Основной задачей шахтной вентиляции является обеспечение всех рабочих мест и путей передвижения в подземной шахте достаточным количеством воздуха для разбавления до приемлемого уровня тех загрязняющих веществ, с которыми невозможно бороться никакими другими средствами. Там, где глубина и температура горных пород таковы, что температура воздуха становится чрезмерной, можно использовать механические системы охлаждения, чтобы дополнить благотворное влияние вентиляции.

Атмосфера шахты

Состав газовой оболочки, окружающей землю, варьируется от места к месту менее чем на 0.01 %, а состав «сухого» воздуха обычно принимается следующим образом: 78.09 % азота, 20.95 % кислорода, 0.93 % аргона и 0.03 % углекислого газа. Водяной пар также присутствует в различных количествах в зависимости от температуры и давления воздуха и наличия свободных поверхностей воды. При прохождении вентиляционного воздуха через шахту концентрация водяного пара может существенно изменяться, и это изменение является предметом отдельного психрометрического исследования. Чтобы определить состояние смеси водяного пара и сухого воздуха в конкретной точке, необходимы три измеримых независимых свойства: барометрическое давление, температуры сухого и влажного термометров.

Требования к вентиляции

Загрязняющими веществами, которые необходимо контролировать с помощью разбавляющей вентиляции, являются в первую очередь газы и пыль, хотя ионизирующее излучение, связанное с встречающимся в природе радоном, может создавать проблемы, особенно на урановых рудниках и там, где фоновые концентрации урана в вмещающих или прилегающих породах повышены. Количество воздуха, необходимого для контроля разбавления, будет зависеть как от мощности источника загрязнения, так и от эффективности других мер контроля, таких как использование воды для пылеподавления или системы дренажа метана в угольных шахтах. Минимальный расход разбавляющего воздуха определяется загрязнителем, требующим наибольшего количества разбавления, с должным учетом возможных аддитивных эффектов смесей и синергизма, когда одно загрязняющее вещество может усиливать действие другого. Это значение может быть переопределено требованием минимальной скорости воздуха, которая обычно составляет 0.25 м/с и увеличивается по мере повышения температуры воздуха.

Вентиляция дизельного оборудования

В механизированных шахтах, использующих передвижное оборудование, работающее на дизельном топливе, и при отсутствии непрерывного мониторинга газов, разбавление выхлопных газов используется для определения минимальных требований к вентиляционному воздуху там, где они работают. Требуемое количество воздуха обычно колеблется в пределах от 0.03 до 0.06 мXNUMX.³/с на кВт номинальной мощности в момент эксплуатации в зависимости от типа двигателя и от того, используется ли какая-либо система кондиционирования отработавших газов. Постоянное совершенствование технологий производства топлива и двигателей обеспечивает более низкие выбросы двигателей, в то время как каталитические нейтрализаторы, мокрые скрубберы и керамические фильтры могут еще больше снизить выходящие концентрации угарного газа/альдегидов, оксидов азота и дизельных частиц соответственно. Это помогает соблюдать все более строгие ограничения по содержанию загрязняющих веществ без значительного увеличения степени разбавления выхлопных газов. Минимально возможный предел разбавления 0.02 м³/с на кВт определяется выбросами углекислого газа, которые пропорциональны мощности двигателя и не зависят от кондиционирования выхлопных газов.

Дизельные двигатели примерно на одну треть эффективнее преобразуют энергию, доступную в топливе, в полезную мощность, и большая часть ее затем используется для преодоления трения, в результате чего выход тепла примерно в три раза превышает выходную мощность. Даже при подъеме породы на грузовике по склону полезная работа составляет всего около 10% энергии, доступной в топливе. Более мощные дизельные двигатели используются в более крупном мобильном оборудовании, для безопасной работы которого требуются большие земляные работы. С учетом нормальных клиренсов транспортных средств и типичной степени разбавления дизельных выхлопных газов
0.04 м³/с на кВт, минимальные скорости воздуха при работе дизелей составляют в среднем около 0.5 м/с.

