Що таке шахтний вентилятор? Базові поняття вентиляторів шахтної вентиляції

Що таке шахтний вентилятор? 

шахтний вентилятор (також: вентилятор шахтної вентиляції, гірничий вентилятор, вентилятор для підземних гірничих робіт) — це великий промисловий вентилятор, який подає свіже повітря через підземну шахту або тунель. Його основне завдання — забезпечувати достатню кількість чистого повітря, розбавляти й відводити пил та шкідливі гази, регулювати температуру й вологість і підтримувати безпечні умови праці для гірників.

Без правильно спроєктованої та керованої вентиляції у підземних шахтах швидко накопичуються метан, дизельні вихлопи, продукти підривних робіт і респірабельний пил, що створює серйозні ризики вибухів, отруєнь та довготривалих захворювань легень.

Чому вентилятори критично важливі у гірничодобувній промисловості

Сучасні підземні шахти спираються на систему шахтної вентиляції, яка включає:

• Приточні та витяжні виробки

• Стволи та підняттєві виробки

• Перемички, двері, регулятори та вентиляційні повітроводи / рукави

• А також потужні вентилятори, які забезпечують рух повітря у мережі

Рисунок: Спрощена система вентиляції підземної шахти з приточним стволом, головним вентилятором на поверхні, місцевими вентиляторами на забоях та поверненням повітря через витяжний вентиляційний ствол.

Вентилятори шахтної вентиляції — це «двигун» цієї системи. Вони:

• Нагнітають або відсмоктують повітря між поверхнею та підземними виробками

• Розбавляють метан, дизельні вихлопи, продукти підривних робіт та інші шкідливі гази до безпечних рівнів

• Контролюють запиленість на вибоях і в місцях навантаження

• Відводять тепло і вологість, що утворюються від породи, обладнання та глибоких робіт

• Підтримують швидкість повітряного потоку так, щоб забруднення не накопичувалися у застійних зонах

Тому правильно спроєктована система вентиляторів є однією з найважливіших складових управління безпекою шахти.

Основні типи вентиляторів шахтної вентиляції

У вентиляційній інженерії шахт вентилятори зазвичай класифікують за призначенням і місцем встановлення, а не за брендом.

1. Головні (первинні) вентилятори

Рисунок: Станція головного вентилятора на поверхні, що забезпечує повітрообмін для підземних виробок шахти.

Головні вентилятори (або первинні вентилятори) — це великі вентилятори високої продуктивності, встановлені на поверхні, зазвичай біля головного ствола або штольневого входу. Вони створюють основний тиск і витрату повітря для всієї вентиляційної мережі шахти.

Типові особливості:

• Встановлюються на поверхні у вентиляторному будинку або бетонній споруді

• Часто працюють у схемі «робочий + резервний» для надійності

• Оснащуються глушниками, дифузорами та вхідними конусами для підвищення ефективності

• Приводяться в дію потужними електродвигунами, часто з частотним регулюванням (ПЧ)

2. Підсилювальні вентилятори

Рисунок: Підземний підсилювальний вентилятор у штреку для підвищення тиску та подачі повітря на віддалені дільниці.

Підсилювальні вентилятори — це вентилятори, встановлені під землею послідовно з головним вентилятором. Їх застосовують у глибоких шахтах або в шахтах із великим аеродинамічним опором вентиляційної мережі для підвищення тиску на окремій ділянці мережі та подачі повітря на віддалені дільниці.

Оскільки підсилювальні вентилятори змінюють розподіл тиску, їх проєктування й керування мають відповідати суворим правилам безпеки, щоб уникнути реверсу потоків або небезпечного накопичення газів.

3. Допоміжні та вентилятори місцевого провітрювання

Рисунок: Допоміжний вентилятор із гнучким повітроводом, що подає свіже повітря безпосередньо в прохідницький забій.

Допоміжні вентилятори і вентилятори місцевого провітрювання — це вентилятори меншої потужності, які застосовують для провітрювання прохідницьких вибоїв, очисних дільниць та тупикових виробок, що не знаходяться безпосередньо в основному повітряному потоці.

Зазвичай вони:

• Розміщуються біля входу в забій або у внутрішніх виробках углиб шахти

• Під’єднуються до жорстких або гнучких вентиляційних повітроводів

• Подають свіже повітря безпосередньо до робочого вибою та розбавляють пил і гази/дим від буріння, підривних робіт і навантаження

У вугільних шахтах також часто використовують вибухозахищені місцеві вентилятори у поєднанні з довгими повітроводами для провітрювання вибоїв.

Осьові та відцентрові вентилятори шахтної вентиляції

З аеродинамічної точки зору більшість вентиляторів шахтної вентиляції належать до двох основних груп.

Осьові вентилятори

• Повітря входить і виходить паралельно валу вентилятора

• Велика витрата повітря за відносно низького або середнього тиску

• Компактна конструкція, зазвичай з циліндричним корпусом і регульованим кроком лопатей

• Широко застосовуються як головні, підсилювальні та допоміжні вентилятори у рудних і вугільних шахтах

Осьові вентилятори добре підходять для:

• Довгих виробок із помірним опором

• Випадків, де важливі ефективність і можливість керування режимом роботи

• Реверсивної вентиляції, корисної для аварійного димовидалення

Відцентрові вентилятори

• Повітря входить біля центру робочого колеса і виходить радіально, повертаючи на 90° всередині корпусу

• Менша витрата повітря, але вищий тиск, ніж у осьових вентиляторів

• Часто застосовуються за високого опору вентиляційної мережі або коли потрібна особливо міцна конструкція

На практиці вибір між осьовим і відцентровим вентилятором залежить від:

• Потрібної витрати повітря (м³/с або м³/год; в деяких країнах — CFM)

• Повного тиску (Па або кПа)

• Кривої опору системи (включно з коефіцієнтом опору Аткінсона)

• Обмежень за шумом, цільової ефективності та доступного місця для монтажу

Ключові технічні параметри вентилятора

Під час проєктування або вибору вентилятора шахтної вентиляції інженери зосереджуються на кількох базових параметрах:

• Витрата повітря (Q)
  Об’єм поданого повітря, зазвичай у м³/с або м³/год (або CFM у деяких країнах).

