Вентиляция горных выработок: расчёт воздуха для шахт

1. Назначение и нормативная база вентиляции горных выработок

Вентиляция горных выработок — это комплекс мероприятий по обеспечению подземных горных выработок воздухом нормативного состава в количестве, достаточном для разбавления и выноса вредных и опасных примесей (метана, углекислого газа, ядовитых газов от взрывных работ, пыли), а также для поддержания нормативных параметров микроклимата. Расчёт количества воздуха для проветривания шахт и рудников является основой проектирования вентиляции подземных горнодобывающих предприятий.

Нормативная база расчёта вентиляции определяется следующими документами:

1.1. Требования к составу рудничной атмосферы

2. Факторы, определяющие расход воздуха

Расход воздуха для проветривания горных выработок рассчитывается по нескольким лимитирующим факторам. Окончательно принимается наибольшее из полученных значений:

• по газовыделению (метан, CO₂) — для газообильных шахт и рудников;
• по числу людей, одновременно работающих в выработке;
• по газам от взрывных работ (ВВ) — при буровзрывном способе проходки;
• по пылевому фактору — при высокой запылённости;
• по минимальной скорости движения воздуха в выработке;
• по тепловому фактору — для глубоких горячих шахт;
• по выхлопным газам ДВС — при использовании самоходного дизельного оборудования.

3. Расчёт расхода воздуха по метановыделению

Для газообильных угольных шахт расчёт по метановыделению, как правило, является определяющим. Расход воздуха для разбавления метана до допустимой концентрации определяется по формуле:

3.1. Коэффициент неравномерности газовыделения k_н

4. Расчёт расхода воздуха по числу людей

Каждому работнику, находящемуся в подземной выработке, должен быть обеспечен минимальный расход свежего воздуха для дыхания. Расход воздуха по людям определяется по формуле:

5. Расчёт расхода воздуха по газам от взрывных работ

При буровзрывном способе ведения горных работ в атмосферу выработки выделяются ядовитые газы — оксид углерода (CO) и оксиды азота (NO_x). Количество газов зависит от типа и массы взрывчатого вещества (ВВ). Расход воздуха для проветривания забоя после взрыва рассчитывается из условия разбавления газов до ПДК за нормативное время проветривания (обычно не более 30 минут).

5.1. Газовость промышленных ВВ

6. Расчёт по минимальной скорости воздуха

Для обеспечения выноса газов, пыли и нормализации микроклимата установлены минимально допустимые скорости движения воздуха в горных выработках:

Расход воздуха по скорости:

6.1. Максимально допустимые скорости воздуха

7. Учёт теплового фактора

На глубоких шахтах (свыше 600–800 м) температура горных пород превышает 30–35 °C, что приводит к нагреву рудничного воздуха. Температура воздуха на рабочих местах не должна превышать 26 °C (при относительной влажности до 90%). При температуре 26–28 °C требуются организационные мероприятия; работа при температуре свыше 28 °C без специальных средств охлаждения не допускается.

В этих условиях расчёт расхода воздуха дополняется тепловым расчётом: определяется количество воздуха, необходимое для ассимиляции теплоизбытков от горных пород, работающего оборудования, окислительных процессов и сжатия воздуха при движении по стволу.

8. Аэродинамическое сопротивление выработок и депрессия

Депрессия (перепад давления) — движущая сила вентиляционного потока. Суммарная депрессия шахтной сети определяет требуемый напор вентилятора главного проветривания.

8.1. Формула депрессии трения

8.2. Типичные значения коэффициента α

8.3. Общешахтная депрессия

Суммарная депрессия шахтной сети определяется сложением депрессий последовательных участков наиболее протяжённого вентиляционного маршрута (от устья воздухоподающего ствола через забои до устья вентиляционного ствола). Для шахт типичные значения общешахтной депрессии составляют:

• Небольшие и средние шахты (глубина до 300 м): 500 – 2000 Па
• Глубокие шахты (300–800 м): 2000 – 4500 Па
• Сверхглубокие шахты (более 800 м): 4000 – 8000 Па и более

9. Способы и схемы проветривания шахт

Различают три основных способа проветривания подземных горных выработок, отличающихся расположением вентилятора и направлением создаваемого им перепада давления.

