1.7 Смена основной парадигмы организации проветривания систем подземных горных выработок
Организация проветривания на первых угольных шахтах была аналогична рудным шахтам, где, казалось, все было отлажено веками. Как правило, при добыче руды разрабатывалась та или иная «жила». Вдоль нее и шли горняки, выбирая руду в коротких тупиковых забоях справа и слева от основного транспортного и воздухоподающего штрека. Последний старались периодически сбить с земной поверхностью шурфом, что вызывало возникновение естественной тяги, за счет которой осуществлялось движение воздуха, а следовательно, и проветривание горных выработок.
Но в угольных шахтах каменный уголь был пористым и содержал большое количество метана и других горючих газов, газа выделялось много, он постоянно шел из угольного пласта, и горняки стремились не оставлять тупиковые забои, которые быстро заполнялись газом, а сбивать их с другими выработками. В результате образовывалось своеобразное «сито-решето», где возникали пути наименьшего сопротивления движению воздуха, по которым он начинал преимущественно двигаться. Часто получалось, что такой путь становился нежелательным байпасом (англ. bypass — обход) для обеспечения проветривания рабочих зон. Преимущественное движение воздуха по байпасу одновременно оставляло другие выработки без проветривания, образуя там застойные зоны. А они были еще опаснее и страшнее из-за накопления в них рудничного газа. Это стимулировало поиск новых технических решений по добыче угля и проветриванию горных выработок угольных шахт.
Горный инженер и смотритель (visor — смотритель, руководитель) за несколькими угольными шахтами Северо-Запада Англии Джеймс Спеддинг (James Spedding; 1720−1788) решил исправить эту ситуацию и ориентировочно в 1760 г. изобрел и внедрил способ организации проветривания, названный им air coursing, что означало движение воздуха одним потоком по некоему маршруту. Этот способ заключался в том, что весь воздух, поступавший через воздухоподающий ствол (англ. Downcast Shaft), организованно направлялся по специальному маршруту через все основные выработки и забои до вентиляционного ствола (англ. Upcast Shaft), где выходил на дневную поверхность.
Таким образом, система организации проветривания Джеймса Спеддинга заключалась в создании единого, длинного и принудительного пути для всего потока свежего наружного воздуха, поступающего в угольную шахту. Это была первая в мире попытка управлять организацией проветривания всей шахты.
Джеймс Спеддинг, как и его отец Карлайл Спеддинг, считались одними из самых опытных и изобретательных «смотрителей шахт» своего времени. Их главной заботой была вентиляция шахт и борьба с рудничным газом, проблемы с которыми с ростом глубины разработок становились все более серьезными. Поэтому система проветривания air coursing была основана на большом практическом опыте ее создателя и возможностях смотрителя, как управляющего шахтой.
Напомним, что в доиндустриальную эпоху шахты проветривались за счет естественной тяги, основанной на разности температур и, соответственно, плотности воздуха в стволах. В период индустриализации в Великобритании начали внедрять для проветривания шахт специальные вентиляционные печи, которые интенсифицировали проветривание за счет нагрева выходящего воздуха в вентиляционном стволе. Это позволило увеличить объемы подаваемого воздуха в шахты на два порядка.
Первые вентиляционные печи той эпохи строили на поверхности, стремясь улучшить их действие, но горняки вскоре поняли, что сжигание угля в подвешенной проволочной корзине внутри воздуховыдающего ствола улучшает проветривание. Более того, чем ниже помещали корзину с горящим углем, тем лучше был эффект. Это быстро привело к строительству вентиляционных печей (furnace) под землей у основания вентиляционного ствола. Поэтому побудителем тяги в одномаршрутной системе Спеддинга стандартно выступала естественная тяга, создаваемая вентиляционной печью. Жар от печи нагревал воздух, он поднимался вверх по стволу, создавая разрежение и «засасывая» свежий воздух через весь проложенный маршрут вплоть до воздухоподающего ствола.
Управление движением воздушного потока, т. е. его «маршрутирование», осуществлялось с помощью двух типов пассивных регуляторов.