• Повний тиск / статичний тиск (Pt, Ps)
  Підвищення тиску, яке створює вентилятор для подолання опору стволів, виробок, повітроводів і витоків через перемички. Часто виражається у Па або кПа.

• ККД (η)
  Співвідношення повітряної потужності до потужності на валу. Вищий ККД знижує витрати на енергію протягом строку служби шахти.

Рисунок: Карта характеристик осьового вентилятора (статичний тиск залежно від витрати повітря), із лініями ККД та кутами кроку лопатей.

• Характеристика вентилятора
  Залежність між витратою повітря і тиском за заданої швидкості обертання. Перетин із кривою опору системи визначає робочу точку.

• Потужність і швидкість
  Потужність двигуна (кВт; за потреби — к.с.) і швидкість вентилятора (об/хв) мають відповідати вентиляційному навантаженню, вартості енергії та способу пуску (прямий пуск, плавний пуск, частотний перетворювач/ПЧ).

• Шум і вібрація
  Важливі як для комфорту працівників, так і для конструктивної безпеки; часто контролюються глушниками, гнучкими вставками та вібропоглинальними опорами.

Безпека та вибухозахист

Оскільки вентилятори шахтної вентиляції безпосередньо впливають на атмосферу під землею, на них поширюються суворі стандарти та настанови з безпеки.

Ключові аспекти включають:

• Вибухозахист
  У газонебезпечних вугільних шахтах і деяких рудниках головні та місцеві вентилятори можуть потребувати вибухозахищеного виконання та електродвигунів у виконанні Ex, щоб уникнути джерел запалювання в потенційно вибухонебезпечній атмосфері.

• Надійність і резервування
  Схеми «робочий/резервний», автоматичне перемикання та аварійне живлення допомагають підтримувати повітрообмін навіть у разі відмови вентилятора або лінії електроживлення.

• Моніторинг і керування
  Сучасні шахти використовують датчики й системи керування для безперервного контролю:

• Швидкості обертання, струму та рівнів вібрації

• Диференціального тиску на вентиляторі

• Витрати повітря, концентрації газів і температури в приточних та витяжних виробках

• Процедури пуску та зупинки
  Зміна режиму роботи вентилятора може суттєво змінити розподіл повітря; нормативи зазвичай вимагають оцінки ризиків і процедур експлуатації для планових зупинок.

Типові сфери застосування вентиляторів шахтної вентиляції

Вентилятори шахтної вентиляції використовуються майже в усіх видах підземних робіт:

• Вугільні шахти – головні та підсилювальні вентилятори для загальношахтної вентиляції; вибухозахищені місцеві вентилятори для лав і прохідницьких вибоїв.

• Рудні та нерудні шахти – головні вентилятори для систем зі стволами та похилими виробками, а також допоміжні вентилятори для похилих виробок і очисних камер.

• Тунелі та підземні будівельні роботи – осьові вентилятори й повітроводи для автодорожніх, залізничних та гідротехнічних тунелів, часто за схемою, подібною до місцевого провітрювання.

• Контроль пилу та димів – поєднання вентиляції з пилопригніченням/фільтрацією для зменшення респірабельного пилу та дизельних аерозолів.

Правильний вибір і розміщення вентилятора може суттєво знизити енергоспоживання, водночас забезпечуючи потрібну якість повітря під землею.

Як вибрати вентилятор (погляд інженера)

Професійний процес підбору зазвичай включає:

1. Визначити вентиляційну потребу

• Необхідну витрату повітря для кожної дільниці та для шахти в цілому

• Нормативні мінімуми за категоріями: на працівника, на дизельне обладнання, на вибій тощо

2. Побудувати або оновити модель вентиляційної мережі

• Довжини виробок, перерізи та коефіцієнти опору (зокрема коефіцієнт Аткінсона)

• Перемички, регулятори, двері, шляхи витоків

3. Вибрати тип вентилятора та конфігурацію

• Осьовий чи відцентровий вентилятор

• Один вентилятор, два вентилятори паралельно або послідовно

• Схема «робочий/резервний», за потреби — підсилювальні вентилятори

4. Перевірити робочі точки та характеристики вентилятора

• Забезпечити стабільну роботу близько до пікової ефективності

• Закласти запас для майбутнього розвитку гірничих робіт

5. Перевірити безпеку, шум та відповідність стандартам

• Вимоги вибухозахисту (де застосовно)

• Місцеві правила та настанови щодо вентиляції

6. Спланувати моніторинг і керування

• Використання частотних перетворювачів (ПЧ) для точного регулювання потоку та економії енергії

• Інтеграція з шахтною системою диспетчеризації SCADA/АСУ ТП, якщо вона використовується

Кінцевий вибір підтверджують розрахунком вентиляційної мережі та перевіркою робочої точки на характеристиці вентилятора, з урахуванням резервування та вимог безпеки.