Аэрология

К.З. У Ш А КОВ, А. С. БУ РЧ АКОВ,
Л.А. IIУЧKOB, И. И. МЕДВЕДЕВ
_{АЭРОЛОГИЯ}
горных предприятий
Допущено Министерством высшего и среднего специального
образования СССР
в качестве учебника
для студентов горных специальностей вузов
Под редакцией проф., д-ра техн. наук /С. 3. Ушакова
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ


Москва "Недра" 1987

ВВЕДЕНИЕ
Рудничная аэрология — это отрасль горной науки, изучающая свойства рудничной атмосферы, законы движения воздуха, пере­нос его газообразных примесей, пыли и тепла в горных выработ­ках и в прилегающем к выработкам массиве горных пород. Она является научной основой для разработки инженерных приемов, методов и средств вентиляции шахт.
Атмосфера (воздушная оболочка земли) — это среда жизне­деятельности человека. Ее газовый состав на земной поверхности характеризуется большим постоянством вследствие высокой по­движности воздуха и взаимной компенсации процессов выделения и поглощения газов. Поэтому на земной поверхности не возни­кает проблемы искусственного поддержания требуемого для жизнедеятельности человека газового состава воздуха. Однако в помещениях, отделенных от земной поверхности частично или полностью, действие указанных факторов ослабевает или прекра­щается вовсе, а изменения в них состава воздуха вследствие вы­деления и поглощения газов при протекании производственных процессов (или из-за присутствия в них людей) вызывают необ­ходимость их вентиляции (обновления воздуха). Суть вентиляции помещения и состоит в подаче и распределении чистого (свежего) воздуха, а также в удалении загрязненного воздуха. Подземные выработки вследствие почти полной их изоляции от земной по­верхности, наличия в них процессов поглощения кислорода и вы­деления газов (чуждых земной атмосфере), повышения темпера­туры воздуха, отсутствия солнечного света (биологическое и ги­гиеническое действие которого велико) особо нуждаются в венти­ляции. С необходимостью вентиляции подземных выработок люди столкнулись давно. Так, остатки римских рудников в Рио-Тинто (в Испании), действовавших около 2000 лет назад, свидетель­ствуют о том, что уже в то время более длинные штольни снаб­жались вентиляционными шурфами. Способы создания естествен­ной тяги в шахтах описаны римским писателем Плинием старшим в «Естественной истории» (I в.). Сведения о вентиляции подзем­ных выработок приводит писатель Георгий Агрикола в «Горном и заводском деле» (XVI в.). В тот период технические возможности вентиляции были весьма ограничены. Движение воздуха в шахтах происходило в основном под действием разности его плотностей (естественная тяга) пли за счет энергии ветра, а средствами ин­тенсификации вентиляции были меха, костры или печи, подогре­вавшие воздух, в результате чего усиливалось его естественное движение. Ограниченные возможности шахтной вентиляции сдер­живали развитие горных работ. Возник первый вентиляционный барьер. Преодолеть этот барьер позволил механический вентиля­тор, изобретенный в 1832 г. в России генерал-лейтенантом кор-
4
пуса горных инженеров А. А. Саблуковым. Установка на шахтах механических вентиляторов позволила на значительный период снять ограничения на расширение масштабов горных работ по фактору вентиляции. Появление в шахтах выделений горючего и взрывчатого газа метана потребовало дальнейшей интенсифи­кации вентиляции (случаи вспышек и взрывов метана в шахтах известны горнякам с XVI в.; в России впервые такой случай имел место в 1878 г. на угольной шахте в Донбассе). В настоящее время вследствие значительной глубины горных работ и большой нагрузки на забои в угольных шахтах выделяется большое коли­чество метана (средняя метанообильность шахт Донецкого и Ка­рагандинского бассейнов равна соответственно 30 и 90 м³/мин). Бороться с такими количествами газа традиционным способом (разбавлением метана воздухом и выносом из шахты вентиляци­онной струей) во многих случаях оказывается уже невозможным из-за необходимости подачи в шахты чрезвычайно большого коли­чества воздуха и превышения допустимых скоростей его движения но выработкам. Вентиляция вновь стала фактором, сдерживаю­щим развитие горных работ. Появился второй (газовый) венти­ляционный барьер.
С углублением горных работ связано повышение температуры воздуха в горных выработках. Потребовалась разработка специ­альных средств воздухоохлаждения, без которых дальнейшее уг­лубление горных работ стало невозможным. Появился третий (тепловой) вентиляционный барьер. Рудничная аэрология занята интенсивными поисками методов и средств преодоления указан­ных вентиляционных барьеров.
Системы вентиляции современных шахт характеризуются большой протяженностью выработок, сложностью вентиляцион­ных сетей, большой мощностью главных вентиляторов. Суммар­ная протяженность выработок, по которым движется воздух, в современных шахтах может достигать 120 км, а их число — многих сотен. Для вентиляции крупных шахт подается 20— 40 тыс. м³/мин воздуха (до 15 т воздуха на 1 т добываемого по­лезного ископаемого). Наиболее крупные главные вентиляторы имеют рабочее колесо диаметром около 5 м и двигатель мощно­стью до 4000 кВт. Они создают давление до 9000 Па при расходе воздуха до 600 м³/с. Только на шахтах Минуглепрома СССР и Миичермета СССР работают около 5 000 главных вентиляторов, которые потребляют ежегодно около 7 млрд. кВт-ч электроэнер­гии. С точки зрения управления вентиляционные системы совре­менных шахт являются одними из наиболее сложных технических систем.
Первым научным исследованием в области рудничной аэро­логии, положившим начало ее развитию как науки, явился трак­тат М. В. Ломоносова «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном» (1742 г.), в котором впервые была объяснена при­рода естественной тяги воздуха в шахтах и открыты законы се проявления. В развитии рудничной аэрологии как науки
5

