Опасна ли рециркуляция при работе вентилятора местного проветривания?

Вентиляция тупиковых горных выработок осуществляется при помощи вентиляторов местного проветривания. Вентилятор устанавливается в выработке, по которой свежий воздух движется за счет общешахтной депрессии. В рабочую зону воздух подается за счет работы вентилятора по вентиляционной трубе. 

Современные правила безопасности устанавливают требование к обеспечению запаса воздуха, подаваемого к всасу вентилятора местного проветривания (ВМП): 

186. … производительность ВМП не должна превышать 70 % количества воздуха, подаваемого к его всасу за счет общешахтной депрессии; … [1] 

151. … Фактическая производительность ВМП не должна превышать 70 % расхода воздуха в горной выработке в месте его установки.… [2] 

Данное требование присутствует во всех редакциях правил безопасности при ведении горных работ, а его история уходит к истокам рудничной вентиляции.  В том или ином виде оно встречается в большинстве учебников по вентиляции шахт.

Данное требование сформулировано еще в 1949 году в трудах основоположников рудничной аэрологии Скочинского А.А. и Комарова В.Б.
Количество засасываемого вентилятором воздуха не должно превышать 30 – 40 % количества воздуха, проходящего по выработке… [3] 

В привычном виде его можно встретить в третьем и здании той же книги.

Количество засасываемого вентилятором воздуха не должно превышать 70 % количества воздуха, подаваемого к вентилятору за счет общешахтной депрессии… [4].

От чего защищает данное требование правил безопасности? Изучая труды по рудничной вентиляции того времени, можно заметить, что в них прослеживается следующая мысль. Вентиляторы должны устанавливаться так, чтобы устранялось засасывание в него испорченного воздуха [4], то есть чтобы исключить рециркуляцию воздуха на вентиляторе местного проветривания.

Первые учебники по вентиляции шахт и правила безопасности разрабатывались на опыте угольных шахт, где любая рециркуляция воздуха была под запретом. И действительно неконтролируемая рециркуляция в пределах горного участка или шахтного поля может вызвать накопление взрывоопасных газов, которое сложно отследить. Данное требование правил безопасности касается рециркуляции в забое, поэтому необходимо оценить насколько опасна рециркуляция в пределах рабочей зоны.

Подробно процесс рециркуляции и накопления концентрации газов при работе вентилятора местного проветривания рассмотрен Ушаковым К.З. [5]. Автор делает вывод о том, что при рециркуляции воздуха на вентиляторе местного проветривания концентрация газов в забое стремится к предельному значению, которое не зависит от количества воздуха в рециркуляционном контуре.

Рассмотрим результаты исследований Ушакова К.З. на конкретном примере, представленном на рис. 1.

Рис. 1. Нагнетательная схема проветривания тупиковой выработки при расположении вентилятора местного проветривания на свежей струе

Рис. 2. Изменение концентрации газа в тупиковой выработке при различной производительности вентилятора

Длина тупиковой выработки 100 м, площадь поперечного сечения составляет 20 м2. Чтобы разбавить газовыделение интенсивностью 1,5 м3/мин до допустимой концентрации 0,5 %, вентилятор должен подавать в тупиковую выработку 6 м3/с воздуха. Тогда согласно требованиям правил безопасности, по выработке, в которой установлен вентилятор, должно идти не менее 8,6 м3/с воздуха. В этом случае концентрация газа после тупиковой выработки концентрация снизится до 0,35 % за счет запаса свежего воздуха, который не забрал вентилятор местного проветривания.

Если к всасу вентилятора подавать воздух без запаса – 6 м3/с, то и в тупиковой выработке, и после нее концентрация газа будет составлять 0,5 %. Таким образом, при отсутствии рециркуляции запас воздуха не влияет на концентрацию воздуха в тупиковой выработке.

На практике встречаются случаи, когда производительность вентилятора местного проветривания превышает количество воздуха, подаваемого к нему, и в тупиковой выработке возникает рециркуляция. Это связано с тем, что вентилятор подбирается для подачи по трубопроводу требуемого количества воздуха в тупиковую выработку при ее максимальной длине. При этом, когда начинается проходка тупиковой выработки и длина трубопровода минимальна, фактическая производительность вентилятора значительно превышает расчетную. Данную проблему можно решить при помощи средств регулирования производительности вентилятора местного проветривания [6], но на практике они до сих пор не получили широкого распространения.