Первый тип регулятора — воздушные двери (Air doors), которые устанавливали для того, чтобы воздух не проходил напрямую от воздухоподающего ствола к вентиляционному. Двери можно было открыть для прохода людей и транспортировки добытого угля, но обычно они были закрыты и перекрывали короткие пути для воздуха.
Второй регулятор — постоянные перемычки (Stoppings), которыми полностью перегораживали старые, отработанные участки, чтобы воздух туда не «утекал» и двигался только по нужному маршруту.
Система «маршрутирования потока» Джеймса Спеддинга была огромным шагом вперед по сравнению с хаотичной вентиляцией. Однако к началу XIX в., когда шахты стали глубже, а образующие их горные выработки — протяженнее, она явно продемонстрировала и свои недо статки.
К их числу относилось то, что маршрут движения воздуха через лабиринт выработок всех забоев был очень длинным, и поток воздуха должен был пройти огромные расстояния. Например, в угольной шахте Уокер, при расстоянии между стволами всего в полмили, воздух под землей проходил путь более 30 миль. Это создавало чудовищное аэродинамическое сопротивление, расход воздуха падал, и вентиляция становилась крайне неэффективной.
Кроме того, проходя такой длинный путь, воздух постепенно насыщался рудничным газом (метаном). К тому моменту, как он доходил до вентиляционного ствола, он был уже настолько взрывоопасен, что часто вспыхивал, проходя через вентиляционную печь. Поэтому постоянно существовала угроза взрыва всей шахты.
Был в этой системе и еще один очень важный недостаток — высокая ненадежность системы проветривания, поскольку весь поток зависел от исправности каждой двери и перемычки. Если хоть одна из них выходила из строя, то воздух шел по более короткому пути, и целые участки шахтного поля оставались без проветривания, что вело к катастрофическому скоплению взрывоопасного газа.
К началу XIX в. метод Спеддинга стал неэффективным, но являл положительный пример превосходства регулируемой организации проветривания над стихийной вентиляцией.
Именно эти недостатки системы Джеймса Спеддинга, несмотря на ее достоинства, заставили английского горного инженера Джона Баддла искать новые решения. Джон Баддл (John Buddle, 1773−1843) с детства учился горному делу, поскольку должен был заменить своего отца на важной должности смотрителя (управляющего) большого числа угольных шахт Северо-Востока Англии, что и произошло после смерти его отца.
Баддл быстро понял ограничения системы Спеддинга, преодолел их и нашел в себе силы и упорство совершить революционное преобразование.
Он не просто улучшил старую систему — air coursing (или, что полностью эквивалентно в английском языке — coursing the air), а создал новую систему — splitting the air, основанную на принципиально ином подходе, а именно на разделении воздушных потоков, и внедрил ее в практику в 1810 г. в новой, построенной им с «нуля» угольной шахте G pit в Уоллсенде.
Его идея раздельного (мы сейчас говорим — автономного, независимого) проветривания разных рабочих зон в разных частях шахтного поля была тесно связана другими новациями, а именно с внедрением панельной системы (panel system) раскройки шахтного поля. Это позволило решить много проблем, одной из которых была проблема так называемых ползунов (creeps).
Проблема «ползунов» была связана с тем, что когда под землей вырубали из пласта уголь, оставались целики угля, поддерживающие кровлю. Если давление сверху было слишком велико, эти целики начинали «ползти» — разрушаться и вдавливаться в почву. Это вызывало проседание поверхности, разрушение вентиляционных перегородок и аварии. Для предотвращения разрушения целиков Баддл предложил делить шахтное поле, которое до него рассматривали как единый массив, на отдельные, изолированные друг от друга массивными целиками «панели» (сейчас бы мы сказали — столбы). Теперь устойчивость кровли, пожар, взрыв, проветривание можно было локализовать внутри одной панели и не позволить этим явлениям распространиться на всю шахту.
