Естественная тяга при рудничных авариях

Всюду, где имеются вертикальные или наклонные выработки и разность температур в различных частях этих выработок, образуется естественная тяга, которая в зависимости от направления помогает искусственному проветриванию шахты вентилятором или, наоборот, препятствует ему. В глубоких шахтах естественная тяга может вызывать депрессию до 40—50 мм вод. ст.

Во время рудничных пожаров нагревание воздуха вызывает тепловую депрессию, в несколько раз превосходящую депрессию естественной тяги в нормальных условиях. В усилении естественной тяги температурный фактор играет настолько преобладающую роль, что для решения практических задач другими факторами— изменением химического состава, влажности воздуха и депрессии вентилятора — можно пренебречь. В частности, влияние температуры на ту часть естественной тяги, которая создается благодаря работе вентилятора, уменьшается по мере увеличения температуры. Из курсов вентиляции известно, что дополнительная естественная тяга, создаваемая работой вентилятора, может быть вычислена из формулы:

(8)

где h_в — депрессия, развиваемая вентилятором, мм вод. ст., Н — глубина вентиляционного ствола, м; R — газовая постоянная (29,27); T —средняя абсолютная температура воздуха в вентиляционном стволе.

Из уравнения видно, что с увеличением T значение h_ЕД должно незначительно падать.

Значение естественной тяги, возникающей в результате нагревания воздуха, при отсутствии депрессии вентилятора может быть с достаточной для практических вопросов горноспасательного дела точностью рассчитано по формуле (16) для изотермической атмосферы.

(9)

где P₀ — барометрическое давление у устьев подающей и вентиляционной шахт, мм рт. ст.; Н — глубина шахт, м; R — газовая постоянная; Т_п — средняя абсолютная температура в подающем стволе; Т_в — средняя абсолютная температура в вентиляционном стволе.

Так, например, если в шахте, глубиной 500 м, при барометрическом давлении 760 мм рт. ст. и температуре воздуха в подающем стволе 17°С, воздух в результате подземного пожара придет в вентиляционный ствол со средней температурой 77°, результирующая естественная тяга окажется равной

Другой способ приближенного подсчета естественной тяги в условиях рудничного пожара основан на предложенном докт. технич. наук А. Ф. Воропаевым термодинамическом методе определения работы, производимой воздухом при протекании его по сети подземных выработок.

Депрессия, характеризующая естественную тягу, обычно определяется как разность давлений в двух точках подъемных выработок в одной горизонтальной плоскости; размерность давления в абсолютных единицах (массы М, длины L и времени Т):

(10)

Но физический смысл понятия депрессии и приложении к вентиляции подземных выработок — в эффекте расширения духа — искусственного (вентилятором) или естественного ( ловля депрессия),—связанном с движением воздуха в трехмерном пространстве, вследствие чего путь воздуха должен получить размерность L3.

Умножая давление на путь

(11)

получаем формулу, характеризующую работу, т. е. произведение силы ML/T2 на путь L.

Таким образом, депрессию можно рассматривать как pаботу рудничного воздуха при прохождении по выработкам. Из термодинамики известно, что в общем случае приращение работы выражается уравнением

dQ =p·dυ (12)

Принимая во внимание, что воздух в подающий ствол шахт поступает в небольшие отрезки времени с практически постоянными температурой и удельным объемом, мы можем расcматривать работу Q в качестве происходящей по условно-замкнутом циклу газовой тепловой машины. Для характеристики такой машины, результатом работы которой является перемещение объемов рудничного воздуха, следует отнести приращение объема и давления в процессе прохождения по выработкам к среднем объему перемещаемого воздуха. Тогда работа выразится уравнением

(13)

По закону Гей-Люссака

(14)

где Т — абсолютная температура.

Кроме, того, если γ — удельный вес воздуха принять постоянным для небольших высот воздушного столба, то приращение давления его Δр может быть выражено через высоту воздушного столба H в подающем и вентиляционном стволах (обычно значения их глубин близки):

Δр =γН (15)

Тогда депрессия или работа 1 мл рудничного воздуха может быть выражена уравнением:

(16)

где Т₂ и Т₁ — средние абсолютные температуры воздуха соответственно в вентиляционном и подающем стволах.

Для рассмотренного выше случая получаем:

или мм вод. ст.

Таким образом, результаты, полученные по тому и другому методам, отличаются на величину около 1%.

Естественная тяга, искусственно создаваемая вентилятором, должна учитываться в тех случаях, когда необходимо определить полное влияние увеличения температуры воздуха на усиление депрессии, создаваемой вентилятором.

В этом случае геодезическая высота должна быть заменена пьезометрической высотой, т. е. суммой геодезической высоты и депрессии, создаваемой, при отсутствии тепловой депрессии, вентилятором, отнесенной к среднему удельному весу воздуха:

(17)

При h = 120 мм вод. ст. общая тепловая депрессии в рассматриваемом примере увеличится на 22,5 мм вод, ст.

Таким образом, для учета влияния естественной тяги на результаты вентиляционных маневров необходимо знать средние температуры воздуха в подающем и вентиляционном стволах, глубину расположения очага пожара и депрессию, развиваемую вентилятором. Перечисленные сведения, за исключением температуры воздуха в вентиляционном стволе, можно обычно получить либо из плана ликвидации аварии, либо при сборе информации и получении командиром ВГСЧ боевого задания. Температура воздуха в вентиляционном стволе может быть получена путем ориентировочных подсчетов на основании замеров температуры у устья вентиляционного ствола или в околоствольном дворе.

Учет естественной тяги при принятии решения в отношении вентиляционного маневра в особенности важен в следующих случаях:

Количество воздуха, подаваемого в шахту, должно быть снижено в условиях совпадения естественной тяги с направлением нормальной вентиляции. При значительной величине возникшей в результате нагревании воздуха естественной тяги количество воздуха, подаваемого благодаря последней в шахту, может оказаться достаточным и более чем достаточным даже при полной остановке вентилятора.
В условиях противоположных направлений сильной естественной тяги и нормальной вентиляции снижение количества воздуха, подаваемого вентилятором, должно производиться с большой осторожностью, чтобы не допустить опрокидывания струи.
При необходимости реверсирования струи в условиях совпадения естественной тяги с направлением нормальной вентиляции вентиляционный маневр может не удастся в случаях больших значений тепловой депрессии.
При противоположных направлениях нормальной вентиляционной струи и естественной тяги и необходимости реверсирования первой обращение вентиляционной струи может быть достигнуто остановкой вентилятора.
Наличие тепловой депрессии требует специальных вентиляционных сооружений (противопожарных или аварийных вентиляционных дверей) для осуществления нулевой вентиляиии.

Влияние и направление естественной тяги весьма важно учитывать в тех случаях, когда для перевода иа реверсивную работу вентилятор должен быть на некоторое время остановлен.