Вентиляция различных методов добычи

Хотя установка общих требований к количеству воздуха неуместна там, где доступна или возможна подробная информация о планировании шахт и вентиляции, они поддерживают критерии, используемые для проектирования. Отклонения от нормальных значений, как правило, можно объяснить и обосновать, например, в шахтах с проблемами тепла или радона. Общие отношения таковы:

Количество шахт = αt + β

где t — годовая производительность в миллионах тонн в год (Мт/год), α — переменный коэффициент количества воздуха, который напрямую связан с производительностью, а β — постоянное количество воздуха, необходимое для вентиляции инфраструктуры шахты, такой как система обработки руды. Типичные значения α приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты расчетного количества воздуха

Постоянное количество воздуха β в основном зависит от системы обработки руды и, в некоторой степени, от общей производительности шахты. Для рудников, где горная порода транспортируется по склону с помощью дизельных самосвалов или отсутствует дробление добытой породы, подходящим значением β является 50 м.³/с. Обычно она увеличивается до 100 м.³/с при использовании подземных дробилок и скиповых подъемов с подземными площадками обслуживания. По мере расширения системы обработки руды (т. е. с использованием конвейеров или других систем транспортировки руды) β может увеличиться до 50 %. На очень больших шахтах, где используются многоствольные системы, постоянное количество воздуха β также кратно количеству требуемых шахтных систем.

Требования к охлаждению

Расчетные тепловые условия

Обеспечение подходящих тепловых условий для минимизации опасностей и неблагоприятных последствий теплового стресса может потребовать механического охлаждения в дополнение к вентиляции, необходимой для контроля загрязняющих веществ. Хотя приложенный тепловой стресс является сложной функцией климатических переменных и физиологических реакций на них, с практической точки зрения на горную промышленность наибольшее влияние оказывают скорость воздуха и температура по влажному термометру. Это иллюстрируется мощностями воздушного охлаждения с поправкой на одежду (Вт/м²) приведены в таблице 2. Под землей радиационная температура принимается равной температуре по сухому термометру и на 10 °С выше температуры по влажному термометру. Барометрическое давление и режим одежды типичны для подземных работ (т. е. 110 кПа и 0.52 единицы одежды).

Таблица 2. Мощность воздушного охлаждения с поправкой на одежду (Вт/м²)

Скорость воздуха 0.1 м/с отражает эффект естественной конвекции (т. е. полное отсутствие ощутимого потока воздуха). Скорость воздуха 0.25 м/с является минимально допустимой в горнодобывающей промышленности, а 0.5 м/с потребуется, если температура по влажному термометру превышает 25 °C. Что касается достижения теплового равновесия, метаболическое тепло, возникающее в результате типичной скорости работы, составляет: отдых, 50 Вт / м²; легкая работа, от 115 до 125 Вт/м², средняя работа, от 150 до 175 Вт/м²; и тяжелая работа, от 200 до 300 Вт/м². Условия проектирования для конкретного применения в шахте будут определяться на основе детального исследования оптимизации. Как правило, оптимальная температура по влажному термометру составляет от 27.5 °C до 28.5 °C, при этом более низкие температуры применимы к менее механизированным операциям. Производительность труда снижается, а риск заболеваний, связанных с перегревом, значительно возрастает, когда температура по влажному термометру превышает 30.0 °C, и работа обычно не должна продолжаться, когда температура по влажному термометру превышает 32.5 °C.

Тепловые нагрузки шахты

Холодильная нагрузка шахты – это тепловая нагрузка шахты за вычетом охлаждающей способности вентиляционного воздуха. Тепловая нагрузка шахты включает в себя эффекты автосжатия воздуха во всасывающих воздуховодах (преобразование потенциальной энергии в энтальпию при стекании воздуха в шахту), поступления тепла в шахту от окружающих горных пород, отвода тепла от разрушенная порода или вода из трещин до того, как они будут удалены из приемных или рабочих участков шахты, а также тепло, возникающее в результате работы любого оборудования, используемого в процессах дробления и транспортировки руды. Охлаждающая способность вентиляционного воздуха зависит как от расчетных тепловых условий окружающей среды на рабочих местах, так и от реальных климатических условий на поверхности.

