15% від розрахункової шляхом зміни їхніх вхідних регульованих параметрів (ВРП). Значення ВРП вентиляторів, що відповідають цим режимам їхньої роботи, позначають і називають основними рівнями.

За результатами дослідів визначають середнє значення витрати повітря на ділянці ведення підривних робіт і коефіцієнти впливу роботи вентиляторів на ефективність провітрювання цієї ділянки

(7)

де – число дослідів; – порядковий номер досліду; – номер вентилятора; – кодоване значення ВРП, рівне = 0 для основного рівня, =+1 для верхнього і =-1 для нижнього; – витрата повітря, що надходить на ділянку ведення підривних робіт у дослідах.

Значення коефіцієнтів пропорційності для кожного вентилятора обчислюють за формулами

(при ), чи (при ) (8),

де , – максимальне та мінімальне значення ВРП вентиляторів у натуральних величинах.

З отриманих значень коефіцієнтів пропорційності вибирають найменше і визначають шукані значення ВРП кожного вентилятора

, (9)

після чого розраховують очікувану витрату повітря на ділянці ведення підривних робіт

, (10)

де – кількість регульованих вентиляторів.

Далі змінюють режими роботи вентиляторів, установлюючи їх вхідні регульовані параметри в знайдені положення xj, що забезпечують максимальну витрату повітря на ділянці ведення підривних робіт.

У п’ятому розділі приведено нові технічні засоби інтенсифікації провітрювання очисних блоків.

На підставі виконаних досліджень розроблена вентиляційна перемичка підвищеної стійкості від впливу УПХ при масових вибухах (рис. 6).

Рис. 6. Конструкція вентиляційної перемички, стійкої до ударної хвилі: а – схема установки перемички; б – розріз А-А на фіг. а.

Конструкція перемички для гасіння УПХ в гірничій виробці характеризується простотою спорудження і використовуванням як матеріалу вторинної сировини – автомобільних покришок, що відробили свій ресурс. Енергія УПХ затрачається на подолання пружних властивостей автомобільних шин 1, на спробу перемістити уздовж виробки та перекинути перемичку. Крім того, під впливом УПХ відбувається диспергування води, яка знаходиться усередині її конструкції 2, на що додатково витрачається її енергія і що сприятливо позначається на пиловій обстановці у виробках. Для підвищення аеродинамічного опору вентиляційної перемички в її конструкцію рекомендується закладати плівку, що герметизує 3.

З метою інтенсифікації провітрювання очисних блоків після підривних робіт розроблена також нова конструкція стійкої до вибуху вентиляційної перемички, що самовідновлюється (рис. 7).

Конструкція вентиляційної перемички дозволяє “пропускати” УПХ не руйнуючись (самовідновлюється), зберігаючи при цьому необхідну герметичність і забезпечуючи необхідний вентиляційний режим в районі вибуху і крім того, характеризується низькою матеріалоємністю конструкції.

У додатках приведені матеріали про впровадження результатів дисертації, результати експериментальних досліджень та інші допоміжні матеріали.

Рис. 7. Конструкція стійкої до вибуху перемички, що самовідновлюється: 1 – амортизаційні шнури; 2 – стропи; 3 – виконавчий орган.

Висновки

У дисертації, що є завершеною науково-дослідною роботою, поставлена і вирішена актуальна науково-практична задача, яка дозволяє скоротити час провітрювання, підвищити надійність й ефективність вентиляції мережі гірничих виробок рудників після масових вибухів, що досягаються коректним вибором режимів провітрювання мережі як об’єкта, який має негерметичні властивості, оперативною зміною параметрів вентиляції за рахунок регулювання режимів роботи ВГП, підвищенням надійності вентиляційної мережі і застосуванням нових конструкцій вентиляційних споруд, що самовідновлюються і забезпечують збереження аеродинамічних параметрів мережі і стабільність режимів провітрювання.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Установлено, що практично всі системи розробки рудників відзначаються масовим обваленням руди за допомогою підривних робіт, при яких одночасно вибухає 100 і більш тонн ВВ (масові вибухи), що приводить до інтенсивного загазовування мережі гірничих виробок і, як наслідок, до тривалих простоїв рудників. Крім того, існуючі способи і засоби провітрювання гірничих виробок рудників після масових вибухів в умовах складних і важко керованих вентиляційних мереж рудників не забезпечують необхідні вентиляційні режими їхнього оперативного провітрювання.