деятельное участие приняли русские ученые. Их приоритет не­оспорим в решении таких узловых вопросов вентиляции шахт, как распределение газов в земной коре, виды связи газов с горными породами, прогноз газообильности шахт, методы управ­ления выделением метана в шахтах, методы расчета аэродинами­ческого сопротивления горных выработок при различных виде и конструкции их крепи, процессы переноса газов и пыли в горных выработках, процессы теплообмена в шахтах, методы проектиро­вания вентиляции шахт, методы оценки надежности вентиляцион­ных систем шахт.
В XIX в. начинается изучение свойств шахтной атмосферы на высоком научном уровне. Были выполнены многочисленные ис­следования (аэродинамического сопротивления выработок, со­става шахтного воздуха и свойств выделяющихся в горные выра­ботки газов, температуры горных пород и воздуха в горных выработках и влажности последнего), созданы приборы для соот­ветствующих измерений. Из ученых этого периода следует отме­тить Узатиса (в России), Шандорффа (в Германии), Вуда (в Ве­ликобритании), изучавших состав шахтной атмосферы, Жирара, Добюиссоиа, Мюрга, Пти (во Франции) и Аткинсона (в Вели­кобритании), исследовавших аэродинамическое сопротивление горных выработок. В начале XX в. начинается интенсивное разви­тие рудничной аэрологии в России. Этот период открывается фун­даментальной работой А. А. Скочинского «Рудничный воздух и основной закон движения его по выработкам» (1904 г.), в которой обобщены многочисленные исследования состава и свойств шахт­ного воздуха и впервые применено к его движению известное уравнение Бернулли.
Деятельность профессора петербургского, затем московского горных институтов Александра Александровича Скочинского (1874—1960) занимает особое место в развитии рудничной аэро­логии. Им выполнены обширные исследования по рудничной аэро- и газодинамике, шахтной атмосфере и методам ее кон­троля, внезапным выбросам угля и газа, шахтным пожарам, руд­ничной пыли. Им совместно с 'профессором ЛГИ В. Б. Комаро­вым написан учебник «Рудничная вентиляция», выдержавший три издания. За него авторам была присуждена Государственная премия СССР. Герой Социалистического Труда, лауреат Госу­дарственных премий СССР академик АН СССР А. А. Скочин-ский является основателем отечественной школы рудничной аэро­логии. В 1930 г. в МГИ им создана кафедра рудничной венти­ляции, которую он возглавлял почти четверть века. В 1938 г. по инициативе и при участии А. А. Скочинского создается институт Горного дела АН СССР, носящий ныне его имя. До конца своих дней А. А. Скочинский — директор этого института и руководи­тель отделения рудничной аэрологии.
Из русских ученых, внесших значительный вклад в развитие рудничной аэрологии в дореволюционный период, следует отметить Г. О. Чечотта, давшего решение простого диагональ-
6
iiofo соединения выработок, и Н. Н. Черницына, положившего начало научному изучению метана в угольных пластах и породах и его переноса в шахтных вентиляционных потоках.