9.1. Всасывающий способ

Вентилятор устанавливается на поверхности у устья вентиляционного ствола и создаёт разрежение (пониженное давление) в шахтных выработках. Свежий воздух поступает в шахту через воздухоподающий ствол под действием атмосферного давления. Это наиболее распространённый способ для газовых угольных шахт, поскольку при разрушении вентиляционных устройств давление в выработках повышается до атмосферного, что исключает дополнительное поступление метана из пластов и выработанных пространств.

9.2. Нагнетательный способ

Вентилятор устанавливается у устья воздухоподающего ствола и нагнетает воздух в шахту, создавая избыточное давление. Загрязнённый воздух выходит через вентиляционный ствол под действием перепада давления. Способ применяется преимущественно на рудниках и негазовых шахтах. Достоинство — возможность эффективного проветривания без общего вентиляционного горизонта и лёгкость регулирования распределения воздуха.

9.3. Комбинированный способ

Применяются одновременно нагнетательный и всасывающий вентиляторы. В одной части шахты создаётся избыточное давление, в другой — разрежение. Это позволяет уменьшить абсолютное значение перепада давления между выработками и поверхностью, снижая подсосы воздуха через трещины и провалы. Способ целесообразен на глубоких шахтах с развитой аэродинамической связью выработок с поверхностью.

9.4. Схемы вентиляции по расположению стволов

10. Выбор вентилятора главного проветривания

Вентилятор главного проветривания (ВГП) подбирается по двум основным параметрам: требуемому расходу воздуха Q и депрессии шахтной сети h. Рабочая точка вентилятора должна располагаться в рабочей зоне его аэродинамической характеристики (области устойчивой работы).

10.1. Основные типы ВГП

Осевые вентиляторы (ВОД) применяются при умеренных депрессиях и больших расходах воздуха. Центробежные (ВЦД) — при высоких депрессиях, характерных для глубоких шахт. Требование правил безопасности: на каждой вентиляторной установке должен быть предусмотрен резервный вентилятор.

10.2. Расчёт мощности ВГП

11. Общешахтный расчёт расхода воздуха

Общее количество воздуха для шахты определяется суммированием:

12. Пример расчёта для тупикового забоя

Шаг 1. По метановыделению

Шаг 2. По числу людей

Шаг 3. По минимальной скорости (0,25 м/с)

Шаг 4. Принимаемый расход

Шаг 5. Проверка по максимальной скорости

В данном примере определяющим фактором является метановыделение. Расход 480 м³/мин (8,0 м³/с) обеспечивается вентилятором местного проветривания (ВМП) с подачей воздуха по трубопроводу в тупиковый забой.

13. Вопросы и ответы (FAQ)

Сколько воздуха требуется на одного человека в шахте?

Действующие правила безопасности устанавливают норму подачи свежего воздуха не менее 6 м³/мин на одного человека, находящегося в подземной горной выработке. Эта норма обеспечивает поддержание содержания кислорода не ниже 20% и разбавление выдыхаемого углекислого газа.

Какая допустимая концентрация метана в шахте?

Согласно ФНП N 507, в исходящей вентиляционной струе очистного забоя и выемочного участка допускается не более 1,0% метана. В поступающей на участок струе — не более 0,5%. В местных скоплениях (купола, суфляры) предельная концентрация — 2,0%. Нижний предел взрываемости метана в воздухе — 4,4% (при стехиометрической концентрации 9,5%).

Какой фактор обычно определяет расход воздуха в угольных шахтах?

В газообильных угольных шахтах (III категории и выше по метану) определяющим фактором, как правило, является метановыделение. В негазовых шахтах и рудниках определяющими могут быть число людей, газы от ВВ или минимальная скорость воздуха. Расчёт ведётся по всем факторам, принимается максимальное значение.

Чем отличается всасывающая схема от нагнетательной?

