Порядок расчета расхода воздуха для проветривания подземного рудника

Авторы: Минин В. В., к. т. н., член-корр. МАНЭБ, нач. ОВГВ; Фоменко Д. В., ведущий инженер ОВГВ; Минин И. В., ведущий инженер ОВГВ (ОАО «Уралмеханобр»)

Порядок расчета расхода воздуха для проветривания подземного рудника определен п. 155 ФНиП ГР: расчет должен производиться позабойно суммированием потребностей отдельных забоев, действующих выработок, блоков, участков, панелей, пластов, общешахтных камер служебного назначения, с введением обоснованных коэффициентов запаса.

Забои очистные и подготовительные. Действующие выработки – не используемые для транспорта выработки, например запасные выходы (если таковые необходимы). Блоки – очистное пространство с несколькими очистными забоями, локализованное в одном этаже. Участков на руднике не проектируется. Панелей на руднике нет. Пластов на руднике нет, есть рудное тело. Общешахтные камеры служебного назначения – выработки с постоянным присутствием персонала (рабочими местами), служащие для производственных процессов (ремонт, водоотлив, энерго- и воздухоснабжение и т. п.) для всего рудника.

Введение обоснованных коэффициентов запаса требуется для исключения недостатка воздуха в сравнении с расчетной величиной, например, утечек, неравномерности подачи воздуха и т. п.

Расчет выполняется прямым подсчетом величин расхода воздуха из норм (ГОСТ, СНИП, СанПиН, ГН, ФНиП ГР, ФНиП БВР, Правила ЕЭК и т. п.) с использованием данных заводов – изготовителей машин с ДВС, взрывчатых материалов, вентиляционных трубопроводов и т. п.

Забои очистные и подготовительные. Расчет количества воздуха

Технологические операции в забоях проводятся так, что процессы бурения, заряжания и обслуживания забоя одинаковы и требуют подачи воздуха не менее, чем определяется по минимальной скорости ФНиП ГР п. 156. Минимальная скорость воздуха (м/с) в горных выработках определяется по формуле: = 0,1*16,5/24 = 0,07 (м/с), где S – усредненная площадь поперечного сечения забоя выработки, 24 , а Р – периметр забоя выработки, 16,5 м. Расход для забоя составит 0,07 м/с*24 м² = 1,7 м³/с.

Процесс взрывания выполняется в межсменный перерыв. То есть без работы техники и КСН.

Расчет выполняется согласно требованиям п. 233 ФНиП БВР: допуск людей в выработку (забой) после взрывных работ производится только при условии содержания ядовитых продуктов взрыва не более 0,008 % по объему в пересчете на условный оксид углерода. Проветривание выработки до указанной концентрации ядовитых продуктов взрыва должно достигаться не более чем за 30 минут. При проверке вредных продуктов взрыва 1 л диоксида азота следует принимать эквивалентным 6,5 л оксида углерода.

Тип применяемого в проекте взрывчатого вещества на подземном руднике – граммотол 20, согласно паспортным данным (рисунок 3.1), содержание ядовитых газов (СО) – 33 л/кг взрывчатки, то есть 33/1000 = 0,033 м³/кг.

Рисунок 1. Паспорт взрывчатого вещества граммотол 20

Расход ВВ, согласно паспорту буровзрывных работ (БВР), – 155 кг, следовательно, при взрыве граммотола 20 выделится 0,033 м³/кг х 155 кг = 5,115 м³ газов от ВВ. Для разбавления этого объема газа до ПДК не более 0,008 % оксида углерода по объему находим количество свежего воздуха, который необходимо подать через забой при времени проветривания 30 мин. (1 800 с):

5,115 м³*100 %/0,008 % = 63 937,5 м³.

Расход свежего воздуха должен составить не менее:

63 937,5 м³/1 800 с = 35,5 м³/с для проветривания забоев очистных в межсменный перерыв. На проходческий забой должно быть подано не менее 35,5 м³/с.

Максимальное количество забоев, находящихся в производственном процессе взрывания в межсменный перерыв, – 12 шт. Итого:

12*35,5 = 426 м³/с

требуется для вентиляции рудника в межсменный перерыв.

Относительно 426 м³/с проверяется количество воздуха, подаваемое в нормальном и реверсивном режимах вентиляции.

Процесс транспортирования из забоя отбитой горной массы проектируется с помощью ПДМ типа Sandvik LH.

Расчет по машине Sandvik LH 621: мощность – 345 кВт, объем двигателя – 12,8 л (0,0128 м³), количество оборотов при максимальной мощности – 1 900 оборотов в минуту (32 оборота в секунду) (рисунок 2). Учитывая, что двигатель четырехтактный, за один оборот выбрасывается количество газов, равное половине объема двигателя:

0,0128 м³ / 2 = 0,0064 м³.

