Введение к работе
Актуальность проблемы. Применение передовой техники и технологии ведения горных работ, развитие очистных и подготовительных работ, увеличение размеров шахтных полей приводит к увеличению эквивалентного отверстия вентиляционных сетей. Возникают отдельные выработки и целые участки вентиляционных сетей, куда подать свежий воздух в необходимом количестве существующими методами и средствами проветривания не представляется возможным. Именно в таких труднопроветриваемых зонах возникают нештатные ситуации, приводящие к взрывам и вспышкам. Так, в период 1969-1992 гг. на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей произошло 14 несчастных случаев, причем 8 из них групповых. Кроме того, бывают случаи резкого нарушения вентиляционной сети рудника - землетрясение 5 января 1995 года с массовым обрушением пород кровли в северо-восточной части шахтного поля рудника СКРУ-2 АО "Сильвинит" с выделением из разрушенных пород газов метано-водородной смеси, углекислого газа, угарного газа и других газов общим объемом до 900 000 м3, что сопровождалось взрывами, опрокидыванием вентиляционной струи по всем направлениям, разрушением вентиляционных сооружений ударной волной и загазованием выработок на общей площади 2 300 000 м2 по трем отрабатываемым пластам (Кр-2, АБ, Вс). Это меняет эквивалентное отверстие как участков, так и всей вентиляционной сети, что ведет к неуправляемости проветриванием существующими методами и средствами.
Безопасная и эффективная эксплуатация подземных рудников с большим эквивалентным отверстием возможна при создании в них необходимых санитарно-гигиенических норм, предусматривающих предотвращение необратимых физиологических сдвигов в организме людей, а также технологических требований как предотвращающих возникновение аварийных ситуаций, угрожающих здоровью и жизни людей, так и направленных на создание рационального производственного режима по добыче полезного ископаемого.
->
Проветривание калийных рудников связано с рядом особенностей:
пласты и вмещающие породы содержат в микровключенном и свободном виде природные газы, в состав которых входят метан, тяжелые углеводороды, водород, сероводород и др. Наряду с обычными газовыделениями, не оказывающими существенного влияния на ведение горных работ, имеют место необычные выделения газов, в том числе и внезапные. Опасные скопления газов, приводящие к возникновению аварийных ситуаций, возможны только в выработках рабочих зон газоносных пластов при отсутствии или нарушении режима их проветривания;
отработка нескольких смежных пластов или горизонтов, наличие тупиковых и сквозных камер большого объема, значительная разветвлен ность вентиляционной сети, многообразие схем проветривания рабочих блоков и панелей приводит к необходимости широкого использования вентиляторов местного проветривания;
потребность в подаче в рудник огромного количества воздуха - до 500 мЗ/с, большие внешние утечки воздуха, что обуславливает применение самых мощных вентиляторов главного проветривания, которые, как правило, располагают на поверхности;
работа машин с двигателями внутреннего сгорания создает предпосылки дополнительной загазованности рудничной атмосферы;
- продуктивные пласты и вмещающие породы высоко
гигроскопичны и растворимы. Эти свойства в условиях переменной
влажности рудничного воздуха, вызванного сезонными колебаниями
температуры и влагосодержания, заметно влияют на санитарно-
гигиенические условия труда и состояние проветривания. При
взаимодействии влаги воздуха и солей происходит разрушение
вентиляционных сооружений, что приводит к большим утечкам
воздуха и затрудняет борьбу с ними;
- внедрение погрузочно-доставочных комплексов, проходческих
и буровых машин, конвейерного транспорта увеличило запыленность
рудничной атмосферы, особенно при проходке тупиковых горных
выработок. Некоторое отставание в решений этой проблемы связано
с имевшей долгое время распространение теорией безвредности
калийных пылей.
Исследованию различных аспектов проблемы проветривания калийных рудников посвящены работы Медведева И.И., Красноштейна А.Е., Поляниной Г.Д., Мохирева Н.Н., Файнбурга Г.З., Сметанина М.М. и др. Первые методы расчета количества воздуха и аэродинамического сопротивления горных выработок предложены Комаровым В.Б., Мустелем П.И., Ворониным В.Н.
Анализ публикаций показал, что в настоящее время пути и способы нормализации проветривания подземных рудников с большим эквивалентным отверстием изучены недостаточно, а рациональные методы и средства их проветривания не разработаны.