С целью оценки опасности рециркуляции произведено моделирование распространения концентрации газов в тупиковой выработке при постоянном газовыделении и различной производительности вентилятора. Моделирование производилось в программе Аэросеть [7]. Результаты представлены на рис. 2.

Из графиков видно, что от производительности вентилятора местного проветривания зависит только начальная концентрация газов в тупиковой выработке. С течением времени она стремится к предельному значению, которое зависит от количества свежего воздуха, подаваемого на вентилятор. Таким образом, рециркуляция в тупиковой выработке не вызывает накопления газов свыше допустимой нормы, если к вентилятору подается достаточное количество свежего воздуха.

Следует учитывать, что требование по обеспечению запаса воздуха, подаваемого к вентилятору местного проветривания, появилось в те времена, когда количество воздуха, необходимое для проветривания горных работ, рассчитывалось по общешахтной методике [4], а не по забойной [8]. Обще шахтная методика позволяет рассчитать только общее количество воздуха, требуемое для рудника в целом, – по общему числу людей, суточной добыче или суточному расходу взрывчатых веществ. Рассматриваемый пункт правил защищал от неточностей расчета количества воздуха, требуемого для проветривания горных работ, и непредвиденных изменений в вентиляционной сети, которые невозможно оперативно отслеживать из-за не совершенности средств контроля. Когда в правилах безопасности появилось требование о запасе воздуха, подаваемого к вентилятору местного проветривания, контроль движения воздуха осуществлялся только инженерно-техническими специалистами горного предприятия.

Насколько данное требование актуально сегодня? Сейчас есть случаи, когда рециркуляция является одним из эффективных способов проветривания подземных рабочих зон и закладывается на этапе проектирования горных предприятий [9]. При этом она должна быть рассчитана, а такие вентиляционные системы должны предусматривать средства контроля и управления. Следует отметить, что к аналогичным выводам пришли и зарубежные исследователи. Один из выдающихся зарубежных ученых Макферсон M., научные интересы и достижения, которого охватывают широкий круг тем в области шахтной вентиляции, безопасности шахт, добычи полезных ископаемых и экологической инженерии, в своей книге [10] рассматривает схемы управляемой рециркуляции различного масштаба. Он говорит, что наиболее распространено применение контролируемой рециркуляции в забое, отмечая, что при этом забой оборудуют соответствующей системой контроля и блокировок.

На многих современных горных предприятиях выработки оборудуются датчиками контроля горючих и ядовитых газов. Наличие качественного и своевременного контроля состояния атмосферы, позволяет не закладывать данный запас в расчет количества воздуха, необходимого проветривания горных работ. Такое решение позволяет снизить общее количество воздуха, подаваемого в шахту до 50 %.

На руднике Кировский (ПАО «ФосАгро»), который добывает 14,5 млн тонн апатит-нефелиновой руды в год, обоснование возможности исключения запаса воздуха, подаваемого по выработке к вентилятору местного проветривания, позволило снизить суммарную производительность главных вентиляторных уставок при тех же объемах добычи с 1540 до 1180 м3/с. Высвободившееся количество воздуха позволяет ввести в работу еще 4 добычных забоя, за счет которых производительность рудника можно увеличить до 16 млн тонн руды в год [11].

Таким образом, изменение методики расчета количества воздуха, требуемого для проветривания, с обоснованием безопасности при отступлении от данного требования правил является экономически эффективным и безопасным в случае оборудования систем вентиляции тупиковых забоев средствами автоматическими средствами контроля ядовитых и горючих газов и средствами регулирования производительно. Таким образом, изменение методики расчета количества воздуха, требуемого для проветривания, с обоснованием безопасности при отступлении от данного требования правил является экономически эффективным и безопасным в случае оборудования систем вентиляции тупиковых забоев средствами автоматическими средствами контроля ядовитых и горючих газов и средствами регулирования производительно.