Хотя относительный вклад каждого источника тепла в общее количество зависит от конкретного места, автокомпрессия обычно вносит основной вклад в размере от 35 до 50% от общего количества. По мере увеличения глубины горных работ автокомпрессия может привести к тому, что охлаждающая способность воздуха станет отрицательной, а подача большего количества воздуха приведет к увеличению холодильной нагрузки шахты. В этом случае количество подаваемой вентиляции должно быть минимальным, соответствующим требованиям контроля загрязнения, а для обеспечения производительных и безопасных условий труда требуется увеличение количества холода. Глубина горных работ, на которой становится необходимым охлаждение, будет зависеть в первую очередь от климатических условий на поверхности, расстояния, которое воздух проходит через впускные дыхательные пути до того, как он будет использован, и степени использования крупного оборудования (дизельного или электрического).

Системы первичной вентиляции

Сети

Системы или сети первичной вентиляции предназначены для обеспечения притока воздуха через сообщающиеся горные выработки. Общая вентиляционная сеть имеет узлы, где встречаются три или более дыхательных путей, ответвления, которые являются воздуховодами между соединениями, и сетки, которые представляют собой замкнутые пути, пересекаемые через сеть. Хотя большинство шахтных вентиляционных сетей разветвлены сотнями и даже тысячами ответвлений, количество основных приточных (ответвление между наземной и горной выработками) и возвратных или вытяжных (ответвление между выработкой и наземной) воздуховодов обычно не превышает десяти.

При большом количестве ответвлений в сети определение режима потока и установление общей потери давления не являются простыми задачами. Хотя многие из них представляют собой простые последовательные или параллельные схемы, которые могут быть решены алгебраически и точно, будут некоторые составные разделы, требующие итерационных методов со сходимостью до приемлемого допуска. Аналоговые компьютеры успешно использовались для сетевого анализа; однако они были заменены менее трудоемкими цифровыми методами, основанными на методе аппроксимации Харди-Кросса, разработанном для решения сетей потоков воды.

Сопротивление дыхательных путей и ударные потери

Сопротивление воздушному потоку туннеля или выработки шахты зависит от его размера и шероховатости поверхности, а результирующая потеря давления зависит от этого сопротивления и квадрата скорости воздуха. Добавляя энергию в систему, можно создать давление, которое затем преодолевает потери давления. Это может происходить естественным образом, когда энергия обеспечивается за счет тепла горных пород и других источников (естественная вентиляция). Хотя раньше это был основной метод обеспечения вентиляции, преобразуется только от 2 до 3% энергии, а жарким летом горная порода может фактически охлаждать всасываемый воздух, что приводит к реверсированию потока. В современных шахтах вентилятор обычно используется для подачи энергии воздушному потоку, который затем преодолевает потерю давления, хотя эффекты естественной вентиляции могут либо способствовать, либо замедлять его в зависимости от времени года.

Когда воздух обтекает поверхность, молекулы воздуха, непосредственно примыкающие к поверхности, находятся в состоянии покоя, а соседние скользят по покоящимся с сопротивлением, зависящим от вязкости воздуха. Градиент скорости формируется там, где скорость увеличивается с увеличением расстояния от поверхности. Пограничный слой, созданный в результате этого явления, и ламинарный подслой, также образующийся по мере развития пограничного слоя, оказывают сильное влияние на энергию, необходимую для продвижения потока. Как правило, шероховатость поверхности шахтных воздуховодов достаточно велика, чтобы «выпуклости» проходили через пограничный подслой. В этом случае воздуховод гидравлически шероховат, а сопротивление является функцией относительной шероховатости, т. е. отношения высоты шероховатости к диаметру воздуховода.