Поэтому обеспечение безопасных условий труда при эксплуатации подземных рудников с большим эквивалентным отверстием путем совершенствования существующих и разработки принципиально новых методов, технических решений и средств вентиляции и управления проветриванием в сильноразветвленных сетях горных выработок большого сечения, имеющих труднопроветриваемые зоны, является актуальной проблемой.
Целью работы является разработка методов и средств повышения уровня охраны труда на основе безопасной, надежной и эффективной вентиляции подземных рудников с большим эквивалентным отверстием.
Основная идея работы заключается в разработке комплекса взаимосвязанных высокоэффективных методов и средств безопасного, надежного проветривания и управления проветриванием на основе изучения особенностей вентиляционных сетей с большим эквивалентным отверстием.
Задачи исследований:
- решить теоретически, исследовать на моделях и в натурных
условиях комплекс вопросов, связанных с сокращением внешних
утечек воздуха через надшахтное здание и вентиляционные каналы,
определяющих повышение безопасности проветривания подземных
рудников;"
- разработать методику долгосрочного прогнозирования
режимов работы главных вентиляторов, обеспечивающую выбор
рационального вентилятора главного проветривания для безопасной
и надежной вентиляции подземных рудников с большим
эквивалентным отверстием;
установить критерии надежности подсистемы "вентиляционная сеть" при изменении утечек воздуха в поверхностном комплексе вентиляционного ствола и разработать методы и средства поддержания их на нормативном уровне;
исследовать природу возникновения осевого усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания, определяющего надежность работы вентилятора главного проветривания, разработать способы и средства устранения этого явления;
- разработать методику исследования компоновки, построить
алгоритм проектирования и обосновать схемы подключения к
вентиляционным сетям подземных вспомогательных вентиляторных
установок главного проветривания, обеспечивающих повышение
уровня охраны труда для тяжелых условий подземных рудников;
- исследовать и разработать аэродинамическую схему и
предложить метод выбора оптимальных геометрических параметров
передвижной подземной вентиляторной установки для соблюдения
санитарно-гигиенических норм в труднопроветриваемых зонах
подземных рудников с большим эквивалентным отверстием;
- обосновать и исследовать источник тяги эжекторного типа,
обеспечивающий активную безопасную вентиляцию тупиковых
горных выработок.
Основные защищаемые научные положения.
1. Безопасность условий труда на подземных работах зависит
от надежности системы "вентилятор-сеть" и определяется
повышением надежности работы главного вентилятора,
установлением закономерностей аэродинамических процессов,
происходящих в поверхностном комплексе вентиляционного ствола,
и созданием комплекса способов и средств, сокращающих внешние
утечки воздуха.
2. Надежность и безопасность вентиляции подземных
рудников с большим эквивалентным отверстием определяется
разработкой метода выбора вентилятора главного проветривания и
заключается в долгосрочном вероятностном расчете прогнозных
аэродинамических параметров работы вентилятора, выражая
процесс изменений вентиляционных параметров как нестационарный случайный процесс.
3. Повышение уровня охраны труда для тяжелых условий
подземных рудников реализуется через разработку алгоритма
проектирования подземных вспомогательных вентиляторных
установок главного проветривания, основанного на детальном
анализе аэродинамических схем вентиляторных установок с учетом
горно-геологических условий места их расположения, специфических
технологических факторов и схем подключения к вентиляционным
сетям.
4. Безопасность и эффективность вентиляции
труднопроветриваемых зон подземных рудников с большим
эквивалентным отверстием зависит от достижения стабильных
аэродинамических характеристик для аэродинамических схем
вентиляторных эжекторных установок, вытекающих из взаимосвязи
оптимальных конструктивных и технических параметров.
5. Безопасность и надежность проветривания тупиковых
горных выработок зависит от интенсивности воздухообмена в
призабойном пространстве (где происходит массовое выделение
вредностей - газов и пыли), определяющие разработку конструкции,
аэродинамику и схемы размещения забойных установок активного
проветривания на призабойном оборудовании, их аэродинамические
показатели, обеспечивающие надежный отброс вредностей из
призабойного пространства по тупиковой горной выработке на
исходящую струю.