2. Визначено аеродинамічні параметри місцевих опорів, протяжних виробок з різними видами кріплення та комплексу негерметичних виробок виїмкових панелей, характерних для рудників Кривбасу.

3. Приведене теоретичне обґрунтування моделі турбулентного руху повітряного потоку в гірничих виробках з перемінною витратою по довжині й отримані значення коефіцієнтів аеродинамічного опору в залежності від характеру та ступеня негерметичності, калібру кріплення та шорсткості.

4. Установлено, що взаємні накладення збурень потоку близько розташованими елементами негерметичності приводять до додаткового збільшення аеродинамічного опору негерметичних гірничих виробок при позитивній негерметичності (притоках повітря) і, навпаки, до його зниження при негативній негерметичності (витоках повітря) (до 15...20%, при ступені негерметичності 0,1), що викликано змінами енергії повітряного потоку при його розподілі чи злитті.

5. Установлено, що профіль швидкості в негерметичній гірничій виробці відрізняється від профілю швидкості в герметичній і характеризується зсувом його від її осі і зміною форми, при цьому площа деформації повітряного потоку кількісно пов’язана зі зміною аеродинамічної характеристики гірничої виробки.

6. Розроблено новий спосіб провітрювання гірничих виробок після масових вибухів, що включає подачу свіжого повітря по вентиляційних виробках, омивання свіжим повітрям відбитої руди, відвід забрудненого повітря через випускні дучки і виробки блоку, що відводять повітря, і установку пристрою, який розподіляє повітря, відповідно до параметрів негерметичності, що дозволяє підвищити ефективність вентиляції. Спосіб відрізняється від відомих тим, що практично виключає можливість загазовування гірничих виробок газами з відбитої руди при її випуску і подальшому транспортуванні.

7. Установлено аеродинамічні параметри основних вентиляційних напрямків рудників, що дозволяють більш вірогідно визначати режими роботи їх вентиляторів головного провітрювання.

8. Отримано математичну модель режимів спільної роботи вентиляторів головного провітрювання, що дозволяє коригувати режими їх роботи відповідно до змін, що відбуваються у вентиляційній мережі.

9. Розроблено новий спосіб вибору режимів спільної роботи шахтних вентиляторів після підривних робіт, що включає зміну продуктивності вентиляторів у залежності від витрати повітря на ділянках проведення масових вибухів. Спосіб відрізняється від відомих тим, що змінюють режими роботи вентиляторів, установлюючи їх ВРП у визначені (шляхом розрахунку кількості повітря) положення, що забезпечують максимальну кількість повітря на ділянці ведення підривних робіт.

10. Розроблено нову конструкцію стійкої до вибуху вентиляційної перемички, що самовідновлюється. Конструкція відрізняється від відомих тим, що придатна для близького розташування до місця підривних робіт, має високу надійність, самовідновлюється після дії на неї УПХ та характеризується низькою матеріалоємністю конструкції.

11. Розроблено нову конструкцію перемички для гасіння УПХ в гірничій виробці, яка характеризується простотою спорудження і використанням як матеріалу її конструкції вторинної сировини – автомобільних покришок, що відробили свій ресурс. Крім того, під впливом ударної хвилі відбувається диспергування води, яка знаходиться усередині її конструкції, на що додатково витрачається її енергія і що сприятливо позначається на пиловій обстановці у виробках.

12. На підставі досліджень в дисертації розроблені і передані ДПІ “Кривбаспроект” для впровадження в проектах відпрацьовування горизонтів 1045 і 1135 рудника “Рекомендації з перспективної схеми провітрювання шахт РУ ім. Кірова”.

13. Широке впровадження розроблених способів і засобів провітрювання гірничих виробок рудників після масових вибухів дозволяє підвищити ефективність вентиляції рудників з масовим обваленням руди за допомогою підривних робіт і, як наслідок, знизити тривалість їхніх простоїв, поліпшити санітарно-гігієнічні умови праці на робочих місцях і підвищити рівень безпеки ведення підземних гірничих робіт.