Большинство воздуховодов, разрабатываемых обычными буровзрывными методами, имеют высоту неровностей от 100 до 200 мм, и даже в очень «глыбовом» грунте средняя высота неровностей не превышает 300 мм. Там, где воздуховоды проходят с помощью сверлильных станков, высота шероховатости составляет от 5 до 10 мм и все еще считается гидравлически шероховатой. Шероховатость дыхательных путей можно уменьшить, выровняв их, хотя обычно это оправдано опорой на землю, а не снижением мощности, необходимой для циркуляции вентиляционного воздуха. Например, большой бетонный вал с шероховатостью 1 мм будет переходно шероховатым, а число Рейнольдса, которое представляет собой отношение сил инерции к силам вязкости, также будет влиять на сопротивление воздушному потоку.

На практике трудности с гладкой бетонной облицовкой такой большой шахты сверху вниз по мере ее погружения приводят к увеличению шероховатости и сопротивлению примерно на 50% выше, чем значения для гладкой поверхности.

При ограниченном числе воздухозаборных и возвратных воздуховодов между выработками и поверхностью в них приходится большая доля (от 70 до 90 %) общих потерь шахтного давления. Потери давления в дыхательных путях также зависят от того, есть ли какие-либо разрывы, вызывающие ударные потери, такие как изгибы, сокращения, расширения или какие-либо препятствия в дыхательных путях. Потери, возникающие в результате таких разрывов, как изгибы в дыхательные пути и из них, при выражении в терминах потерь, которые были бы произведены при эквивалентной длине прямых дыхательных путей, могут составлять значительную долю от общего количества и должны быть тщательно оценены, особенно при рассмотрении главных впусков и выхлопов. Потери в несплошностях зависят от величины отрыва пограничного слоя; это сводится к минимуму за счет предотвращения резких изменений площади.

Сопротивление дыхательных путей с препятствиями

Влияние препятствия на потери давления зависит от его коэффициента сопротивления и коэффициента заполнения, который представляет собой отношение площади закупорки объекта к площади поперечного сечения воздуховода. Потери, вызванные препятствиями, можно уменьшить, сведя к минимуму отрыв пограничного слоя и степень любого турбулентного следа за счет обтекания объекта. На коэффициенты лобового сопротивления влияет их форма и расположение в валу; сравнительные значения будут: I балка, 2.7; квадрат, 2.0; цилиндр, 1.2; удлиненный шестигранник, 0.6; и полностью оптимизированный, 0.4.

Даже при небольших коэффициентах заполнения и низких коэффициентах сопротивления, если препятствие регулярно повторяется, например, с балками, разделяющими подъемные отсеки в шахте, кумулятивный эффект на потери давления значителен. Например, сопротивление шахты, оснащенной полуобтекаемыми удлиненными шестигранными балками и коэффициентом заполнения 0.08, будет примерно в четыре раза выше, чем у шахты с бетонной футеровкой. Хотя стоимость материалов для более доступных прямоугольных полых профилей из конструкционной стали больше, чем для двутавровых балок, коэффициент сопротивления составляет около одной трети и легко оправдывает их применение.

Основной и вспомогательный вентиляторы

Для обеспечения циркуляции воздуха в шахтных вентиляционных системах используются как осевые, так и центробежные вентиляторы, при этом достигается эффективность вентиляторов более 80%. Выбор между осевым или центробежным вентилятором для основных шахтных вентиляторов зависит от стоимости, размера, давления, надежности, эффективности и любых изменений производительности. В шахтах, где отказ вентилятора может привести к опасным скоплениям метана, для обеспечения непрерывности вентиляции устанавливаются дополнительные вентиляторы. Там, где это не так критично и при двухвентиляторной установке, около двух третей шахтного воздушного потока будет продолжаться, если один вентилятор остановится. Вертикальные осевые вентиляторы, устанавливаемые над воздуховодами, имеют низкую стоимость, но их длина не превышает 300 м.³/с. Для больших объемов воздуха требуется несколько вентиляторов, которые подключаются к вытяжке воздуховодом и коленом.