Научная новизна исследований:
теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены закономерности долгосрочного вероятностного прогнозирования аэродинамических параметров работы вентиляторов главного проветривания применительно к вентиляционным сетям с большим эквивалентным отверстием, заключающиеся в выражении процесса изменения вентиляционных параметров как нестационарный случайный процесс;
установлены на основе аналитических и экспериментальных исследований количественные и качественные зависимости
интенсивности аэродинамических процессов в поверхностном комплексе вентиляционного ствола и в подземных вентиляторных установках от основных конструктивных, геометрических и аэродинамических параметров устройств нового типа: устройство уравнивания осевого усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания, уплотнения ляд с изменяющейся шириной герметизирующей поверхности, средства сокращения внешних утечек воздуха через устье вентиляционного ствола, подземная вспомогательная вентиляторная установка главного проветривания, передвижная подземная вентиляторная установка, забойная установка активного проветривания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются: удовлетворительной сходимостью результатов моделирования, лабораторных и аналитических исследований процессов вентиляции с данными опытно-промышленных испытаний технических средств нормализации вентиляции подземных рудников с большим эквивалентным отверстием, имеющих труднопроветриваемые зоны; результатами внедрения предложенных методических и научно-технических разработок на рудниках АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", ПО "Беларуськалий".
Методы исследований включают математический анализ, математическое и физическое моделирование, модельные и натурные эксперименты с использованием как известных, так и разработанных автором методик, опытно-конструкторские разработки, базирующиеся на результатах анализа и обобщения патентной информации, а также собственных исследований.
Теоретическая часть исследований основана на математическом моделировании аэродинамических процессов с экспериментальной проверкой расчетных данных методом физического моделирования на макетах способа уравнивания осевого усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания, уплотнения ляды с изменяющейся шириной герметизирующей поверхности, способа сокращения внешних утечек воздуха через устье вентиляционного ствола (надшахтное здание), передвижной подземной вентиляторной установки, имитирующих при соблюдении соответствующих критериев подобия стадии процесса
проветривания подземных рудников с большим эквивалентным отверстием.
Опытно-конструкторские работы направлены на разработку и изготовление, с последующей опытно-промышленной проверкой, способа и средств устранения осевого усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания, способа и средств сокращения внешних утечек воздуха через устье вентиляционного ствола, устройства для сокращения утечек воздуха через уплотнения ляд вентиляционных каналов вентиляторных установок главного проветривания, подземной вспомогательной вентиляторной установки главного проветривания, передвижной подземной вентиляторной установки, забойной установки активного проветривания тупиковых горных выработок и других технических средств, для улучшения, по фактору вентиляции, условий труда рабочих подземных рудников с большим эквивалентным отверстием.
Производственные испытания и дальнейшее использование разработанных технических средств, производились на калийных рудниках Верхнекамского и Старобинского месторождений
Практическая ценность результатов исследований заключается в следующем:
разработан комплекс способов и малоэнергоемких технических средств распределения воздуха по рабочим местам в вентиляционных сетях подземных рудников с большим эквивалентным отверстием, имеющих труднопроветриваемые зоны, позволяющий улучшить санитарно-гигиенические условия труда;
разработана методика долгосрочного прогнозирования режимов работы вентиляторов главного проветривания, включающая комплекс методов определения оптимальных режимов работы на срок их эксплуатации и выбор наиболее рационального главного вентилятора, способного обеспечить рабочие зоны необходимым количеством свежего воздуха для обеспечения безопасных и комфортных условий труда;
разработаны алгоритмы исследования компоновок и проектирования подземных вспомогательных вентиляторных установок главного проветривания, позволяющие обеспечить эффективный синтез элементов таких установок для тяжелых условий подземных рудников и надежно распределить воздух в
сильноразветвленных выработках большого сечения по крыльям шахтного поля или горизонтам;
- разработаны аэродинамическая схема и конструкция
передвижной подземной вентиляторной установки, позволяющие
нормализовать вентиляцию труднопроветриваемых зон подземных
рудников с большим эквивалентным отверстием и повысить уровень
охраны труда;
- разработана конструкция забойной установки активного про
ветривания, обеспечивающая надежный отброс вредностей из
призабойного пространства по тупиковой горной выработке на
исходящую струю и снижающая запыленность рабочих мест.
