Разработка методов контроля и снижения поверхностных утечек воздуха на рудниках

Актуальность темы

диссертации" Рост производственных мощностей современных горнодобывающих предприятий вызывает потребность в подаче в рабочие зоны все большего количества свежего воздуха, что, в свою очередь, вызывает необходимость повышения производительности вентиляторных установок главного проветривания (ВУГП) и неизбежный рост затрат на их строительство и эксплуатацию.

Анализ публикаций показал, что проветривание большинства рудников осуществляется всасывающим способом с помощью ВУГП, расположенной на дневной поверхности, а вентиляционные стволы используются для подъема полезных ископаемых, людей и грузов. Вследствие недостаточной герметичности поверхностных комплексов вентиляционных стволов (ПКВС) одновременно с ростом производительности и размеров ВУГП происходит рост утечек воздуха (достигающих в некоторых случаях до 60% от производительности ВУГП), что существенно снижает эффективность проветривания.

Таким образом, уменьшение поверхностных утечек является одним из основных направлений в комплексе мероприятий по снижению затрат горнодобывающего предприятия на проветривание. В настоящее время этот вопрос исследован недостаточно. Основная часть поверхностных утечек воздуха происходит через устье вентиляционных стволов, при использовании стволов в качестве скиповых, скипо-клетевых или клетевых.

В связи с этим, для рудников актуальной задачей является разработка технических решений для управления поверхностными утечками воздуха при совмещении с автоматическим непрерывным контролем их величины. Это позволяет оперативно увеличивать аэродинамическое сопротивление устья вентиляционного ствола и тем самым эффективно сокращать поверхностные утечки воздуха.

Цель работы — разработка методов непрерывного автоматического контроля величины поверхностных утечек воздуха и управления ими с помощью воздушной завесы путем изменения структуры воздушных потоков в устьях вентиляционных стволов.

Основная идея диссертационной работы состоит в автоматическом непрерывном контроле и эффективном сокращении поверхностных утечек воздуха через устье вентиляционного ствола с помощью воздушной завесы.

Основные задачи работы: исследование существующих методов контроля поверхностных утечек воздух на рудникахразработка метода автоматического непрерывного контроля величины поверхностных утечек воздуха на рудниках, основанного на контроле производительности ВУГГТ и количества воздуха, поступающего в рудникопределение оптимальных и надежных схем размещения датчиков в каналах ВУГП, и в подземных горных выработках на исходящих струях рудника в составе системы автоматического непрерывного контроля величины поверхностных утечек воздухаразработка технических решений, обеспечивающих уменьшение поверхностных утечек воздуха через устье вентиляционного ствола с помощью воздушной завесы путем изменения структуры воздушного потокаразработка метода управления поверхностными утечками воздуха через устье вентиляционных стволов на основе использования воздушной завесы с применением системы автоматического непрерывного контроля величины поверхностных утечек воздуха.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Схема размещения датчиков измерения аэродинамических параметров в вентиляционных каналах вентиляторной установке главного проветривания и в подземных горных выработках на исходящих струях рудника, обеспечивающая надежный контроль величины поверхностных вентиляционного ствола.

Достоверность научных положений, выводов it рекомендаций обеспечивается: использованием сертифицированного оборудования, строгой постановкой задач математического моделирования, использованием апробированных методик измерения, а также подтверждается большим объемом наблюдений, выполненных в натурных условиях.

Практическое значение работы заключается в управлении поверхностными утечками воздуха через устье вентиляционного ствола при помощи двухсторонней встречной воздушной завесы, размещенной выше сопряжения вентиляционного канала со стволом совместно с автоматическим непрерывным контролем величины поверхностных утечек воздуха.

Реализация результатов работы. Разработанные методы и результаты экспериментальных исследований по оптимизации метода измерения аэродинамических параметров вентиляторных установок главного проветривания легли в основу рабочего проекта «Техническое измерение расхода и давления на ГВУ», выполненного ЗАО «Компания СЗМА» для БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий», 2008 г.

Разработана методика проведения аэродинамических испытаний датчиков Emerson Rosemount 3095MFA mass probar flowmeter (Rosemount 3095MFА) на главной вентиляторной установке рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий».