Интенсивное развитие рудничной аэрологии в нашей стране начинается после Октябрьской революции. Характерной чертой научных исследований в этот период является то, что они ве­дутся коллективно, а их тематика направлена на решение на­сущных вопросов, выдвигаемых отечественной горной промыш­ленностью. В СССР исследования по рудничной аэрологии ведут коллективы ИГД им. А. А. Скочинского, МакНИИ, ВостНИИ, ВНИИБТГ, ДонУГИ, КНИУИ, МГИ, ЛГИ, ДГИ, СГИ и других институтов. Важнейшими направлениями исследований руднич­ной аэрологии в нашей стране после 1917 г. являются сле­дующие:
изучение аэродинамического сопротивления горных вырабо­ток, их соединений и аэродинамики шахтных вентиляционных по­токов;
изучение состава газов, содержащихся в земной коре, процес­сов газовыделения в горные выработки и переноса газов венти­ляционными потоками, управление газовыделением;
исследование взрывчатых свойств шахтной пыли и разра­ботка методов борьбы с нею;
исследование теплового режима шахт, процессов теплообмена между шахтным воздухом и горными породами;
разработка методов автоматического управления вентиляцией шахт;
исследование особенностей и разработка методов вентиляции шахт (при подземных пожарах, внезапных выбросах угля и газа и др.;
исследование надежности шахтных вентиляционных систем и разработка методов ее оценки;
разработка методов проектирования вентиляции шахт.
Большой вклад в развитие рудничной аэрологии в нашей стране внесли А. С. Попов, М. М. Протодьяконов, В. Б. Комаров, Д. Ф. Борисов, А. И. Ксенофонтова, В. Н. Воронин, Ф. А. Абра­мов, Л. Н. Быков, И. М. Печук, П. И. Мустель, А. М. Карпов, А. Н. Щербань, Г. Д. Лидин, А. Ф. Воропаев. Из зарубежных ученых следует отметить Будрика и Трутвина (ПНР), Стефа-иова (НРБ), Мак-Илроя, Ричардсона, Викса, Хартмана (США), Хинслея, Скотта, Робертса (Великобритания), Пти (Франция).
Рудничная аэрология состоит из следующих основных раз­делов.
1. Шахтная атмосфера. В этом разделе рассматриваются из­менения, происходящие в воздухе при его движении по горным выработкам, свойства составляющих шахтной атмосферы, поступ­ление газов в шахтную атмосферу, шахтная пыль как причина взрывов и меры борьбы с ними, тепловой режим шахт и конди­ционирование щахтного воздуха.
7

2. 
   Шахтная, аэромеханика. Здесь рассматриваются законы движения воздуха в шахтах, выделение и перенос газов и пыли вентиляционными потоками, теплообмен между воздухом и гор­ными породами.
   
3. 
   Вентиляция шахт. Раздел включает технические способы и средства обеспечения вентиляции шахт, контроль вентиляции и ее организацию на шахтах. Важной его частью является проек­тирование вентиляции шахт, базирующееся на материалах пре­дыдущих разделов.
   

На многих шахтах процессы вентиляции определяют нагрузки на очистные забои и темпы проведения выработок. Особенностью горного производства являются постоянно меняющиеся условия работ. Горный инженер должен уметь предвидеть эти изменения и в короткие сроки принимать правильные решения по обеспе­чению рабочих мест требуемым количеством чистого воздуха и организации эффективного удаления вредных газов и пыли. В ус­ловиях возникновения таких аварийных ситуаций, как подземные пожары, взрывы, внезапные выбросы газа, принятый вентиляци­онный режим должен обеспечить спасение застигнутых аварией в шахте людей и ее быстрейшую ликвидацию.