Аэрология горных предприятий

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2680 

Горный институт
 
Кафедра безопасности и экологии горного производства 

Аэрология горных предприятий

 

Практикум 

Под редакцией Н.О. Калединой 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов РФ  
по образованию в области горного дела в качестве учебного  
пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям 
(специальностям) «Горное дело» и «Физические процессы  
горного и/или нефтегазового производства» 

Москва  2017 

УДК 622.4 
 
А99 

Р е ц е н з е н т  
д-р геол.-минерал. наук, проф. С.Д. Ганова 

Авторы: Н.О. Каледина, В.Д. Косарев, А.С. Кобылкин, Д.А. Мещеряков,  
Л.А. Пучков, О.В. Скопинцева, Г.И. Трофимов, Т.В. Завиркина 

 
 
Аэрология горных предприятий : практикум / Н.О. Каледина 
А99 и [др.] ; под ред. Н.О. Калединой – М. : Изд. Дом НИТУ  
«МИСиС», 2017. – 158 с. 
 

Содержит теоретические основы и методические указания по расчету основных элементов и параметров вентиляционных систем горных предприятий по подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Приведены методические указания по выполнению практических занятий и самостоятельной работы студентов. Описаны методические основы 
проектирования системы вентиляции шахты (рудника) и ее основных элементов, даны расчетные формулы, варианты заданий, указания по выполнению расчетов, вопросы для самоконтроля, список нормативно-методической 
литературы. 
Рекомендуется для проведения практических занятий с преподавателем, 
для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению «Горное дело», «Физические процессы горного и/или нефтегазового производства», а также для подготовки курсовых и дипломных работ. 
Практикум по дисциплине «Аэрология горных предприятий» предназначен для студентов, обучающихся по горным специальностям.  
УДК 622.4 

 


Коллектив авторов, 2017 
НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ......................................................................................................... 6 
1. Расчет депрессии горных выработок .............................................................. 7 
1.1. Основные понятия и теоретические основы расчета ............................. 7 
1.2. Пример расчета ......................................................................................... 8 
1.3. Задание на выполнение работы ............................................................... 9 
1.4. Варианты заданий ................................................................................... 10 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 10 
2. Расчет местных сопротивлений горных выработок .................................... 11 
2.1. Основные понятия и теоретические основы расчета ........................... 11 
2.2. Пример расчета ....................................................................................... 12 
2.3. Задание на выполнение работы ............................................................. 13 
2.4. Варианты заданий ................................................................................... 13 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 13 
3. Расчет естественного воздухораспределения в шахтных 
вентиляционных сетях ....................................................................................... 14 
3.1. Общие положения ................................................................................... 14 
3.2. Примеры расчетов ................................................................................... 16 
3.3. Задания на выполнение работы ............................................................. 19 
3.4. Варианты заданий ................................................................................... 19 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 20 
4. Регулирование распределения воздуха в шахтных вентиляционных 
сетях ..................................................................................................................... 21 
4.1. Общие положения ................................................................................... 21 
4.2. Пример расчета ....................................................................................... 23 
4.3. Задание на выполнение работы ............................................................. 24 
4.4. Варианты расчетов .................................................................................. 25 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 25 
5. Общешахтное регулирование распределения воздуха 
в вентиляционной системе ................................................................................ 26 
5.1. Общие положения ................................................................................... 26 
5.2. Задание на выполнение работы ............................................................. 26 
5.3. Варианты задания 1 ................................................................................ 30 
5.4. Варианты задания 2 ................................................................................ 31 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 31 
6. Расчет вентиляции тупиковых выработок ................................................... 32 
6.1. Методика расчета параметров проветривания тупиковой 
выработки ....................................................................................................... 32 
6.2. Пример выполнения задания ................................................................. 36 
6.3. Варианты заданий ................................................................................... 37 
6.4. Задание для самостоятельной работы ................................................... 39 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 39 

