ОБОСНОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ РАБОЧИХ ЗОН НЕСКОЛЬКИХ ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТОК

Аннотация

В условиях возрастания объема добычи полезных ископаемых горнодобывающи- ми предприятиями увеличиваются глубина отработки и площадь шахтных полей. Вен- тиляционные сети рудников становятся более протяженными и разветвленными, ус- ложняется доставка воздуха в удаленные рабочие зоны. Согласно современным правилам безопасности, вентиляция шахт на рудных месторождениях должна быть организована таким образом, чтобы рабочие зоны проветривались обособленно, т.е. чтобы последовательное проветривание было исключено. 157. …Вентиляция шахты должна быть организована так, чтобы пласты, горизон- ты, панели, блоки и камеры проветривались обособленно за счет общешахтной депрес- сии или вентиляторными установками, допущенными для этих целей [1]. 245. Запрещается на шахтах последовательное проветривание рабочих мест (уча- стков, блоков, камер, забоев) [1]. В действительности же опасность представляет не последовательное проветрива- ние само по себе, а превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) ядовитых газов в воздухе, поэтому если в случае последовательного проветривания нескольких рабочих зон в воздушной струе не происходит накопление концентрации ядовитых га- зов выше ПДК, то последовательное проветривание является безопасным и экономиче- ски эффективным. 291 ----------------------- Page 292----------------------- Для обоснования последовательного проветривания необходимо рассмотреть операции технологического цикла в тупиковой выработке, во время которых про- исходит максимальный выброс ядовитых газов в рудничную атмосферу. Это глав- ным образом взрывание взрывчатых веществ (ВВ) и операции, связанные с рабо- той техники с двигателями внутреннего сгорания (ДВС): отгрузка взорванной по- роды погрузочно-доставочными машинами и работа кровлеоборочной техники. На калийных рудниках дополнительно возникает проблема обеспыливания атмосферы рабочих зон добычных комбайновых комплексов в тупиковых выработках, где концентрация витающей пыли в зоне работы машиниста комбайна может дости- 3 3 гать 500-1500 мг/м воздуха при ПДК 5 мг/м . В работе [2] представлены результа- ты численного трехмерного моделирования динамики и распределения пылевоз- душной смеси при работе комбайна с барабанным исполнительным органом в ту- пиковых выработках калийных рудников, и рекомендован всасывающий способ местного проветривания (вентиляции), обеспечивающий безопасность работы пер- сонала с использованием средств индивидуальной защиты от пыли - фильтрующих респираторов. Классическая схема проветривания тупиковых выработок после взрыва ВВ следующая: свежий воздух нагнетается с помощью вентиляторов местного провет- ривания (ВМП) через вентиляционные трубопроводы обособленными струями к забою каждой тупиковой выработки (рис. 1). Следует отметить, что после взрыва образуется зона отброса газов, или зона смешения, с некоторой начальной концен- трацией ядовитых газов, внутри которой происходит турбулентное перемешивание газо-воздушной смеси и постепенный вынос вредных примесей из тупиковых вы- работок. Рис. 1. Схема обособленного проветривания двух тупиковых выработок после взрыва ВВ Для определения динамики концентрации вредных примесей в зоне смешения В.Н. Ворониным предложена [3] и с различными модификациями до настоящего вре- мени используется [4,5,6] простая балансовая модель, использующая понятие «коэф- фициент турбулентной диффузии струи» КТ, не совпадающее с общепринятым коэф- фициентом диффузии. Параметр КТ определяется как отношение средней концентрации примеси в сечении ядра постоянной массы струи к концентрации на границе струи . Для частично загазированных струй был определен соответствующий КТ модифициро- ванный коэффициент КТ1: 292 ----------------------- Page 293----------------------- С 0 K =K + -K T1 T (1 T ) , С ср где C0 - концентрация примеси на оси струи в начальном ее сечении. Для расчетов параметра КТ в зависимости от диаметра трубопровода и его уда- ленности от забоя предложены специальные таблицы [2], но на практике распростране- но использование эмпирических значений [5,7], лежащих в интервале от 0,2 до 1,0. Принимается, что ск близко к средней по зоне смешения концентрации с [8]. Уравнение баланса массы вредной примеси в зоне смешения после взрыва и на- чальное условие имеют следующий вид: dC (t ) QВМП +KT C (t ) =0, dt 1 V ЗОГ A b C (0) =C0 = , V ЗОГ 3 где QВМП - производительность вентилятора местного проветривания, м /с; VЗОГ - объем зоны отброса газов, м3; А - расход ВВ на одно взрывание, кг; b - газовость ВВ, или объем газов, образующихся после взрыва 1 кг ВВ, л/кг. Решение уравнения имеет экспоненциальный вид: K Q T 1 ВМП - t V C (t ) =C0 e ЗОГ . Концентрация газов на выходе из зоны смешения К C(t). Т1 Для верификации модели было проведено сопоставление модельных данных с ре- зультатами, полученными в ходе эксперимента по дегазации тупиковой выработки по- сле взрыва ВВ, при этом коэффициент турбулентной диффузии КТ = 0,6 был подобран таким образом, чтобы экспериментальные точки легли максимально близко к модель- ной кривой (рис. 2) [9]. Из графика видно, что модель достаточно хорошо описывает явление. Рис. 2. Сопоставление модельных и экспериментальных данных 293 ----------------------- Page 294----------------------- Для рудников ПАО «ГМК «Норильский никель» были приняты следующие па- раметры: расход ВВ на одно взрывание А = 160 кг; газовость b = 22 л/кг; сечение ту- пиковой выработки S = 20 м2; длина зоны отброса газов согласно приближенной формуле А.И. Ксенофонтовой [10] L = 15+А/5 = 47 м; К = 0,2 (соответствует ЗОГ Т 3 наихудшему перемешиванию в зоне отброса газов); QВМП = 23,1 м /с; длина тупико- вой выработки 500 м. Первым этапом было проведено моделирование обособленного проветривания двух тупиковых выработок. Время проветривания до ПДК составило 25,2 минуты при 3 входящем расходе QВХ = 66 м /с. Далее был уменьшен входящий расход свежего воздуха в 2 раза и проведено мо- делирование последовательного проветривания двух тупиковых выработок. Время про- ветривания до ПДК составило 34 минуты. В случае организации последовательного проветривания трех тупиковых вырабо- 3 ток одной входящей струей (QВХ = 33 м /с) время проветривания всех выработок соста- вило 42,9 минут. Поскольку технологическим регламентом для рудников ПАО «ГМК «Норильский никель» предписывается проветривание рабочих зон после взрыва ВВ в течение 60 ми- нут, то организация последовательного проветривания трех тупиковых выработок не приведет к нарушению данного регламента. Далее следует рассмотреть возможность последовательного проветривания не- скольких тупиковых выработок в случае работы машин с двигателями внутреннего сгорания. Принципиальная схема последовательного проветривания нескольких тупи- ковых выработок в случае работы машин с двигателями внутреннего сгорания изобра- жена на рисунке 3, где g - количество выделяемых выхлопных газов, СО или NO , выхл 2 м3/с; С - концентрация соответствующего газа. ДВС Рис. 3. Схема последовательного проветривания двух тупиковых выработок во время работы техники с двигателями внутреннего сгорания Концентрация ядовитых газов на общей исходящей струе находится по следую- щей формуле: 294 ----------------------- Page 295----------------------- В рудниках ПАО «ГМК «Норильский никель» в 2017 году был произведен отбор проб концентраций отработанных выхлопных газов работающей техники и было рассчитано, согласно модели, что для двигателей со стандартами ток- сичности Tier 3 (Stage III) и Tier 4 (Stage IV) концентрации ядовитых газов не превышают ПДК при последовательном проветривании 2 и 3 тупиковых выра- боток. Таким образом, организация последовательного проветривания может су- щественно сократить издержки предприятий на вентиляцию путем сокращения подачи воздуха в рудник, а также обеспечивает технический резерв для увели- чения объемов добычи полезного ископаемого. При этом, безусловно, для обос- нования безопасности опасного производственного объекта при организации последовательного проветривания на каждом руднике следует провести серию экспериментов с целью уточнения аэродинамических параметров и верифика- ции модели.