Чтобы получить максимальную эффективность при разумных затратах, осевые вентиляторы используются для систем с низким давлением (менее 1.0 кПа), а центробежные вентиляторы - для систем с высоким давлением (более 3.0 кПа). Любой вариант подходит для промежуточных давлений. Там, где требуется надежность, например, при выхлопных газах со скоростями воздуха выше критического диапазона, а капли воды уносятся вверх и из системы, центробежный вентилятор обеспечит более надежный выбор. Критический диапазон скорости воздуха составляет от 7.5 м/с до 12.5 м/с, при котором капли воды могут оставаться во взвешенном состоянии в зависимости от их размера. В пределах этого диапазона количество взвешенной воды может увеличиваться и повышать давление в системе до тех пор, пока вентилятор не остановится. Это область, где часть воздуха рециркулирует вокруг лопастей, и работа вентилятора становится нестабильной. Хотя это нежелательно для любого типа вентилятора, вероятность отказа лопасти центробежного вентилятора значительно меньше, чем вероятность отказа осевой лопасти в этой области колебаний потока.

Редко требуется, чтобы главный вентилятор работал в одной и той же рабочей точке в течение всего срока службы шахты, поэтому желательны эффективные методы изменения производительности вентилятора. Хотя переменная скорость обеспечивает наиболее эффективную работу как осевых, так и центробежных вентиляторов, затраты, особенно на большие вентиляторы, высоки. Производительность осевого вентилятора можно изменять, регулируя угол наклона лопастей, и это может осуществляться либо при остановленном вентиляторе, либо, что значительно дороже, при его вращении. Закручивая воздух, поступающий в вентилятор, с помощью регулируемых входных лопаток, производительность центробежного вентилятора можно изменять во время его работы.

Эффективность центробежного вентилятора вдали от расчетной точки падает быстрее, чем у осевого вентилятора, и, если требуется высокая производительность в широком диапазоне рабочих точек и соответствующие давления, выбирается осевой вентилятор.

Системы вентиляции

Положение главного вентилятора в общей системе обычно находится на поверхности у вытяжного воздуховода. Основными причинами этого являются простота, когда всасывание часто представляет собой подъемную шахту, а выхлоп - отдельный воздуховод для единственного назначения, и минимизация тепловой нагрузки за счет исключения вентиляторов из впускных воздуховодов. Вентиляторы могут быть установлены на подъемных шахтах как в нагнетательном, так и в вытяжном режиме, с герметичным копром. Однако там, где рабочие, материалы или горная порода также входят в шахту или выходят из нее, существует вероятность утечки воздуха.

Двухтактные системы, в которых установлены как приточные, так и вытяжные вентиляторы, используются либо для снижения максимального давления в системе путем их разделения, либо для обеспечения очень небольшой разницы давлений между выработкой и поверхностью. Это относится к шахтам, использующим методы обрушения, где утечка через обрушенную область может быть нежелательной. При больших перепадах давления, несмотря на то, что утечка воздуха через зону обрушения обычно невелика, она может вызвать проблемы с перегревом, излучением или окислением на рабочих местах.

Подземные бустерные вентиляторы из-за ограниченного пространства почти всегда имеют осевой поток и используются для увеличения потока в более глубоких или более удаленных участках шахты. Их главный недостаток — возможность рециркуляции между выхлопом нагнетательного вентилятора и всасывающими воздушными путями. Обеспечивая усиление меньших воздушных потоков только там, где они необходимы, они могут привести к более низкому давлению основного вентилятора для полного воздушного потока шахты и, как следствие, к снижению общей требуемой мощности вентилятора.

Вторичная вентиляция

Вспомогательные системы

Вторичные системы вентиляции требуются там, где сквозная вентиляция невозможна, например, в выработках. Возможны четыре схемы, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Ассоциация форсирующая система приводит к тому, что самый холодный и свежий воздух достигает лица и позволяет использовать более дешевый гибкий воздуховод. Высокая скорость воздуха, выходящего из конца приточного канала, создает струю, которая захватывает дополнительный воздух и помогает смывать загрязнения с поверхности и обеспечивать приемлемую скорость набегания. Его основной недостаток заключается в том, что остальная часть выработки проветривается воздухом, загрязненным газами и пылью, образующимися при добыче полезных ископаемых в забое. Это особенно проблема после взрывных работ, когда время безопасного повторного входа увеличивается.