7. Расчет расхода воздуха для шахты (рудника) ............................................. 40 
7.1. Методика расчета общешахтного расхода воздуха ............................. 40 
7.2. Пример выполнения задания ................................................................. 45 
7.3. Варианты заданий ................................................................................... 47 
7.4. Задание для самостоятельной работы ................................................... 48 
Вопросы для самоконтроля........................................................................... 48 
8. Расчет депрессии шахты (рудника) .............................................................. 49 
8.1. Методика расчета депрессии шахты ..................................................... 49 
8.2. Пример выполнения задания ................................................................. 53 
8.3. Варианты заданий ................................................................................... 53 
8.4. Задание для самостоятельной работы ................................................... 55 
Вопросы для самоконтроля  (ответы в письменной форме) ...................... 55 
9. Выбор вентилятора главного проветривания .............................................. 56 
9.2. Пример расчета ....................................................................................... 57 
9.3. Варианты заданий ................................................................................... 57 
9.4. Задание для самостоятельной работы ................................................... 58 
Вопросы для самоконтроля  (ответы в письменной форме) ...................... 58 
10. Расчет аэродинамических параметров выработанных пространств ........ 59 
10.1. Общие сведения. Закон сопротивления и режимы фильтрации 
утечек через выработанные пространства ................................................... 59 
10.2. Методы расчета утечек воздуха через выработанные 
пространства .................................................................................................. 63 
10.3. Расчет утечек воздуха через выработанные пространства 
угольных шахт ............................................................................................... 69 
10.4. Определение количества воздуха, необходимого для 
проветривания выемочных участков, с учетом полезных утечек ............. 71 
10.5. Пример выполнения расчета утечек воздуха через выработанное 
пространство .................................................................................................. 72 
10.6. Варианты заданий для самостоятельного выполнения работы ........ 76 
10.7. Требования к оформлению работы ..................................................... 77 
Вопросы для самоконтроля  (требуются письменные ответы) .................. 80 
11. Анализ микроклиматических условий карьера ......................................... 81 
11.1. Общие положения ................................................................................. 81 
11.2. Основные элементы микроклимата карьеров .................................... 82 
11.3. Пример анализа микроклиматических условий карьера ................... 83 
11.4. Варианты заданий ................................................................................. 88 
Вопросы для самоконтроля........................................................................... 92 
12. Составление розы ветров ............................................................................. 93 

12.1. Порядок построения розы ветров ........................................................ 93 
12.2. Пример выполнения задания ............................................................... 98 
12.3. Варианты заданий ............................................................................... 100 
Вопросы для самоконтроля......................................................................... 100 

13. Расчет рециркуляционной схемы проветривания карьера ..................... 101 
13.1. Параметры рециркуляционной схемы движения воздуха в 
карьере .......................................................................................................... 101 
13.2. Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу карьера ................ 104 
13.3. Расход воздуха, необходимый для проветривания карьера ............ 107 
13.4. Варианты заданий ............................................................................... 108 
Вопросы для самоконтроля ......................................................................... 109 
14. Расчет искусственной вентиляции карьера (разреза) .............................. 111 
14.1. Общие положения ............................................................................... 111 
14.2. Расчет вредных выбросов ................................................................... 112 
14.4. Расчет необходимого количества воздуха для искусственного 
проветривания .............................................................................................. 120 
14.5. Варианты заданий ............................................................................... 121 
14.6. Пример расчета ................................................................................... 122 
15. Расчет годового экономического эффекта от применения 
искусственной вентиляции карьера ................................................................ 129 
Заключение ....................................................................................................... 132 
Библиографический список ........................................................................ 135 
Приложение А. Аэродинамические характеристики вентиляторов ........ 138 
Приложение Б ............................................................................................... 151 
Справочные данные для расчетов аэродинамики выработанных 
пространств .................................................................................................. 151 
Приложение В .............................................................................................. 153 
Справочные данные для расчетов вентиляции карьера ........................... 153 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Дисциплина «Аэрология горных предприятий» является важнейшей составляющей подготовки горного инженера, обеспечивающей 
приобретение профессиональных компетенций в области промышленной безопасности горных предприятий – с подземной и открытой 
разработкой месторождений. В процессе изучения данной дисциплины студенты должны овладеть научными основами вентиляции шахт 
и карьеров, изучить методы и способы проветривания горных выработок при их строительстве и эксплуатации, управления рудничной 
вентиляцией. Практические занятия должны помочь студентам приобрести навыки и умение работать с нормативно-справочной литературой, изучить соответствующие разделы отраслевых правил безопасности и освоить применение содержащихся в них требований 
при решении практических задач вентиляции шахт и карьеров.  
При изучении дисциплины предусматривается самостоятельная 
проработка отдельных тем. Поэтому в данном практикуме приведены методические указания по самостоятельному изучению ряда разделов и вопросы для самоконтроля – в том числе по разделам, изучаемым с преподавателем. Рекомендуемая литература приведена в 
библиографическом списке. 
Практикум предназначен для практических занятий и самостоятельной работы студентов дневного и заочного обучения. 
Авторский коллектив: Н.О. Каледина (разделы 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10), 
А.С. Кобылкин (10, 11, 12), В.Д. Косарев (7, 8, 9, 14), Л.А. Пучков 
(10), О.В. Скопинцева (1, 2, 3, 4, 5, 11, 13), Д.А. Мещеряков (6, 7, 10), 
Г.И. Трофимов (14, 15), Т.В. Завиркина (1, 2, 3, 4, 5) – отдает дань 
уважения и светлой памяти работавшим на кафедре д.т.н., проф. 
К.З. Ушакову, д.т.н., проф. Б.Ф. Кирину, д.т.н., проф. В.В. Силаеву и 
доц. А.Л. Захарову, научные разработки которых вошли в практикум. 
Большую помощь при подготовке практикума к изданию оказал 
к.т.н. Д.И. Савельев.  
 