Впровадження розроблених способів і засобів провітрювання гірничих виробок після підривних робіт на рудниках Криворізького залізорудного басейну підтвердили правильність і ефективність запропонованих рішень, а також їхню працездатність у реальних умовах експлуатації.

Наукові положення та результати опубліковані у 12 працях,

з яких основні такі:

1. Долинский В.А., Микрюков С.Б., Симоненко И.Н. Аэродинамическое качество негерметичных горных выработок рудников Кривбасса // Науковий вісник НГА України. Дніпропетровськ: нга україни. 2001. № 6. С. 80-84.

2. Мікрюков С.Б. Оперативне управління загальношахтною вентиляцією рудника після масових вибухів при спільній роботі декількох вентиляторів на мережу / Охорона праці та навколишнього середовища на підприємствах гірничо-металургійного комплексу. Наук.-техн.зб. Кривий Ріг: НДІБПГ 2001. № 3 –
С. 3-12.

3. Литвиненко А.А., Шибка Н. В., Ищенко А. С., Микрюков С.Б. Способ управления проветриванием действующей шахты / Сб. научных тр. НГА Украины, № 5. Днепропетровск, 1999. С. 139-142.

4. А.С. № 1670150 А1 СССР, кл. Е 21 F1/00 Способ проветривания подземных горных выработок при проведении массовых взрывов / В.А. Бойко, А.С. Ищенко, С.Б. Микрюков и Р.С. Кирин (СССР). № 4667405/03; Заявлено 27.03.89; Опубл. 15.08.91. бюл. № 30. 4 с.

5. А.С. № 1633140 A1 СССР, кл. Е 21 F5/00 Перемычка для гашения ударной воздушной волны в горной выработке / В.А. Бойко, Н.В. Шибка, А.С. Ищенко,
С.Б. Микрюков и Р. С. Кирин (СССР). № 4608728/03; Заявлено 23.11.88; Опубл. 07.03.91. бюл. № 9. 5 с.

6. А.С. № 1701932 А1 СССР, кл. Е 21 F1/00 Способ определения режимов совместной работы шахтных вентиляторов после взрывных работ / В.А. Бойко,
А.С. Ищенко, Н.В. Шибка, А.А. Литвиненко и С.Б. Микрюков (СССР). № 4726795/03; Заявлено 02.08.89; Опубл. 30.12.91. бюл. № 48. 10 с.

7. А.С. № 1807216 А1 СССР, кл. Е 21 F1/14, 5/00 Шахтная взрывоустойчивая перемычка “Лотос” / В.А. Бойко, Ю.Г. Анцыгин, Н.В. Шибка, А.С. Ищенко и
С.Б. Микрюков (СССР). № 4916313/03; Заявлено 21.12.91; Опубл. 07.04.93. бюл. № 13. 6 с.

8. Кременчуцкий Н.Ф., Бескровный В.И., Микрюков С.Б. К вопросу проветривания подземных выработок во время их проходки с применением автотранспорта / Сб. научных тр. НГА Украины, № 1. Днепропетровск, 1998.
С. 113-117.

9. Микрюков С.Б., Ищенко А. С. Способы и средства интенсификации проветривания шахт после массовых взрывов / Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции молодых ученых “Интенсификация горнорудного производства”. Свердловск, 1989. С. 29-30.

Анотація

Мікрюков С.Б. Розробка способів і засобів провітрювання рудників після масових вибухів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 Охорона праці. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці способів і засобів провітрювання рудників після масових вибухів на базі досліджень аеродинамічних параметрів вентиляційних систем рудників Кривбасу. Розглянуто питання обгрунтування аеродинамічних параметрів місцевих опорів, протяжних гірничих виробок із різними видами кріплення і комплексу негерметичних ділянок очисних панелей, характерних для рудників Кривбасу для забезпечення нормальних санітарно-гігієнічних умов праці на робочих місцях, підвищення рівня безпеки ведення підземних гірничих робіт, зниження тривалості простоїв рудників після масових вибухів.

Дослідження дозволили удосконалити методи розрахунку аеродинамічних параметрів негерметичних елементів вентиляційних систем, розробити способи та засоби провітрювання рудників після масових вибухів нового технічного рівня.