Таким образом, панельная система и новая система автономной вентиляции работали в тандеме: первая создавала безопасную структуру, а вторая обеспечивала каждый элемент этой структуры свежим воздухом. Эта новая система была названа комбинированной вентиляцией (compound ventilation). Разделение единого воздушного потока на несколько независимых ветвей (splits) резко уменьшило аэродинамическое сопротивление, улучшило подачу свежего воздуха в забои и снизило риски взрывов, локализуя опасные зоны. Однако новая система, предложенная Баддлом, была внедрена далеко не сразу — она противоречила представлениям многих опытных шахтеров, которые опасались, что каждое разделение потока ослабляет общую естественную тягу. Их сопротивление пришлось преодолевать. Но у Баддла были и власть, и средства управляемых им шахт. Однажды внедренная, его система настолько показала свою безусловную эффективность, что быстро распространилась по всей Англии, а затем и по другим странам.
В обеих системах вентиляции, разработанных Спеддингом и Баддлом, всегда было два основных типа стволов, каждый со своим четким названием и функцией — воздухоподающий ствол и вентиляционный (выдающий воздух) ствол. Поскольку шахта проветривалась естественной тягой, то чем она была глубже и обширнее, тем более мощной должна быть вентиляционная печь, создающая тягу. В крупных шахтах это были массивные кирпичные сооружения, потреблявшие тонны угля в сутки.
Таким образом, вентиляционная печь была не просто большим костром, а сердцем всей вентиляционной системы, создающим «естественную тягу», которая заставляла воздух двигаться по сложным системам подземных выработок. Создав свою систему автономного проветривания разных частей шахтного поля, Баддл легко решил и проблему опасности этих печей (из-за насыщенности воздуха взрывоопасным газом на выходе из шахты).
Для этого Джон Баддл решил проветривать шахту так, чтобы одновременно и параллельно напрямую подавать свежий воздух к печам. Он ввел новый вид выработок — «глухие штреки» (dumb drifts), которые шли от воздухоподающего ствола прямо к печам и тем самым отводили для них достаточное количество свежего воздуха. Исходящий из шахты и содержащий горючие газы отработанный воздух обходил печь, попадая сразу в ствол. Продукты сгорания, поступавшие в вентиляционный ствол из печи, в которые шел наружный воздух, были слишком холодными, чтобы воспламенить метан, но все же создавали хорошую естественную тягу в стволе, тем самым вызывая движение воздуха по шахте. Это резко обезопасило работу в шахтах, печи перестали взрываться, причиняя огромный ущерб.
С той поры утвердились два подхода к тому,
Это либо последовательное проветривание всех забоев одной струей, либо параллельное (независимое, автономное) проветривание забоев.
Повторим, что первый подход древнее и чаще применялся на негазовых рудных шахтах, где опасность скопления горючих газов незначительна, но где даже в отдаленных камерах необходимо было добиться возможно более ощутимого движения воздуха.
В условиях высокого выделения метана такая струя накапливала в себе слишком много метана, и подход, предложенный Баддлом, оказался для этих условий лучше. Это подход, требующий параллельного, автономного, обособленного проветривания всех объектов. Он стал доминирующим.
«Согласно основным правилам вентиляции, сложившимся еще в старину, на каменноугольных копях считалось необходимым стремиться в очистных выработках к возможно большему дроблению вентиляционной струи. При разработке тонких пластов угля это был единственный способ доставлять в очистные забои достаточное количество свежего воздуха, не выходя за пределы установленных скоростей для вентиляционных струй»
Сегодня принцип обособленного проветривания закреплен как основной в нормативной документации, а последовательно проветривать разрешается не более двух забоев, и то при определенных условиях. Так парадигма последовательного проветривания сменилась парадигмой автономного независимого параллельного проветривания рабочих зон.
Проветривать разветвленную «многоструйную» систему было сложно, ибо надо было поддерживать баланс между расходами раздельных потоков в разных участках шахты. Поэтому новаторская идея Баддла — разделение воздушных потоков в шахтных выработках — объективно требовала понимания того, как потоки распределяются в зависимости от аэродинамических сопротивлений различных участков вентиляционной сети, и умения рассчитать такое распределение потоков. Но это было решено уже после смерти Дж. Баддла.
Его заслуги перед горной промышленностью были столь велики, что при переносе его тела из дома, где он умер, в церковь для отпевания образовалась колонна людей, пришедших на похороны, длиной в три мили!
С. 415–419.
С. 182 (цитата).
С. 269 (цитата).
С. 269 (цитата).