1. РАСЧЕТ ДЕПРЕССИИ ГОРНЫХ 
ВЫРАБОТОК 

1.1. Основные понятия и теоретические основы 
расчета 

Целью практического занятия является формирование у студентов навыков по расчету депрессии горных выработок с постоянным и переменным расходом воздуха. 
Депрессией в рудничной вентиляции называется разность давлений: разность статических давлений называется статической депрессией, разность скоростных давлений – скоростной депрессией, а разность полных давлений – полной депрессией. В полной депрессии 
соответственно видам сопротивления различают депрессию трения, 
депрессию местного сопротивления и депрессию лобового сопротивления. 
Депрессию трения выработки h рассчитывают по формуле, Па: 

 
2
h
RQ

, 
(1.1) 

где R – аэродинамическое сопротивление трения выработки, Н∙ с2/м8; 
Q – количество воздуха, проходящее по выработке, м3/с. 

Аэродинамическое сопротивление трения выработки R рассчитывают по формуле 

 
3
PL
R
S
 
, 
(1.2) 

где   – коэффициент аэродинамического сопротивления, Н∙с2/м4;  
P – периметр выработки, м;  
L – длина выработки, м;  
S – площадь поперечного сечения, м2. 

Периметр выработки может быть определен через коэффициент 
формы выработки kф: 

 
ф
P
k
S

. 
(1.3) 

Значение kф зависит от формы поперечного сечения выработки: 
для круглой формы kф = 3,5; для прямоугольной kф = 4,21; для арочной kф = 3,85. 

1.2. Пример расчета 

В откаточный штрек лавы, закрепленный арками из спецпрофиля 
типа СВП-17, поступает 15 м3/с воздуха. Расстояние между арками 
0,5 м2, длина штрека 1000 м. Определить депрессию трения выработки, если известно, что при движении воздуха по штреку около 25 % 
его просачивается через выработанное пространство. 
Решение. Депрессию трения выработки рассчитываем по формуле 
(1.1): 
2
h
RQ

, Па. Из табл. 7.14 справочника по рудничной вентиляции [18] для выработок, закрепленных арками из спецпрофиля типа 
СВП-17, и заданного сечения выработки выбираем значение  
 = 15,110–3 Нс2/м4. 
Так как при движении воздуха по штреку имеет место его 25%ная утечка, распределенная по длине штрека более или менее равномерно, то в качестве расчетного количества воздуха Qр, проходящего 
по выработке, возьмем его среднее значение. Если Qнач – начальный 
расход воздуха, Qкон – конечный расход воздуха, то в качестве Qр 
можно принять либо среднее геометрическое значений Qнач и Qкон, 
т.е.  

