Аэродинамика шахтных стволов: движение воздуха, сопротивления и регулировка

Вертикальный шахтный ствол является ключевым элементом вентиляционной сети рудника. От аэродинамических характеристик ствола зависит эффективность проветривания подземных выработок, распределение воздушных потоков по горизонтам и устойчивость вентиляционного режима шахты в целом. Понимание закономерностей движения воздуха в стволах необходимо для правильного проектирования вентиляции и управления рудничной атмосферой.

Движение воздуха в вертикальном стволе

Воздушный поток в шахтном стволе подчиняется законам аэродинамики и гидравлики. Вертикальное расположение выработки создаёт дополнительный фактор — гравитационную (естественную) депрессию, возникающую из-за разности плотностей воздуха в стволе и на поверхности. В зимний период плотность холодного наружного воздуха выше, что усиливает естественную тягу, летом — ослабляет её.

Движение воздуха может быть восходящим (исходящая струя) или нисходящим (свежая струя). Направление определяется вентиляционной схемой шахты и местоположением главной вентиляторной установки. В скиповых стволах, как правило, организовано восходящее движение для выноса пыли и газов. Во вспомогательных и клетевых стволах может применяться нисходящее движение для подачи свежего воздуха на горизонты.

Аэродинамическое сопротивление ствола

Сопротивление движению воздуха в стволе складывается из нескольких составляющих:

• сопротивление трения воздуха о стенки крепи и элементы армировки (зависит от шероховатости поверхности, диаметра ствола и скорости движения воздуха);
• местные сопротивления от расстрелов, проводников, канатов, трубопроводов, лестничных отделений и других элементов.

В процессе эксплуатации сопротивление ствола может изменяться. К факторам, увеличивающим сопротивление, относятся зарастание крепи соляными отложениями (на калийных рудниках), образование наледей, отслоения бетона и деформации армировки.

Депрессия ствола и распределение воздуха по горизонтам

Разность давлений между устьем и забоем ствола (депрессия) определяет расход воздуха, проходящего через ствол. Для многогоризонтных стволов задача усложняется: в сопряжениях с горизонтальными выработками происходит перераспределение воздушных потоков. Часть воздуха уходит на обслуживание горизонта, остальная движется вниз по стволу. Управление распределением воздуха осуществляется за счёт вентиляционных дверей, перемычек и регулирующих окон.

Учёт аэродинамических факторов при проектировании и эксплуатации

Основные аэродинамические параметры ствола (диаметр, скорость воздуха, коэффициент сопротивления) закладываются на стадии проектирования. Однако реальное сопротивление часто превышает расчётное из-за неточности данных о шероховатости и дополнительных местных сопротивлений.

Для действующих стволов регулярно выполняются аэродинамические съёмки — замеры депрессии и расхода воздуха по длине ствола с последующим расчётом фактического сопротивления. Это позволяет выявлять «узкие места» и своевременно принимать меры:

• очистка крепи от отложений;
• ремонт армировки;
• замена отдельных элементов.

Корректный учёт аэродинамических характеристик ствола при проектировании вентиляции и оперативное регулирование воздушных потоков в процессе эксплуатации обеспечивают безопасные условия труда, снижают энергозатраты на проветривание и увеличивают срок службы вентиляционного оборудования.

_{Фото: https://dprom.online/}