Диссертационная работа является обобщением НИР, выполненных в период 1982-1997 гг. непосредственно автором или при его научном руководстве. Исследования проводились в Пермском государственном техническом университете и Горном институте Уральского отделения Российской Академии Наук в соответствии с планами: общеакадемической проблемы 12.9 "Разработка месторождений и обогащение полезных ископаемых", раздел 12.9.1.7.6. "Создание вентиляторных установок нового технического уровня", раздел "Оптимизация режимов проветривания, систем контроля и управления состоянием атмосферы и нормализация тепловых условий в горных выработках"; проблемы 3.2.1 "Добыча твердых полезных ископаемых", темы "Достижение наиболее безопасной и экономичной разработки полезных ископаемых" и "Теоретические основы создания вентиляторных установок для подземных условий", а также отраслевыми научно-исследовательскими программами Союза производителей и экспортеров калия и соли (N гос. per. 01910000511, 01880049971, 01860062159, 01860062169, 01860062171).
Реализация работы. Основные положения и рекомендации, разработанные по результатам проведенных исследований, использовались проектными подразделениями отраслевых институтов ВНИИГ (Санкт-Петербург), ОАО "Галургия" (Пермь), а так же ГИ УрО РАН (Пермь), ИЭЦ ВКФ ПНЦ УрО РАН (Березники), АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", ПО "Беларуськалий".
Внедрение разработанных технических средств на уровне промышленных образцов осуществлено при непосредственном
участии автора на калийных рудниках Верхнекамского и Старобинского месторождений в 1984-97 гг. По внедренным результатам получен социальный и экономический эффект около 3,7 миллиона рублей.
Реализация способа и средств исключения осевого усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания осуществлена на рудниках СгКРУ-4 ПО "Беларуськалий", БКРУ-1 и БКРУ-4 АО "Уралкалий" и принята к внедрению на других вентиляторных установках главного проветривания калийных рудников.
Снижение внешних утечек воздуха разработанными способами и средствами реализовано по проектам на рудниках СгКРУ-1, СгКРУ-2, СгКРУ-3, СгКРУ-4 ПО "Беларуськалий", БКРУ-1, БКРУ-2, БКРУ-4 АО "Уралкалий" и СКРУ-1, СКРУ-3 АО "Сильвинит".
Разработанные компоновочные схемы подземных вспомогательных вентиляторных установок главного проветривания использованы при проектировании ОАО "Галургия" северной подземной вентиляторной установки рудника БКРУ-2 АО "Уралкалий".
Передвижные подземные вентиляторные установки для вентиляции разрешены Госгортехнадзором России для промышленной эксплуатации на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей и, в частности, применяются на рудниках БКРУ-1 (6 шт), БКРУ-2 (1 шт), БКРУ-4 (4 шт) АО "Уралкалий, СКРУ-1 (2 шт), СКРУ-2 (4 шт) АО "Сильвинит" и СгКРУ-1 (1 шт) ПО "Беларуськалий".
Способ и средства активной вентиляции тупиковых горных выработок проходят широкомасштабные опытно-промышленные испытания на всех калийных рудниках Верхнекамского месторождения и двух рудниках ПО "Беларуськалий" как на солевом горизонте, так и на пластах, отнесенных к 1, 2, 3 группам опасности по газам и газодинамическим явлениям.
На основании проведенных исследований разработаны и применяются следующие нормативно-технические документы:
- Методика проведения экспериментальных исследований по вентиляции труднопроветриваемых рабочих зон (ТПРЗ) рудников Верхнекамского месторождения калийных солей / Утверждена АО
"Уралкалий, АО "Сильвинит" и согласована Госгортехнадзором РФ 01.10.93. - Пермь, 1993. - С. 13;
Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания Верхнекамских калийных рудников / Утверждена Союзом производителей калия и согласована Госгортехнадзором РФ 18.02.94,- Пермь, 1994. - С. 25;
Руководство по вентиляции труднопроветриваемых зон (ТПЗ) рудников Верхнекамского месторождения калийных солей / Утверждено Союзом производителей калия и согласовано Госгортехнадзором РФ 29.04.95. М., 1995. - С. 12;
Передвижная подземная вентиляторная установка (ППВУ) с вентиляторами типа ВМ-4, ВМ-5, ВМЭ-6, ВМЭ-8, ВМЭ-12, В-2М (Техническое описание и руководство по эксплуатации)/Утверждено АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", Горным институтом УрО РАН и согласовано Госгортехнадзором РФ 29.04.95. - М., 1995. - С. 26;
Подземная вспомогательная вентиляторная установка (ПВВУ) с вентиляторами типа ВМ-4, ВМ-5, ВМЭ-6, ВМЭ-8, ВМЭ-12 (Техническое описание и руководство по эксплуатации)/Утверждено АО "Уралкалий", АО "Сильвинит", Горным институтом УрО РАН и согласовано Госгортехнадзором РФ 29.04.95. - М., 1995. - С. 28;
- Программа испытаний совместной работы разнотипных
источников тяги (ВУГП, ПВУ, ПВВУ) в вентиляционной сети рудника
БКРУ-2'АО""Уралкалий"./Утверждена Горным институтом УрО РАН,
АО ."Уралкалий" и согласована Западно-Уральским округом
Госгортехнадзора РФ. - Березники, 1995. -С. 5;
- Забойная установка активного проветривания (ЗУАП) с вентиляторами типа В-2М, ВМЭ-5, ВМЭ-6 (Техническое описание и руководство по эксплуатации). / Утверждена Горным институтом УрО РАН, АО "Уралкалий", АО "Сильвинит. - Пермь, 1996. -С. 44
- Методическое руководство по ведению горных работ на
рудниках Верхнекамского калийного месторождения (монография). -
М.: Недра, 1992. - С. 470 (глава 8 - раздел 8.3.4).
