Вентиляторы могут работать на нагнетание или на всасывание, и должны обеспечивать необходимую подачу и обладать экономичностью и устойчивостью работы. Исходя из последних двух условий, на напорной характеристике вентиляторных установок выделяют рабочую зону.
Центробежные вентиляторные установки имеют напорную характеристику Ну.ст (рис. 11 а), для которой все режимы работы устойчивы. В этой связи рабочая зона 1--2 напорной характеристики вентилятора определяется только из уровня экономичности.
Напорная характеристикаосевых вентиляторов обычно седлообразная (рис. 11, б) и может в некоторых случаях иметь разрыв. Поэтому осевые вентиляторы в некотором диапазоне подач Q могут иметь неустойчивый режим работы.
При малых подачах Q, где напорная характеристика Ну ст имеет впадины и разрывы, рабочая зона ограничивается условием устойчивости (точка 1), а при больших Q -- условием экономичности (точка 2).
Рис. 11. Индивидуальные характеристики вентиляторных установок с центробежным (а) и осевым (б) вентиляторами
Режим работы осевых вентиляторов регулируется изменением углов установки лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов, у вентиляторов главного проветривания допускается снятием лопаток через одну на рабочем колесе второй ступени.
Центробежные вентиляторы регулируются изменением углов установки лопастей направляющих аппаратов и частоты вращения рабочего колеса, а также комбинацией этих способов.
Полное давление Н,развиваемое вентилятором, расходуется на преодоление сопротивлений в вентиляционной сети (статическое давление Нст) и на сообщение потоку на выходе из диффузора вентилятора в атмосферу некоторой скорости (динамическое -- скоростное давление Нд). Следовательно, статическое давление вентилятора меньше полного на величину динамического давления.
2. Способы и схемы проветривания шахт и рудников
В зависимости от того, каким образом обеспечивается необходимый перепад давлений воздуха на пути его движения по шахтной вентиляционной сети, различают нагнетательный, всасывающий и комбинированный способы проветривания.
Нагнетательный способ проветривания состоит в том, что перепад давлений в шахте создается путем повышения давления воздуха вентилятором в воздухоподающем стволе (рис. 12).
Рис. 12. Нагнетательный способ проветривания
В воздухоподающем стволе (устье) давление Р1 выше атмосферного, а в воздуховыдающем стволе Р0, оно остается равным атмосферному. Таким образом, в выработках шахты создается перепад давления представляющий собой депрессию шахты, которая определяется по формуле h = P1 - P0
Достоинства нагнетательного способа: - применение одной вентиляционной установки; - надежность подачи электроэнергии на один вентилятор; - через вентиляционную установку проходит чистый воздух; - отсутствие подсосов воздуха через обрушенные породы.
Недостатки нагнетательного способа: - необходимость устройства герметичного надшахтного здания у воздухоподающего ствола; - необходимость установки мощного главного вентилятора с большим диапазоном регулирования расхода воздуха и депрессии; - возможность загазования выработок и возникновения взрывоопасной среды при аварийной остановке вентилятора в газовых шахтах.
Всасывающий способ проветривания основан на том, что необходимый для движения воздуха перепад давления создается путем разрежения воздуха вентилятором в устье ствола, выдающего воздух (рис. 13).
Рис. 13. Всасывающий способ проветривания
За счет механической работы вентилятора давление воздуха в устье ствола уменьшается до значения Р2, меньшего нормального атмосферного давления. В этом случае депрессия шахты определяется по формуле h = P0 - P2
Достоинства всасывающего способа: - так как давление воздуха в любой точке горных выработок ниже нормального барометрического, то в случае остановки вентилятора воздух с дневной поверхности будет поступать в горные выработки под действием разности между атмосферным давлением и давлением воздуха в шахте, что особенно важно для газовых шахт, так как в таких случаях давление в выработках будет повышаться, вызывая замедление процесса загазирования выработок; - возможность применять как одну центральную вентиляционную установку, так и несколько их, которые устанавливаются на флангах шахтного поля; легче осуществляется регулирование распределения воздуха в выработках и реверсирование струи.