Методы контроля поверхностных утечек воздуха используются в учебном процессе для студентов специальности «Физические процессы горного производства» — дисциплина «Контроль процессов горного производства» Пермского государственного национального исследовательского университета.

Личный вклад автора заключается: — в разработке метода автоматического непрерывного контроля величины поверхностных утечек воздуха на рудникахв проведении шахтных экспериментальных работ по изучению мест установки датчиков контроля скорости воздушного потока в горных выработках на исходящих струях рудникав проведении шахтных экспериментальных работ по изучению мест установки в вентиляционных каналах ВУГГТ датчиков контроля основных аэродинамических параметров вентиляторной установки главного проветриванияв разработке эффективного метода управления поверхностными утечками воздуха через устье вентиляционных стволов при непрерывном автоматическом контроле их величины совместно с использованием воздушной завесы, которая обеспечивает оперативное регулирование аэродинамического сопротивления устья вентиляционного ствола.

Апробация результатов диссертационной работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научном международном симпозиуме «Неделя горняка-2009» (г. Москва, 2009 г.), на научных сессиях Горного института УрО РАН (г. Пермь, 2006,2007, 2008,2009, 2010 и 2011 гг.), на 2-м, 3-м, 4-м, 5-м и 6-м Международном северном социально-экологическом конгрессе, 4-й, 5-й, 6-й, 7-й и 8-й Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2006, 2007, 2008, 2009 и 2010 гг.), на региональных научно-практических конференциях «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (г. Пермь, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 и 2011 гг.), на 3-й региональной конференции «Молодежная наука Верхнекамья» (г. Березники 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 143 страницах, содержит 33 рисунка и.

3.5. Выводы к главе 3.

1. Разработана методика проведения аэродинамических испытаний датчиков ЯОЗЕМОХЖТ 3095МБА на главной вентиляторной установке рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий».

2. Экспериментально установлено, что при автоматическом непрерывном определении расхода воздуха в каналах вентиляторных установок главного проветривания, надежность и точность измерений выше при использовании датчиков динамического давления с осредняющей напорной трубкой.

3. Показано, что в качестве датчиков динамического давления целесообразно использовать датчики EMERSON ROSEMOUNT 3095MFA MASS PROBAR® FLOWMETER (ROSEMOUNT 3095MFA) с осредняющей трубкой Annubar.

4. Установлено, что датчики EMERSON ROSEMOUNT 3095MFA MASS PROBAR® FLOWMETER (ROSEMOUNT 3095MFA) с осредняющей трубкой Annubar необходимо устанавливать вертикально или горизонтально.

5. Разработаны рекомендации по оптимальному размещению датчиков, обеспечивающему непрерывное автоматическое измерение расхода воздуха в вентиляционных каналах без снижения производительности ВУГП.

6. Доказано, что при автоматическом определении расхода воздуха в горных выработках на исходящих струях рудника, надежность и точность измерений выше при установке датчиков измерения скорости воздушного потока СДСВ-1.

Глава 4.

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ УТЕЧЕК ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ УСТЬЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТВОЛОВ.

На рудниках вентиляционный ствол используется для технических операций, т. е. это или скиповой, или клетевой, или скипо-клетевой вентиляционный ствол (табл. 1.2) [119]. Устьем ствола называется участок ствола от его выхода на поверхность до сопряжения с вентиляционным каналом [114]. Глубина устья устанавливается проектом.

Использование вентиляционного ствола для шахтного подъема обусловливает возникновение поверхностных утечек через его устье и надшахтное здание. Для уменьшения утечек применяют различные методы, краткий перечень которых приведен в разделе 1.4 настоящей диссертационной работы. Все методы снижения поверхностных утечек через устье вентиляционных стволов можно разделить на две группы. В первом случае, технические решения и мероприятия направлены на улучшение герметизации элементов конструкций надшахтных зданий, включая автоматическое сохранение уровня руды и породы в накопительном бункере. Во втором, — использование различных методов, направленных на повышение аэродинамического сопротивления устья ствола, т. е. участка между его выходом на поверхность и сопряжением с вентиляционным каналом. Это, в первую очередь, применение воздушной завесы и оптимизация структуры воздушного потока с помощью различных перегородок, сглаживающих экранов и покрытий стенок вентиляционного канала. Первая группа методов, которая применяется достаточно широко, как правило, связана с проведением часто выполняемых сравнительно дорогостоящих ремонтно-строительных работ внутри надшахтного здания. Вторая группа методов еще не получила широкого распространения. В настоящей главе представлено подробное описание строения вентиляционного ствола вблизи его устья, основные требования к элементам его конструкции, приведены результаты анализа характерных значений скоростей воздушных потоков в различных частях ствола и результаты исследования возможности использования на рудниках и в шахтах некоторых методов второй группы [39, 45].

