Минин Иван Вадимович, научный руководитель темы
Минин Вадим Витальевич, советник при ректорате ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ), Екатеринбург
Представлена модернизация вентиляционных систем с использованием российских струйных вентиляторов
ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ) совместно с ОАО «АМЗ «Вентпром» разработали инновационные методы модернизации систем вентиляции для газоопасных рудников, направленные на повышение безопасности и эффективности воздухообмена.
В основе решения — применение струйных вентиляторов российского производства, адаптированных к сложным горно-геологическим условиям.
1. Проблемы вентиляции газоопасных рудников
Газоопасные рудники характеризуются высокими рисками скопления вредных газов (CH₄, CO, NOx, H₂S, SO₂), что требует:
• интенсивного проветривания для снижения концентрации газов;
• локализации загазованных зон (например, после взрывных работ);
• минимизации «мёртвых зон» с застоем воздуха.
Традиционные системы вентиляции (осевые и центробежные вентиляторы) не всегда обеспечивают достаточную гибкость и энергоэффективность, особенно в глубоких и разветвлённых выработках рудников.
2. Решение: струйные вентиляторы российского производства
2.1. Принцип работы.
Струйные вентиляторы создают направленный высокоскоростной воздушный поток, который:
• увеличивает дальность транспортировки воздуха (до 500–1000 м);
• снижает турбулентность и улучшает распределение воздуха;
• позволяет локально разбавлять скопления газов и воздухообмен.
2.1.1. Основные требования к воздухообмену.
2.1.1.1. Подача воздуха для горения.
Дизельный двигатель потребляет ~5–7 м³ воздуха на 1 л топлива (в зависимости от КПД и нагрузки).
Формула расхода воздуха (м³/ч):
Qвозд=Vтопл⋅k⋅n
Vтопл — расход топлива (л/ч), k — удельный расход воздуха
(5–7 м³/л), n — коэффициент запаса (1,2–1,5).
При расходе топлива 10 л/ч и k=6:
Qвозд=10⋅6⋅1,3=78 м³/ч= 0,022 м³/с.
2.1.1.2. Отвод выхлопных газов.
Необходимо удалять 100–120 % от объёма подаваемого свежего воздуха для предотвращения накопления CO и NOx. Рекомендуемая кратность воздухообмена: 10–15 объёмов в час (для протяжённых выработок).
2.2.2. Дополнительные требования.
Концентрация O₂ ≥ 20 об.% (федеральные нормы и правила). CO ≤ 20 мг/м³ (0,0017 % об.), NO₂ ≤ 2 мг/м³.
Температура ≤ +26 °C (при длительной работе).
2.2.3. Способ организации вентиляции. Комбинированная схема (приточная + вытяжная).
2.2.4. Расчёт для подземного применения: двигатель 100 кВт, расход топлива 25 л/ч.
Размер забоя: 10 × 5 × 3 м (150 м³).
Потребность в воздухе:
Qвозд=25⋅6⋅1,3=195 м³/ч=0,0541 м³/с.
Вентиляция для разбавления выхлопа до ПДК:
Qвент=150 м³⋅12 крат=1800 м³/ч=0,5 м³/с принимается наибольшее значение: 0,5 м³/с.
Для безопасной работы дизеля в подземных условиях необходима принудительная вентиляция струйным вентилятором согласно п. 160 федеральных норм и правил, требующему «действующие выработки должны непрерывно проветриваться активной струёй воздуха…» с производительностью не менее 0,55 м³/с в забое (с запасом).
2.2.5 Ключевые преимущества.
Высокая энергоэффективность — меньшее энергопотребление по сравнению с традиционными системами.
Гибкость установки — возможность монтажа в труднодоступных местах и зонах.
Устойчивость к запылённости и влажности — адаптированы к условиям рудников.
Снижение затрат на обслуживание — простота конструкции и долговечность.
3. Модернизация вентиляционных систем
3.1. Основные направления разработок УГГУ и «Вентпрома»:
• оптимизация аэродинамики рудников;
• математическое моделирование воздушных потоков;
• расчёт зон эффективного действия струйных вентиля-
торов;
• интеграция с автоматизированными системами контроля;
• датчики газа + автоматическое включение вентиляторов при превышении ПДК;
• дистанционное управление через SCADA-системы;
• использование комбинированных схем;
• основная вентиляция (центробежные вентиляторы) + локальная струйная подача;
• применение реверсивных струйных вентиляторов для оперативного изменения направления проветривания в аварийных ситуациях.
На газоопасных рудниках Урала внедрены системы с ВСЭ-12 («Вентпром»), которые:
• увеличили скорость воздушного потока на 25–30 %;
• снизили концентрацию газа в «слепых» тупиковых забоях на 40 %;
• позволили сократить количество осевых вентиляторов ВМП, уменьшив энергопотребление.
Экономический и экологический эффект:
Показатель и результат:
• снижение аварийности до 50 % (за счёт предотвращения скопления газов);
• энергосбережение до 20–30 % (оптимизация воздушных потоков);
• срок окупаемости 2–3 года (за счёт снижения эксплуатационных затрат).
Экологическая безопасность: уменьшение выбросов вредных газов в атмосферу рудника.
Совместная разработка УГГУ и «Вентпрома» доказала, что модернизация вентиляции с использованием российских струйных вентиляторов позволяет:
• повысить безопасность за счёт эффективного удаления газов;
• снизить эксплуатационные затраты благодаря энергоэффективности;
• обеспечить гибкость управления воздушными потоками.
Это решение особенно актуально для глубоких и газоопасных рудников, где традиционные методы проветривания недостаточно эффективны вследствие того, что ядовитые газы многократно тяжелее свежего воздуха и не поднимаются вверх общешахтной депрессией от ГВУ, стоящих на поверхности. Планируется разработка модульных вентиляционных комплексов для разных типов выработок шахт и рудников.