Под руководством и при непосредственном участии автора проведено внедрение разработанных научно-методических материалов в учебный процесс обучения слушателей центра повышения квалификации, а также студентов горных специальностей
Березниковского филиала Пермского государственного технического университета.
Личный вклад автора:
- основная идея работы, постановка задач исследований и
разработка методологии их решения, научно-методическое
руководство исследованиями, результаты которых приведены в
диссертационной работе;
разработка теоретических положений исследования факторов, определяющих критерии надежности подсистемы "вентиляционная сеть" (блок "поверхностный комплекс вентиляционного ствола");
- разработка методик исследований, физических моделей,
натурных экспериментов и участие в проведении экспериментальных
работ по выявлению закономерностей аэродинамических процессов,
происходящих в поверхностных комплексах вентиляционных
стволов;
обоснование и разработка методики долгосрочного прогнозирования режимов работы вентиляторов главного проветривания;
обоснование и разработка алгоритмов исследования компоновки и проектирования подземных вспомогательных вентиляторных установок главного проветривания;
- обоснование, разработка и внедрение новых прогрессивных
решений, способов и средств нормализации вентиляции подземных
рудников с большим эквивалентным отверстием, имеющих
труднопроветриваемые зоны (устройство уравнивания осевого
усилия в центробежных вентиляторах двустороннего всасывания,
уплотнения ляд с изменяющейся шириной герметизирующей
поверхности, средства сокращения внешних утечек воздуха через
устье вентиляционного ствола, подземная вспомогательная
вентиляторная установка главного проветривания, передвижная
подземная вентиляторная установка, забойная установка активного
проветривания).
Апробация работы. Отдельные положения диссертации докладывались автором на совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях, в том числе:
- научно-техническая конференция "Совершенство добычи и
переработки калийных солей", Солигорск, 1988 и 1990;
- научно-техническая конференция по вопросам развития
стационарных установок шахт, Донецк: 1988;
научные чтения, посвященные 100-летию со дня рождения В.Б.Комарова, Ленинград, 1990;
на кафедрах: рудничных стационарных установок ЛГИ, 1982; горной механики ППИ, 1986, 1989, 1992; охраны труда и рудничной вентиляции ППИ, 1987, 1989; горной механики МГИ, 1989; горной техники и технологии БФ ППИ, 1987, 1989;
- научно-техническая конференция "Комплексное освоение
недр и охрана окружающей среды", Пермь, 1987;
научный семинар по проветриванию рудников, Кунгур, 1989;
международный симпозиум "Проблемы безопасности в зонах градопромышленных агломераций", М.-Пермь, 1995;
международная конференция "Горные науки на рубеже ХХ1 века", М.-Пермь, 1997;
- технические совещания и советы АО "Уралкалий", АО
"Сильвинит", ПО "Беларуськалий", 1984-97 гг.
В полном объеме диссертация докладывалась и обсуждалась на расширенных заседаниях УС Горного института УрО РАН в1997 году и кафедры экологии, аэрологии и охраны труда СПГГИ в 1998 году.
Публикации. Основное содержание проблемы, которой посвящена диссертация, опубликовано автором в 73 работах, в том числе, монографии, 13 авторских свидетельствах и патентах, подтверждающих новизну решений (43 из них приведены в списке в конце автореферата).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений; изложена на 334 страницах машинописного текста и содержит 75 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 300 наименований и 7 приложений.