 
р
нач
кон
Q
Q
Q


, 
(1.4) 

либо среднее арифметическое 

 
р
нач
кон
0,5 (
)


Q
Q
Q
. 
(1.5) 

В руководстве по проектированию вентиляции угольных шахт Qр 
рассчитывается по формуле (1.4). Однако с учетом характера утечек 
воздуха через выработанное пространство при расчете депрессии 
выработки, формула (1.5) дает более точный результат, поэтому воспользуемся формулой (1.5): 

Qнач = 15 м3/с; Qкон = 0,75Qнач = 11,25 м3/с; 

Qр = 0,5(15 + 11,25) = 13,12 м3/с. 

 

По формуле (1.2): 

3

3
15,1 10
3,8 9 1000
172,14
0,24
729
9
R








, Нс2/м8. 

Тогда депрессия трения выработки будет равна:  

 
h = 0,24∙133,122 = 40,65 Па. 

Все результаты следует округлять до второго знака после запятой! 

1.3. Задание на выполнение работы 

На выемочный участок, состоящий из откаточного и вентиляционного штреков и лавы (рис.1.1), поступает Qр м3/с воздуха. При 
движении воздуха по откаточному штреку n % его просачивается 
через выработанное пространство.  
Определить депрессию трения всего выемочного участка, если 
известно, что депрессия последовательно соединенных выработок 
равна сумме депрессий выработок этого соединения. 
Определить депрессию этого же выемочного участка без утечек 
воздуха с откаточного штрека. Сделать выводы.  
Исходные данные по вариантам расчетов приведены в табл. 1.1, 
где n – утечки воздуха, %. 

2

1

3

4

5
 

Рис. 1.1. Схема вентиляции выемочного участка: 
1 – откаточный штрек; 2 – лава (очистная выработка);  
3 – вентиляционный штрек; 4 – выработанное пространство; 5 – пути 
движения утечек воздуха 

1.4. Варианты заданий 

Вариант (номер в первом столбце) определяется по списку журнала группы. 

Таблица 1.1 

Исходные данные для расчетов  

Вариант 

n 
Q 
Откаточный штрек 
Лава 
Вентиляционный 
штрек 

1L  
1S  
3
1 10
 
 
L2
S2
 
3
2 10
 
 
L3
S3
3
3 10
 
 

1 
15 
10 
200 
10,36 
14,9 
200 
6 
110 
200 
7,6 
154 

2 
20 
11 
300 
11,36 
14,9 
180 
7 
120 
300 
7,92 
15,3 

3 
25 
12 
400 
12,14 
14,8 
200 
8 
100 
400 
8,34 
15,2 

4 
30 
13 
500 
12,15 
14,8 
180 
5.5 
125 
500 
8,85 
15,2 

5 
15 
14 
600 
12,71 
14,7 
200 
6 
130 
600 
9,38 
15,1 

6 
20 
15 
700 
12,98 
14,6 
180 
6 
115 
700 
10,36 
14,9 

7 
25 
10 
800 
13,60 
14,4 
200 
7 
110 
800 
11,36 
14,9 

8 
30 
11 
900 
14,20 
14,4 
180 
8 
120 
900 
12,14 
14,8 

9 
15 
12 
1000 
14,49 
14,3 
200 
6 
125 
1000 
12,15 
14,8 

10 
20 
15 
1100 
15,14 
14,3 
180 
7 
115 
1100 
12,71 
14,7 

Вопросы для самоконтроля  
(требуются письменные ответы) 

1. Виды давления в движущемся воздухе. Понятие депрессии. 
2. Режимы движения воздуха в шахтах. 
3. Физический смысл критерия Рейнольдса. 
4. Понятие автомодельности. 
5. Закон сопротивления движению воздуха в горных выработках.  
6. Закон сопротивления движению воздуха в выработанных пространствах.  
7. Природа и виды аэродинамических сопротивлений горных выработок. 
8. Минимальные и максимальные допустимые скорости движения 
воздуха в горных выработках. По каким критериям установлены? 

2. РАСЧЕТ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ 
ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК 

2.1. Основные понятия и теоретические основы 
расчета 

Целью практического занятия является формирование у студентов навыков по расчету местного сопротивления горных выработок, установление соотношений между местным сопротивлением и 
сопротивлением трения. 
К местным относят сопротивления, вызываемые изменениями 
формы, размеров и направления внешних границ потока (расширения, сужения и повороты, вентиляционные окна, места разветвления 
выработок, кроссинги, каналы вентиляторов и др.).  