4.1. Структура воздушных потоков в устье вентиляционного ствола.

Общая схема вентиляционного ствола вблизи устья с основными геометрическими параметрами, характеризующими его конфигурацию, приведена на рис. 4.1. вентиляционный канал.

Рис. 4.1. Схема вентиляционного ствола вблизи устья.

Вентиляционные стволы, как правило, имеют вертикальную выработку. Диаметры поперечного сечения ствола D в отечественной горнодобывающей промышленности принимают равными от 4 до 8 м и кратными 0,5 м. В угольной промышленности установлен унифицированный ряд сечений стволов с диаметрами 6, 7 и 8 м [96, 114, 115]. Ствол с.

93 прилегающим к нему вентиляционным каналом образуют так называемый тройник.

Вентиляционный канал представляет собой выработку, соединяющую всас или нагнетание ВУГП с вентиляционным стволом. Поскольку через канал проходит большое количество воздуха, то, несмотря на его малое аэродинамическое сопротивление, в нем теряется значительная часть давления, развиваемого вентилятором. По данным ВДС, проведенным на ряде рудников и шахт, потери давления в канале могут достигать 40% депрессии вентилятора [89]. В связи с этим при заданной производительности ВУГП к конструкции каналов предъявляются следующие требования: поперечный размер канала должен быть достаточно большой, чтобы скорость воздуха в канале не превышала 15 м/с (п. 115 ПБ 03−553−03 [33]) — площадь поперечного сечения канала должна быть оптимальной и соответствовать минимуму суммарных приведенных годовых затрат на его обслуживание [20, 95, 118]- площадь поперечного сечения канала, как правило, должна быть одинаковой по всей его длинесопряжение канала с вентиляционным стволом должно быть выполнено в виде наклонных проходов или поворотов с внутренней скошенной кромкойугол поворота из ствола в канал, а должен быть максимально возможным, но не более 70°, т.к. его величина оказывает на суммарные затраты по обслуживанию канала такое же влияние, как и площадь поперечного сечения.

Минимум суммарных затрат соответствует условию [20, 98]: 60°-70°.

Это обусловлено тем, что при уменьшении, а от 90 до а* длина канала увеличивается незначительно, а местное аэродинамическое сопротивление.

94 существенно снижается. При дальнейшем уменьшении угла, а длина канала возрастает, а сопротивление снижается незначительно.

В качестве примера на рис. 4.2 приведена схема устья вентиляционного ствола № 4 и значения его геометрических параметров для БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» [103].

При анализе структуры воздушных потоков в области устья скипово-вентиляционных стволов в каждом конкретном случае необходимо учитывать особенности конструкции устройств шахтного подъема. В скипово-вентиляционных стволах, как правило, используются парные 2-х скиповые подъемные установки, т. е. при загрузке одного скипа одновременно происходит разгрузка другого. На ряде рудников и шахт также используется клетевой подъем. Кроме того, возможно применение 2-х подъемных установок с двумя скипами. Монтаж элементов подъемных установок внутри вентиляционного ствола обусловливает необходимость его армировки, которая может быть жесткой или гибкой [87]. В отечественной горнодобывающей промышленности наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка с горизонтальными элементами (расстрелы балочного типа) и вертикальными металлическими или деревянными элементами (проводники), обеспечивающими плавное движение скипов и клетей. Общая доля такой армировки среди рудников и шахт составляет 75% [115]. В случае гибкой армировки в качестве проводников используются канаты. К армировке относят также лестничные отделения для аварийного выхода людей из ствола и опорные конструкции для труб и кабелей различного назначения. Шаг армировки, т. е. расстояние между ярусами армировки, зависит от типа проводников и может быть равен от 2 до 6 м. Схема армировки каждого ствола определяется типом и.