Ключові слова: аеродинамічні параметри, вентиляційна система, негерметичність, ефективність вентиляції, засоби провітрювання, експериментальні дослідження, оперативне коректування режимів.

Аннотация

Микрюков С. Б. Разработка способов и средств проветривания рудников после массовых взрывов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 Охрана труда. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена разработке способов и средств проветривания рудников после массовых взрывов на базе исследований аэродинамических параметров вентиляционных систем рудников Кривбасса. Рассмотрены вопросы обоснования аэродинамических параметров местных сопротивлений, протяженных горных выработок с различными видами крепи и комплекса негерметичных участков панелей, характерных для рудников Кривбасса для обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий труда на рабочих местах, повышения уровня безопасности ведения подземных горных работ, снижения продолжительности простоев рудников после массовых взрывов.

На базе выполненных экспериментальных исследований аэродинамических параметров вентиляционных систем рудников разработаны способы и средства проветривания рудников после массовых взрывов, позволяющие повысить эффективность вентиляции рудников с массовым обрушением руды при помощи взрывных работ.

На базе лабораторных исследований получено описание взаимодействия воздушных потоков с негерметичными элементами стенок воздуховодов, характерное для распространения воздушных потоков в горных выработках рудников после массовых взрывов. Установлено, что взаимоналожения возмущений потока близко расположенными элементами негерметичности приводят к дополнительному увеличению аэродинамического сопротивления негерметичных горных выработок при положительной негерметичности (притоках воздуха) и, наоборот, к его снижению при отрицательной негерметичности (утечках воздуха) (до 15...20%, при степени негерметичности 0,1), что вызвано изменениями энергии воздушного потока при его слиянии или делении. Профиль скорости в негерметичной горной выработке отличается от профиля скорости в герметичной выработке и характеризуется смещением его от ее оси и изменением формы, при этом площадь деформации воздушного потока количественно связана с изменением аэродинамической характеристики горной выработки. Получены аналитические и эмпирические формулы, позволяющие учитывать характер негерметичности при расчете аэродинамических параметров горных выработок. Внесенная поправка на эффект “отсоса” и возмущение воздушных потоков при их делении или слиянии уточнила ключевой момент развития вентиляционных струй в условиях негерметичности: при положительной негерметичности (притоках воздуха), и при отрицательной негерметичности (утечках воздуха).

На основании результатов исследований разработан новый способ проветривания горных выработок при проведении массовых взрывов, в котором место установки воздухоразделяющего устройства определяется в соответствии с параметрами негерметичности, что позволяет повысить эффективность вентиляции при учете разности в аэродинамическом сопротивлении участков выработок с утечками и притоками воздуха и практически исключает вероятность загазирования горных выработок газами из отбитой руды при ее выпуске и дальнейшей транспортировке.

Разработанный новый способ определения режимов совместной работы шахтных вентиляторов после взрывных работ, включающий изменение производительности вентиляторов в зависимости от расхода воздуха на участках производства массовых взрывов, позволил корректировать режимы работы вентиляторов, устанавливая их ВРП в положения, обеспечивающие максимальный расход воздуха на участке ведения взрывных работ.

Разработана новая конструкция взрывоустойчивой самовосстанавливаю-щейся вентиляционной перемычки, которая в условиях близкого расположения к месту взрывных работ обладает высокой надежностью, самовосстанавливается после воздействия на нее ударной воздушной волны и характеризуется низкой материалоемкостью конструкции.

Разработана новая конструкция перемычки для гашения ударной воздушной волны в горной выработке, которая характеризуется простотой возведения с использованием вторичного сырья. Кроме того, под воздействием ударной волны происходит диспергирование воды, находящейся внутри ее конструкции, на что дополнительно расходуется ее энергия и что благоприятно сказывается на пылевой обстановке в выработках.

Разработка средств проветривания после массовых взрывов позволила осуществлять воздухораспределение в вентиляционных системах рудников после производства массовых взрывов в соответствии с требуемым расходом воздуха на участке ведения взрывных работ.

Ключевые слова: аэродинамические параметры, вентиляционная система, негерметичность, эффективность вентиляции, средства проветривания, экспериментальные исследования, оперативное корректирование режимов.

ABSTRACT

Мikrukov S.B. Elaboration