 

Рис. 2.1. Местное сопротивление 

Если выработка, по которой проходит воздух, изменяет свое 
направление, то в месте поворота сопротивление выработки значительно увеличивается. Это увеличение сопротивления называется 
местным и является функцией угла поворота   (рис. 2.1). Сопротивление, оказываемое поворотом, можно выразить через сопротивление эквивалентной длины 
пов
L
 той же самой выработки. Для 
нахождения эквивалентной длины приравняем местное сопротивление и сопротивление трения между собой. Формула сопротивления 
трения приводилась ранее (1.2). Формула местного сопротивления 
имеет вид, Нс2/м8, 

 
м
2
2
R
S


, 
(2.1) 

где   – коэффициент местного сопротивления, безразмерный;  
 – плотность воздуха, 
Нс2/м4;  
S  – площадь поперечного сечения выработки, м2. 

Тогда 
пов
2
2
2
PL
S
S


 
; 

3

пов
2
2
2
S
S
L
P
PS







. 

Используя (1.3), получим 
пов
ф
2
S
L
k



. 
(2.2) 

Подставим соотношение (2.3) в формулу (2.2) и получим окончательную формулу для решения исходной задачи: 

 

2

пов
ф

0,53
2
S
L
k
 


. 
(2.3) 

Коэффициент местного сопротивления поворота гладкой выработки может быть определен по формуле 

 
2
0,53
 
 , 
(2.4) 

где   – угол поворота, выраженный в радианах, т.е. 

180
 
 



 . 

2.2. Пример расчета 

Найти эквивалентную длину поворота 
пов
L
 штрека сечением 9 м2, 
если известно, что штрек имеет поворот в 60. Коэффициент 
0,015
 
 Нс2/м4, форма штрека сводчатая, плотность воздуха 
1,2
 
 Нс2/м4. 
Решение. Угол поворота, выраженный в радианах, равен 

60
3,14
1,047
180
180
 

 








; 

2
2

м
2
2
0,53
0,53 1,05 1,2
0,02
2
2 9
R
S
 






 
Нс2/м8;
 

2
2

пов
ф

0,53
0,53 1,047
1,2 9
18,35
2
2 0,015 3,8
S
L
k
 








 м. 

2.3. Задание на выполнение работы 

Найти величину местных сопротивлений и эквивалентную длину 
поворотов коренного штрека сечением S , если известно, что он по 
всей длине имеет пять поворотов. Исходные данные для расчетов 
приведены в табл. 2.1, где S  – площадь поперечного сечения выработки, м2;  – коэффициент аэродинамического сопротивления, 
Нс2/м4; 
1,

 
2,

 
3,

 
4,

 
5  – углы поворотов выработки, градус Коэффициент формы выработки 
ф
k  = 3,8. 

2.4. Варианты заданий 

Таблица 2.1  

Исходные данные для расчетов 

Вариант 
S 
103
1
2
3
4
5

1 
5,98 
15,9 
20 
100 
8 
40 
60 

2 
6,83 
15,5 
120 
18 
50 
60 
10 

3 
7,92 
15,3 
28 
45 
60 
30 
110 

4 
8,85 
15,2 
45 
65 
30 
130 
8 

5 
10,36 
14,9 
60 
25 
100 
8 
50 

6 
11,36 
14,9 
20 
120 
18 
45 
65 

7 
12,15 
14,8 
100 
8 
40 
60 
20 

8 
12,99 
14,5 
18 
45 
75 
20 
110 

9 
14,2 
14,4 
40 
75 
20 
100 
8 

10 
15,4 
14,3 
65 
25 
100 
18 
40 

Вопросы для самоконтроля  
(требуются письменные ответы) 

1. Характеристики ограниченных воздушных потоков в выработках. 
2. Характеристика турбулентных свободных струй. 
3. Аэродинамическое сопротивление: понятие, виды, принципы 
их классификации. 
4. Понятие аэродинамической характеристики выработки. 
5. Методы и способы снижения местных сопротивлений выработок.  
6. Методы и способы снижения лобовых сопротивлений выработок. 
7. Методы и способы снижения сопротивления трения горных выработок. 
8. Понятие эквивалентного отверстия.