Недостатки всасывающего способа: - подсосы воздуха с поверхности через зоны обрушения, трещины и провалы, что вызывает загрязнение воздуха в очистных забоях и снижение интенсивности вентиляции; - необходимость систематически осматривать и очищать канал вентилятора от рудничной пыли; - необходимость систематически контролировать содержание метана в общей исходящей струе, так как вероятность взрыва метана при проходе воздушной струи через вентиляционную установку возрастает. - на пластах, опасных по самовозгоранию, может явиться причиной возникновения пожаров, в связи с чем всасывающий способ проветривания применяется при разработке угольных пластов, не склонных к самовозгоранию (на глубине >200 м) и не имеющих аэродинамической связи с поверхностью через зоны обрушения, провалы, трещины и др.
Комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способ вентиляции заключается в том, что в одной части выработок шахты нагнетательным вентилятором создается избыточное давление воздуха, а в другой части всасывающим вентилятором - разрежение (рис. 14)
Рис. 14. Нагнетательно-всасывающий способ проветривания
Достоинства комбинированного способа: - уменьшение аэродинамической связи с поверхностью, в связи с уменьшением разности давлений между выработками шахты и дневной поверхностью; - распределение общешахтной депрессии на два вентилятора.
Недостатки комбинированного способа: - наличие нескольких вентиляционных установок; - трудность управления вентиляцией. Способ применяется на шахтах при значительной протяженности горных выработок и разработке самовозгорающихся углей и руд.
2.1 Схемы проветривания шахт
Под схемой проветривания шахты понимают определенный порядок расположения горных выработок, служащих для подачи свежей и отвода отработанной струи воздуха.
В зависимости от взаимного расположения выработок различают следующие схемы проветривания шахт:
1. Центральные схемы проветривания, которые могут быть:
- с центральным расположением стволов;
- с центрально отнесенным расположением стволов.
2. Диагональные или фланговые схемы проветривания, которые подразделяются на:
фланговую крыльевую - когда при восходящем проветривании очистных забоев целое крыло шахты имеет дону общую выработку для выдачи исходящей струи на поверхность;
фланговую групповую - когда одна выработка для исходящей струи используется не для всего крыла, а только для группы участков данного крыла;
фланговую участковую - когда каждый участок имеет свою выработку для выдачи исходящей струи на поверхность.
3. Комбинированные схемы проветривания - имеющие элементы центральных и фланговых схем.
Выбор схемы проветривания должен производиться с учетом требований Правил безопасности. В частности: - запрещается подача воздуха в шахту по скиповым и наклонным стволам, оборудованным конвейерами; - не разрешается выдача воздуха через обрушенные зоны и завалы; - должны соблюдаться допустимые минимальные и максимальные скорости движения воздуха в выработках;
В зависимости от числа и взаимного расположения выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух, различают центральные, фланговые и комбинированные схемы вентиляции.
2.2 Центральные схемы проветривания шахт их преимущества и недостатки
Центральные схемы характеризуются параллельным, но противоположно направленным движением свежей и исходящей струй по откаточному и вентиляционному горизонту. Для ее осуществления необходимо наличие только двух стволов, в качестве которых обычно используют клетьевой ствол для подачи свежей струи, а скиповой для выдачи исходящей (рис. 15). При центрально отнесенной схеме проветривания, как правило, используются три ствола. Два из них (скиповой и клетьевой) расположены в центре шахтного поля, а третий вентиляционный отнесен по центру шахтного поля и расположен на выходе пластов под наносы (рис. 16).
Рис. 15. Центральная схема проветривания
Рис. 16. Центрально-отнесенная схема проветривания
В этом случае вентилятор, установленный на скиповом стволе, используется для проветривания выработок околоствольного двора, а вентилятор на вентиляционном стволе для проветривания горных работ.