Рисунок 2. Технические характеристики машины Sandvik LH621

Высчитываем объем исходящих газов от работы машины с ДВС на максимальной мощности путем произведения количества оборотов (в секунду) на выбрасываемое количество газов, отработанных в ДВС, в м³:

32 об/с * 0,0064 м³ = 0,205 м³/с.

Отработанные газы содержат: оксид углерода СО, оксиды азота в пересчете на NO₂, углеводороды СН, твердые частицы и непереработанный (не вступивший в реакции) объем свежего воздуха. Регламентируется выброс опасных веществ, перечисленных выше (таблица 1), воздух сохраняет свои свойства, поэтому необходимо определить в расходе всего воздуха, прошедшего через ДВС, сколько имеется отработанных вредных газов.

Расчет количества исходящих отработанных газов ДВС в общем объеме воздуха, прошедшего через двигатель по компонентам, производим следующим образом:

Расчет количества окиси углерода (СО) в выделившихся газах:

Определяем расчетное количество выделяемой окиси углерода путем произведения номинальной мощности двигателя машины на предельное количество газа, выделяемого на 1 кВт мощности, согласно ЕЭК ООН № 96-02 (таблица 1)

Таблица 1 – значения массы окиси углерода, углеводородов, окиси азота и твердых частиц. Диапазон мощности	Полезная мощность , кВт	Оксид углерода г/(кВт·ч)	Сумма углеводородов и оксидов азота г/(кВт·ч)	Дисперсные частицы г/(кВт·ч)
H	130 560	3,5	4,0	0,2
I	75 130	5,0		0,3
J	37 75	5,0	4,7	0,4
K	18 37	5,5	7,5	0,6

345 кВт*3,5 г/кВт*ч = 1 207,5 г/ч = 0,335 г/с

Определяем расчетный объем выделяемой окиси углерода путем деления рассчитанного количества на плотность СО по воздуху (плотность воздуха принимаем равной 1 347 г/м³ согласно ГОСТ 4401-81 для глубины минус 1 000 м):

Относительная плотность CO по воздуху: 28 (г/моль) /29 (г/моль) = 0,97

От общего количества, прошедшего через ДВС воздуха, содержание СО составит:

Расчет количества смеси окислов азота (в пересчете на NO₂) и углеводородов СН (метана и его гомологов, нефтепродуктов) в выделившихся газах (в пересчете на NO₂):

Современные комплексные системы очистки ОГ для ДВС (дизелей) состоят из каталитических нейтрализаторов, а также сажевых фильтров. Система одновременно обезвреживает и канцерогенные частицы сажи, и вредные окислы азота. Микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и катализатором на основе платины. Во время работы двигателя на бедной смеси частицы сажи окисляются атомарным кислородом, освобождающимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопления NO₂. Применение таких систем позволяет значительно снизить токсичность ОГ дизелей.

Определяем расчетное количество выделяемых смеси окислов азота (в пересчете на NO₂) и углеводородов СН (метана и его гомологов, нефтепродуктов) путем произведения мощности двигателя машины на предельное количество газа, выделяемого на 1 кВт мощности, согласно ЕЭК ООН №96-02 для суммы углеводородов и оксидов азота (Таблица 1):

345 кВт*4 г/кВт*ч =1380 г/ч=0,38 г/с

Определяем расчетный объем выделяемых смеси окислов азота (в пересчете на NO₂) и углеводородов СН (метана и его гомологов, нефтепродуктов) путем деления рассчитанного количества выброса на среднюю плотность NO₂и СН4 по воздуху (плотность воздуха принимаем равной 1 347 г/м³ согласно ГОСТ 4401-81 для глубины минус 1 000 м):

Относительная плотность NO₂ по воздуху: 46 (г/моль) / 29 (г/моль) = 1,59

Относительная плотность CH4 по воздуху: 16 (г/моль) / 29 (г/моль) = 0,55

Средняя плотность:

От общего количества прошедшего через ДВС воздуха содержание смеси окислов азота (в пересчете на NO₂) и углеводородов СН (метана и его гомологов, нефтепродуктов) составит:

= 0,127%

Расчет твердых дисперсных частиц (сажи) в выделившихся газах ДВС:

Определяем расчетное количество выделяемых твердых дисперсных частиц (сажи) путем произведения мощности двигателя машины на предельное количество газа, выделяемого на 1 кВт мощности, согласно ЕЭК ООН № 96-02 (таблица 1):

345 кВт*0,2 г/кВт*ч = 69 г/ч = 0,019 г/с

Определяем расчетный объем выделяемых твердых дисперсных частиц путем деления рассчитанного количества на плотность воздуха (плотность воздуха принимаем равной 1 347 г/м³ согласно ГОСТ 4401-81 для глубины минус 1 000 м):

От общего количества прошедшего через ДВС воздуха содержание твердых дисперсных частиц составит:

Суммарное количество выделяемых вредных примесей (по 4 компонентам) составит:

0,125 % + 0,127 % + 0,0068 % = 0,259 %

от общего количества прошедшего через двигатель воздуха

или

+ += 0,000534.