При всасывающей схеме вентилятор создаёт разрежение на выходе из шахты, и воздух поступает под действием атмосферного давления. При нагнетательной — вентилятор нагнетает воздух на входе, создавая избыточное давление в выработках. Всасывающая схема предпочтительна для газовых шахт (при разгерметизации давление повышается до атмосферного, снижая газовыделение). Нагнетательная — для негазовых рудников.

Как определяется аэродинамическое сопротивление выработки?

Аэродинамическое сопротивление R определяется по формуле R = α · P · L / S³, где α — коэффициент аэродинамического сопротивления (зависит от типа крепи и шероховатости стенок), P — периметр, L — длина, S — площадь сечения выработки. Депрессия (потеря давления) на участке h = R · Q².

Какую минимальную скорость воздуха следует обеспечивать в забоях?

В призабойном пространстве очистных и подготовительных выработок — не менее 0,25 м/с. Для подготовительных выработок газовых шахт при мощности пласта 2 м и более и метаноносности не менее 5 м³/т — не менее 0,50 м/с. В тупиковых забоях негазовых шахт и прочих выработках — не менее 0,15 м/с.

Как выбрать вентилятор главного проветривания?

ВГП подбирается по двум параметрам: требуемому расходу воздуха (м³/с) и депрессии шахтной сети (Па). Рабочая точка (Q, h) должна попадать в рабочую зону аэродинамической характеристики вентилятора. Для умеренных депрессий (до 5000 Па) применяют осевые вентиляторы (ВОД), для высоких (до 8000–10000 Па) — центробежные (ВЦД). Обязательно предусматривается резервный вентилятор.

Что такое коэффициент неравномерности газовыделения k_н?

Коэффициент k_н учитывает отклонение фактического газовыделения от среднего значения. Газовыделение из пласта не постоянно — при обрушении кровли, отжиме угля или вскрытии газовых карманов происходят кратковременные выбросы. Значения k_н определяются по данным газовых съёмок или принимаются по таблицам Инструкции: от 1,4 для механизированных лав до 2,6 для буровзрывной выемки.

Как учитываются утечки воздуха?

Утечки воздуха через вентиляционные сооружения (перемычки, двери, шлюзы), через выработанное пространство и через негерметичные участки учитываются коэффициентом утечек k_ут, типичные значения которого составляют 1,2–1,5 в зависимости от протяжённости сети и состояния вентиляционных сооружений. Нормы утечек через конкретные типы сооружений приведены в Инструкции.

14. Заключение

Расчёт необходимого количества воздуха для проветривания горных выработок является многофакторной инженерной задачей, решение которой обеспечивает безопасные и нормативные условия труда в подземных выработках. Определяющими факторами расчёта для угольных шахт, как правило, являются метановыделение и применение ВВ, для рудников — газы от взрывных работ и работа дизельного оборудования. Правильный выбор способа и схемы проветривания, корректный расчёт аэродинамического сопротивления шахтной сети и подбор вентилятора главного проветривания обеспечивают надёжную и экономичную работу вентиляционной системы в течение всего срока эксплуатации горнодобывающего предприятия.

Источники

1. Приказ Ростехнадзора от 08.12.2020 N 507 «Правила безопасности в угольных шахтах» (ФНП, ред. от 23.06.2022).
2. Приказ Ростехнадзора от 08.12.2020 N 506 «Инструкция по аэрологической безопасности угольных шахт» (ФНП).
3. Приказ Ростехнадзора от 08.12.2020 N 505 «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твёрдых полезных ископаемых» (ФНП).
4. Инструкция по расчёту количества воздуха, необходимого для проветривания действующих угольных шахт (утв. Минуглепромом СССР и Госгортехнадзором СССР, 1974).
5. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. — МакНИИ.
6. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов. — М.: Недра.
7. McPherson M.J. Subsurface Ventilation Engineering. — Chapman & Hall.
8. Hartman H.L., Mutmansky J.M. Mine Ventilation and Air Conditioning. — Wiley.
9. ГОСТ 12.1.005-88 «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».