An вытяжная система позволяет удалить все загрязняющие вещества с лицевой стороны и поддерживает остальную часть напора во всасываемом воздухе. Недостатки заключаются в том, что поток тепла от окружающей породы и испарение влаги приведут к повышению температуры воздуха на входе в забой; операции в проходке от забоя, такие как удаление породы с использованием дизельного оборудования, будут загрязнять всасываемый воздух; не создается воздушная струя для обметания лица; и требуется более дорогой воздуховод, способный выдерживать отрицательное давление.

В одном из выхлопно-перекрывающаяся система проблема очистки забоя воздушной струей решается установкой меньшего вентилятора и воздуховода (перекрытия). В дополнение к дополнительным затратам недостатком является то, что нахлест необходимо опережать лицевой стороной.

В реверсивная система, режим принудительной вентиляции используется, за исключением периода подрыва и периода повторного входа после подрыва, когда происходит реверсирование воздушного потока. Его основное применение - проходка стволов, где время повторного входа в глубокие стволы может быть непомерно высоким, если использовалась только система нагнетания. Реверсирование воздуха может быть достигнуто либо с помощью заслонок на входе и выходе вентилятора, либо с помощью особенностей осевых вентиляторов, в которых изменение направления вращения лопастей приводит к реверсированию потока, при этом около 60 % нормального расхода приходится на доставлен.

Вентиляторы и воздуховоды

Вентиляторы, используемые для вторичной вентиляции, являются почти исключительно осевыми. Для достижения высокого давления, необходимого для прохождения воздуха через воздуховоды большой длины, можно использовать несколько вентиляторов с крыльчатками, вращающимися в противоположных направлениях или в одном направлении. Утечка воздуха является самой большой проблемой в системах вспомогательных вентиляторов и воздуховодов, особенно на больших расстояниях. Жесткие воздуховоды, изготовленные из оцинкованной стали или стекловолокна, при установке с прокладками имеют достаточно низкую утечку и могут использоваться для разработки выработок длиной до нескольких километров.

Гибкие воздуховоды значительно дешевле в покупке и проще в установке; однако утечка в муфтах и ​​легкость их разрыва при контакте с мобильным оборудованием приводят к гораздо более высоким потерям воздуха. Практические пределы разработки с использованием гибких воздуховодов редко превышают 1.0 км, хотя они могут быть увеличены за счет использования воздуховодов большей длины и обеспечения достаточных зазоров между воздуховодом и мобильным оборудованием.

Вентиляция

Для подачи вентиляционного воздуха в места, где может работать персонал, используются как сквозная вентиляция, так и вспомогательные вентиляторные и воздуховодные системы. Регуляторы вентиляции используются для направления воздуха на рабочее место и минимизации короткого замыкания или потери воздуха между впускными и вытяжными воздушными путями.

Переборка используется для остановки потока воздуха через соединительный туннель. Материалы конструкции будут зависеть от разницы давлений и от того, будут ли они подвержены ударным волнам от взрыва. Гибкие завесы, прикрепленные к окружающим поверхностям горных пород, подходят для приложений с низким давлением, таких как разделение впускных и возвратных воздуховодов в камерно-столбовой панели, разрабатываемой комбайном непрерывного действия. Деревянные и бетонные переборки подходят для приложений с более высоким давлением и могут иметь тяжелый резиновый клапан, который может открываться, чтобы свести к минимуму любые повреждения от взрыва.

Вентиляционная дверь необходима там, где требуется пешеходный или автомобильный проход. На материалы конструкции, механизм открывания и степень автоматизации влияет перепад давления и частота открывания и закрывания. Для приложений с высоким давлением могут быть установлены две или даже три двери для создания воздушных пробок и уменьшения утечек и потерь всасываемого воздуха. Чтобы облегчить открытие дверей воздушного шлюза, они обычно содержат небольшую раздвижную секцию, которая открывается первой, чтобы обеспечить выравнивание давления с обеих сторон открываемой двери.