Расчет по содержанию кислорода в выработке для работы машины с ДВС:

Согласно ФНиП ГР, содержание кислорода в воздухе должно быть не менее 20 % (по объему). Учитывая, что в подаваемом из атмосферы в шахту воздухе содержание кислорода равно 20,95 % (ГОСТ 4401-81), то рассчитанный относительный объем (%) выделившихся газов должен составлять не более, чтобы не вытеснить кислород на содержание менее 20 %:

20,95 % – 20 % = 0,95 %.

Таким образом,

0,000534 м³/с должно составлять не более 0,95 % от поступающего воздуха в выработку, где работает машина с ДВС.

Расчетный объем воздуха, необходимого для поддержания кислорода на уровне 20 %, должен составлять не менее:

Расход необходимого количества воздуха составляет не менее 0,056 м³/с. При этом по минимальной скорости движения струи воздуха согласно ФНиП ГР 156. Минимальная скорость воздуха (м/с) в горных выработках определяется по формуле: (м/с),

где S – площадь поперечного сечения выработки, средняя 24 м, а Р – периметр выработки, 16,5 м. Скорость минимальная равна:

0,1*16,5/24= 0,07 м/с,

при сечении 24 м² расход должен быть не менее:

0,07*24=1,7 .

То есть допустимый расход воздуха в

1,7/0,056 = 30,4 раза больше, чем потребный для содержания кислорода выше 20 % по объему в выработке, где работает машина с ДВС.

Расчет по содержанию выбрасываемых компонентов на соответствие их ПДК и требованиям ФНиП ГР относительно состава рудничной атмосферы:

Согласно ФНиП ГР 336. Двигатели внутреннего сгорания должны быть оборудованы нейтрализаторами отработавших газов. Согласно ГОСТ Р 41.103-99. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения сменных каталитических нейтрализаторов для механических транспортных средств. Раздела ГОСТа Р 41.103-99 2.3 Оценка выброса загрязняющих веществ транспортными средствами, оснащенными сменными каталитическими нейтрализаторами. Рассчитывается предельное значение выбросов одного загрязняющего вещества (СО или твердых частиц) или двух загрязняющих веществ в совокупности (СН + NО) в соответствии с официальным утверждением типа транспортного средства (транспортных средств):

Объемный расход выбрасываемого из ДВС СО равен 0,00026 м³/с, что требует для достижения ПДК расхода воздуха, поступающего в выработку, не менее:

Показатель ПДК СО = 0,0017 % (таблица ФНИП ГР).

3.3.6.2. Объемный расход выбрасываемых из ДВС смеси окислов азота (в пересчете на NO₂) и углеводородов СН (метана и его гомологов, нефтепродуктов) составляет 0,00027 м³/с, что требует для достижения ПДК расхода воздуха, поступающего в выработку, не менее:

Показатель ПДК NO = 0,00026 % (таблица ФНиП ГР ), ПДК суммарного содержания горючих газов в выработках не должно превышать 0,5 % по объему, п. 154 ФНиП ГР.

Твердые частицы от выхлопов ДВС не регламентируются по ПДК ФНиП ГР, ГОСТ 12.1.005-88, СаНПиН 2.2.2776-10, ГН 2 2 5 1313 – 03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

Согласно ФНиП ГР 344: при работе машин с двигателями внутреннего сгорания объем подаваемого в выработки воздуха должен обеспечить снижение вредных примесей в исходящей струе ниже предельно допустимых концентраций.

Расчетом определено, что наибольшее значение необходимого количества воздуха соответствует потребности в свежем воздухе для разбавления СО = 15,06 м³/с, для поддержания кислорода не ниже 20 % необходимо 0,056 м³/с, по минимальной скорости требуется не менее 1,7 м³/с, суммарная очистка выхлопных газов (СН + NО₂) нейтрализаторами требует подачи воздуха не менее 0,052 м³/с.

Вывод: для обеспечения забоев воздухом требуется при работе ПДМ (машины с ДВС) не менее 15,06 м³/с на один забой.

Ранее для осуществления БВР в межсменный перерыв рассчитан расход воздуха 426 м³/с.

Таким образом: 426 м³/с/15,06 м³/с = 28,3 забоя (28) будет обеспечено воздухом по разжижению газов от ПДМ машин с ДВС.

Для выбора ВМП для проветривания забоев принимается максимальное значение расхода воздуха для одного забоя, равное 35,5 м³/с (по расчету БВР), а не по машинам с ДВС.