Обобщенная схема армировки ствола для 2-х скипового подъема изображена на рис. 4.3 а, а для парного 2-х скипового — на рис. 4.3 б. Таким образом, в скипово-вентиляционных стволах величина сечения в свету, определяемого размерами свободного пространства для перемещения скипов, может быть разной и зависит от варианта подъема и используемых подъемных сосудов. Статическое аэродинамическое сопротивление ствола, т. е. сопротивление при неподвижных скипах, в основном определяется сечением в свету, поскольку остальная часть сечения ствола заполнена лестничными отделениями и различными опорными конструкциями для трубопроводов и кабелей. Перемещение скипов в стволе оказывает поршневое воздействие на воздушный поток в стволе. В связи с этим для дальнейшего анализа их влияния на воздушный поток рассмотрим характер движения скипов, значения скоростей и периодичность их перемещения в стволе.

При проектировании скипового шахтного подъема в вентиляционном стволе исходя из производственной мощности рудника и с учетом требований грузоподъемности подъемных сосудов определяется 2-х или парный 2-х скиповый вариант подъема [114]. Далее, рассчитывается трехпериодная трапецеидальная диаграмма скорости и ускорений на основе исходных данных о пути подъема, планируемой продолжительности подъема, паузы между подъемными операциями [31]. Очевидно, что на различных рудниках эти данные могут существенно различаться. Согласно ПБ 03−553−03 [33], скорость движения скипов в вентиляционных стволах определяется проектом, т. е. ограничений нет. Как показывают оценки [31], для 2-х скипового подъема при глубине ствола 300 м, планируемой продолжительности подъемной операции 45 секунд и продолжительности разгрузочно-загрузочной операции 50 секунд максимальная скорость скипа должна быть не менее 7,5 м/с. По всей видимости, данный порядок скорости движения скипов, т. е. около 10 м/с, является характерным для большинства рудников и шахт с глубиной ствола до 500 м при периодичности их перемещения около 2−5 мин.

Оценим средние скорости воздушных потоков в устье вентиляционного ствола, обусловленные поверхностными утечками (рис. 4.1). Для этого воспользуемся данными о расходах воздуха по калийным рудникам из табл. 1.2. Для расчета используем геометрические параметры ствола № 3 БКПРУ-2 [7, 77, 86]. Результаты оценки величин скоростей согласно обозначениям на рис. 4.2 приведены в табл. 4.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержится решение научно-практической задачи регулирования величины поверхностных утечек воздуха при автоматическом непрерывном контроле их величины.

Основные теоретические положения, конкретные научные результаты, выводы и практические рекомендации сводятся к следующему:

1. Разработан метод автоматического непрерывного контроля величины поверхностных утечек воздуха через устье вентиляционных стволов, обеспечивающий эффективное оперативное управление поступлением необходимого количества воздуха в рудник.

2. Разработана методика проведения аэродинамических испытаний датчиков ROSEMOUNT 3095MFA на главной вентиляторной установке рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий».

3. Показано, что на калийных рудниках в качестве датчиков динамического давления целесообразно использовать датчики EMERSON ROSEMOUNT 3095MFA MASS PROBAR® FLOWMETER (ROSEMOUNT 3095MFA) с осредняющей трубкой Annubar.

4. Разработано техническое решение по применению воздушной завесы в устье вентиляционного ствола.

5. Экспериментально установлено, что при автоматическом непрерывном определении расхода воздуха в каналах вентиляторных установок главного проветривания, надежность и точность измерений выше при использовании датчиков динамического давления с осредняющей напорной трубкой.

6. Предложен алгоритм расчета величины поверхностных утечек воздуха через устье вентиляционного ствола.

7. С помощью математического моделирования определены аэродинамические характеристики встречной воздушной завесы, разделенной продольной перегородкой при ее размещении в устье вентиляционного ствола.

8. Разработаны техническое решение и эффективный метод управления поверхностными утечками воздуха через устье вентиляционных стволов при непрерывном автоматическом контроле их величины на основе использования встречной двухсторонней сопряженной воздушной завесы для оперативного регулирования аэродинамического сопротивления устья вентиляционного ствола.

9. Проведено исследование применения воздушной завесы при реверсивной работе ВУГП и показано, что вентиляторы воздушной завесы необходимо отключить, или направить струи воздушной завесы навстречу воздушному потоку утечек воздуха под углом 45°.