Регулятор используется там, где количество воздуха, проходящего через туннель, должно быть уменьшено, а не полностью остановлено, а также там, где доступ не требуется. Регулятор представляет собой переменное отверстие, и, изменяя площадь, можно также изменить количество воздуха, проходящего через него. Откидная доска - один из самых простых типов, где бетонный каркас поддерживает каналы, в которые можно помещать (сбрасывать) деревянные доски и варьировать открытую площадку. Другие типы, такие как жалюзи-бабочки, могут быть автоматизированы и управляться дистанционно. На верхних уровнях в некоторых открытых запорных системах может потребоваться нечастый доступ через регуляторы, а гибкие панели с горизонтальной жесткостью можно просто поднять или опустить, чтобы обеспечить доступ при минимальных повреждениях от взрыва. Даже груды битой породы использовались для увеличения сопротивления на участках уровня, где временно не ведется добыча полезных ископаемых.

Системы охлаждения и охлаждения

Первая шахтная холодильная система была установлена ​​в Морро-Велью, Бразилия, в 1919 году. С этого момента рост мировой мощности был линейным и составлял около 3 мегаватт холода (МВР) в год до 1965 года, когда общая мощность достигла примерно 100 МВт. . С 1965 года мощность росла экспоненциально, удваиваясь каждые шесть или семь лет. На развитие шахтного охлаждения повлияла как индустрия кондиционирования воздуха, так и трудности работы с динамической горнодобывающей системой, в которой загрязнение поверхностей теплообменника может иметь серьезные последствия для количества обеспечиваемого охлаждения.

Первоначально холодильные установки были установлены на поверхности, и воздух, поступающий в шахту, охлаждался. По мере увеличения расстояния под землей от наземной установки охлаждающий эффект снижался, и холодильные установки перемещались под землю ближе к выработкам.

Ограничения возможности отвода тепла под землей и простота наземных установок привели к возврату к наземному расположению. Однако в дополнение к охлаждению всасываемого воздуха теперь под землю подается и охлажденная вода. Ее можно использовать в устройствах воздушного охлаждения, расположенных рядом с рабочими зонами, или в качестве технической воды, используемой в буровых установках и для пылеподавления.

Оборудование холодильной установки

Парокомпрессионные холодильные установки используются исключительно для шахт, а центральным элементом наземной установки является компрессор. Мощность отдельных установок может варьироваться от 5 МВт до более 100 МВт и, как правило, требует многокомпрессорных систем центробежной или объемной винтовой конструкции. Аммиак обычно является хладагентом, выбираемым для наземной установки, а подходящий галоидоуглерод используется под землей.

Теплота, необходимая для конденсации хладагента после сжатия, отводится в атмосферу, и, чтобы свести к минимуму мощность, необходимую для обеспечения охлаждения шахты, она поддерживается на минимальном практически возможном уровне. Температура по влажному термометру всегда меньше или равна температуре по сухому термометру, и, следовательно, неизменно выбираются системы отвода влажного тепла. Хладагент может конденсироваться в кожухотрубном или пластинчато-рамном теплообменнике с использованием воды, а тепло извлекаться и затем выбрасываться в атмосферу в градирне. В качестве альтернативы два процесса можно объединить с помощью испарительного конденсатора, в котором хладагент циркулирует по трубам, по которым всасывается воздух и распыляется вода. Если холодильная установка установлена ​​под землей, отработанный шахтный воздух используется для отвода тепла, если только вода из конденсатора не откачивается на поверхность. Эксплуатация подземного завода ограничена количеством доступного воздуха и более высокой температурой по влажному термометру под землей по сравнению с температурой на поверхности.