Преимущества центральной схемы:
1. Незначительные капитальные первоначальные затраты, так как не проводятся дополнительные вентиляционные стволы;
2. Быстрый ввод шахты в эксплуатацию;
3. Простота обслуживания вентиляторной установкой и управления вентиляцией шахты;
4. Простота реверсирования вентиляционной струи;
5. Концентрация поверхностных сооружений.
Недостатки центральной схемы:
1. Большие утечки воздуха с откаточного горизонта на вентиляционный и большие подсосы воздуха с поверхности в связи с тем, что трудно осуществить надежную герметизацию устья скипового ствола.
2. Неравномерная депрессия шахты, очень низкая при ведении горных работ у околоствольного двора и очень высокая при ведении горных работ у границ шахтного поля;
3. Большие затраты на поддержание выработок вентиляционного горизонта;
4. Снижается безопасность работ в связи с малым количеством запасных выходов на поверхность.
Фланговые (диагональные) схемы проветривания применяются при вскрытии шахтного поля в центре и на границах. В центре шахтного поля располагаются один или два ствола (как правило, воздухоподающие), а на границах шахтного поля - фланговые стволы (как правило, воздухоотводящие). Воздух по всей длине крыла движется в одном направлении, т. е. фланговые схемы вентиляции являются прямоточными. Схема применяется при разработке верхних горизонтов, т. е. при незначительной глубине горных работ.
Достоинства фланговых схем проветривания: - отсутствие утечек воздуха при его движении от воздухоподающего ствола до очистного забоя; - уменьшение общешахтной депрессии за счет сокращения пути движения воздуха; - равномерное распределение депрессии вентилятор главного проветривания на весь период отработки шахтного поля; - отсутствие необходимости поддержания выработок вентиляционного горизонта в течение всего периода отработки шахтного поля.
Недостатки фланговых схем: - большие капитальные затраты связанные с необходимостью проведения выработок основного горизонта перед началом очистных работ до границ шахтного поля; - увеличение потерь полезного ископаемого в охранных околоствольных целиках; - наличие большого числа вентиляционных установок усложняющих управление вентиляторами, их электроснабжение и обслуживание; - трудности реверсирования струй при аварийных режимах.
Комбинированные схемы проветривания шахт построены на сочетании в себе элементов центральных и фланговых схем с целью использования их преимуществ. В этих схемах в качестве воздухоподающего используется центральный ствол, а в качестве воздухоотводящих - центральные и фланговые стволы. В этих схемах в качестве воздухоподающего используется центральный ствол, а в качестве воздухоотводящих - центральные и фланговые стволы. При использовании таких схем часть выработок (особенно выработки, удаленные от воздухоподающего ствола участков) проветривается по прямоточным схемам, а другая часть - по возвратноточным. Если по условиям проветривания шахтное поле целесообразно разделить на ряд участков (секций), то применяется комбинированная секционная схема проветривания. В этом случае в центре шахтного поля проходятся воздухоподающие и воздухоотводящие стволы, а на флангах для отвода воздуха - шурфы.
Секционная схема применяется на крупных шахтах и рудниках, где для подачи и отвода воздуха используются до 10 шахтных стволов.
Достоинства комбинированных схем проветривания: - при значительном числе выработок и больших размерах шахтного поля депрессия вентиляционных установок остается относительно невысокой; - повышается надежность проветривания отдельных участков; - упрощается регулирование распределения воздуха на участках; - повышается безопасность работ благодаря увеличению числа выходов из шахты на поверхность.
Недостатки комбинированных схем: - сложность вентиляционной сети; - трудность управления работой вентиляторов и регулирования распределения воздуха по шахте в целом; - большие капитальные затраты.
2.3 Диагональные схемы проветривания
Диагональные схемы характеризуются прямоточным движением воздуха от воздухопадающего ствола к вентиляционному стволу (рис. 17).
Достоинства диагональной схемы:
1. Невысокая и постоянная депрессия шахты;
2. Более низкие по сравнению с центральной схемой утечки воздуха;
3. Возможность погашения выработок вентиляционного горизонта, а следовательно незначительные затраты на их поддержание;