После прохождения сконденсированного хладагента через расширительный клапан испарение низкотемпературной смеси жидкости и газа завершается в другом теплообменнике, который охлаждает и обеспечивает охлажденную воду. В свою очередь, он используется как для охлаждения всасываемого воздуха, так и в качестве холодной технической воды, подаваемой в шахту. Контакт между водой, вентиляционным воздухом и шахтой снижает качество воды и увеличивает загрязнение теплообменника. Это увеличивает сопротивление тепловому потоку. Там, где это возможно, этот эффект сводится к минимуму за счет выбора оборудования с большой площадью поверхности со стороны воды, которую легко чистить. Наземные и подземные распылительные камеры и градирни используются для обеспечения более эффективного прямого контактного теплообмена между охлаждаемым воздухом и охлажденной водой. Охлаждающие змеевики, разделяющие потоки воздуха и воды, засоряются пылью и дизельными частицами, и их эффективность быстро снижается.

Системы рекуперации энергии могут использоваться для компенсации затрат на откачку воды обратно из шахты, и тарельчатые колеса хорошо подходят для этого применения. Использование холодной воды в качестве технической воды помогло обеспечить охлаждение везде, где ведется добыча полезных ископаемых; его использование значительно повысило эффективность шахтных систем охлаждения.

Ледяные системы и точечные охладители

Холодопроизводительность 1.0 л/с охлажденной воды, подаваемой под землю, составляет от 100 до 120 кВтР. В шахтах, где требуется большое количество холода под землей на глубине более 2,500 м, затраты на циркуляцию охлажденной воды могут оправдать замену ее льдом. При учете скрытой теплоты плавления льда охлаждающая способность каждого 1.0 л/с увеличивается примерно в четыре раза, что снижает массу воды, которую необходимо откачивать из шахты обратно на поверхность. Снижение мощности насоса в результате использования льда для транспортировки холода компенсирует увеличение мощности холодильной установки, необходимой для производства льда, и невозможность рекуперации энергии.

Разработка обычно представляет собой добычу полезных ископаемых с самыми высокими тепловыми нагрузками по отношению к количеству воздуха, доступного для вентиляции. Это часто приводит к тому, что температура на рабочей площадке значительно выше, чем при других горнодобывающих работах в той же шахте. Там, где применение охлаждения является пограничной проблемой для шахты, точечные охладители, специально предназначенные для промысловой вентиляции, могут отсрочить его общее применение. Точечный охладитель — это, по сути, миниатюрная подземная холодильная установка, в которой тепло отводится в воздух, возвращаемый из выработки, и обычно обеспечивает охлаждение от 250 до 500 кВтР.

Мониторинг и чрезвычайные ситуации

Обследования вентиляции, включающие измерения расхода воздуха, загрязнителей и температуры, проводятся на регулярной основе, чтобы соответствовать как законодательным требованиям, так и обеспечивать постоянную оценку эффективности используемых методов управления вентиляцией. Там, где это целесообразно, важные параметры, такие как работа главного вентилятора, постоянно контролируются. Возможна некоторая степень автоматического управления, когда критический загрязнитель постоянно контролируется, и, если заранее установленный предел превышен, могут быть подсказаны корректирующие действия.

Более подробные исследования барометрического давления и температуры проводятся реже и используются для подтверждения сопротивления дыхательных путей и для помощи в планировании расширения существующих операций. Эту информацию можно использовать для настройки сопротивления моделирования сети и отражения фактического распределения воздушного потока. Также можно моделировать системы охлаждения и анализировать измерения расхода и температуры для определения фактической производительности оборудования и отслеживания любых изменений.

Чрезвычайными ситуациями, которые могут повлиять на систему вентиляции или быть затронуты ею, являются пожары в шахтах, внезапные выбросы газа и перебои в подаче электроэнергии. Пожары и выбросы рассматриваются в других разделах этой главы, а перебои в подаче электроэнергии возникают только в глубоких шахтах, где температура воздуха может повышаться до опасного уровня. Обычно в этих условиях устанавливают резервный вентилятор с дизельным двигателем, чтобы обеспечить небольшой поток воздуха через шахту. Как правило, когда под землей возникает чрезвычайная ситуация, такая как пожар, лучше не мешать вентиляции, пока персонал, знакомый с нормальным потоком воздуха, все еще находится под землей.

Назад