CC BY
16
--© A.A. Богомазов, M.A. Голодов, 2013
УДК 622.25 (06)
А.А. Богомазов, M.A. Голодов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЖЁСТКУЮ АРМИРОВКУ
Произведены измерения температуры воздушной струи в различных частях ствола и на различных глубинах. Выполнены расчёты удлинения расстрелов и проводников в зависимости от температуры, и построены графики. Найдена зависимость суточной амплитуды колебания температур от глубины ствола. Получены сплайн-функции зависимости амплитуд среднемесячных и экстремальных температур от глубины ствола.
Ключевые слова: ствол, глубина, колебания, амплитуда.
Температурный режим стволов шахт характеризуется изменением температуры воздуха в стволе по его глубине в течение суток и года и изменением температуры горных пород, окружающих крепь по глубине ствола и в радиальном направлении.
Тепловое взаимодействие массива, окружающего вертикальный ствол, с воздухом, движущимся по нему при наличии разности температур, представляет собой сложный нестационарный процесс, зависящий от многих факторов. Основными из них являются форма и площадь поперченного сечения ствола, температура, теплофизические свойства и скорость движения воздуха, вид и состояние поверхности крепи, омываемой воздушным потоком, строение вмещающего породного массива, характер изменения во времени температуры поступающего воздуха и др.
Температура атмосферного воздуха, поступающего для проветривания шахт и рудников, изменяется в течение года от максимальных значений в летние месяцы до минимальных зимой. При этом характер изменения температуры поступающего воздуха определяется как метеорологическими условиями района расположения шахт и рудников, так и различными мероприятиями по его подогреву или охлаждению перед подачей в стволы. Наиболее типичным для широкого диапазона условий является гармонический или приведенный к нему закон изменения температуры рудничного воздуха.
Температурные изменения в стволах в ряде случаев являются причинами образования трещин в крепи стволов, нарушения узлов заделки и ухудшения напряженно-деформированного состояния жесткой армировки.
С целью исследования влияния сезонных и суточных колебаний температуры воздуха (на поверхности и различных глубинах в стволах) на напряженно-деформированное состояние жесткой армировки вертикальных стволов были проведенны измерения температуры наружного воздуха и вентиляционной струи в вертикальных стволах различного назначения (вспомогательный, вентиляционный №1, вентиляционный №2 шахты им. М.П. Чиха; воздухоподаю-щие №1 и №2 шахты «Красноармейская-Западная №1» и др.).
Таблица 1
Характеристики теплового режима воздухоподаюших стволов
Характеристика Значения показателя, °С, на глубине
0 м 20 м 100 м 350 м 700 м
Среднегодовая температура 8,3 11,3 11,7 11,8 13
Годовая амплитуда колебаний температуры 31 19,4 16,7 13,6 10,9
Максимальные отклонения среднемесячных 16,2 10,6 9,3 6,9 7,1
температур от среднегодовой
Таблица 2
Экстремальные температуры воздуха, зафиксированные в воздухоподаюших и вспомогательных стволах Донбасса
Характеристика Значения показателя, °С, на глубине
__0 м 20 м 100 м 350 м 700м"
Зафиксированный минимум температур1, °С -14 -6,2 -3,6 0 4,5
Зафиксированный максимум температур2, °С 36 25,5 24,2 23,5 25,1
Амплитуда, °С__50 31,7 27,8 23,5 20,6
Примечания: 1 — аварийный тепловой режим, обмерзание ствола до глубины 350 м. 2 — замеры произведены в августе 2006 г. в период аномальной жары (до +40,1 °С), установившейся в Донбассе.
В результате проведенных замеров были получены графики зависимости температуры от времени, по которым определялись максимальные, минимальные значения температур и суточная амплитуда их колебаний.
При движении воздуха вниз по стволу происходит весьма сложный процесс изменения его параметров в результате действия целого ряда факторов (адиабатическое сжатие воздуха при его опускании, наличие влаги и ее испарение, теплообмен между воздухом и горными породами и т.д.), взаимно влияющих друг на друга.
Воздух опускаясь воздуха в шахтном стволе, в результате самокомпрессии нагревается примерно на 1 °С через каждые 100 м. Следовательно, уравнение для определения температуры воздуха при выходе его из шахтного ствола в выработки околоствольного двора при адиабатическом сжатии воздуха имеет вид
11 = 10 + Н/100, (1)
где 10 — температура воздуха в устье ствола, °С; Н — глубина шахтного ствола, м.
С увеличением глубины ствола температура горных пород обычно повышается. Если эта температура выше температуры поступающего воздуха, то между горной породой и воздухом будет происходить теплообмен, в результате которого опускающийся в стволе воздух будет дополнительно нагреваться.
Температура наружного воздуха, поступающего в ствол шахты, изменяется в довольно широких пределах в течение года и даже суток. Характер периодического изменения температуры поступающего воздуха в шахту в течение года может быть принят в виде гармонического и выражен в заданный момент времени в виде уравнения
1в = 1в ±^еоз-2пТ (2)
в в 365
где /в — среднегодовая температура наружного воздуха, °С; Ш — максимальное отклонение температуры от ее среднего значения, °С; т — время от начала распространения волны, когда температура воздуха равна 1в + Ш, сут.
Результаты исследований тепловых параметров вентиляционной струи по глубине ствола, проводившихся путем непосредственных измерений температуры в воздухоподающих и вспомогательных стволах. Показатели амплитуды годовых колебаний и отклонения температур от среднегодовой на различных глубинах представлены в табл. 1
Исследования и непосредственные замеры температуры в стволах показали, что в течение мая-сентября до глубины 250 м породы нагреваются, а ниже этой глубины охлаждаются под действием температуры движущегося по ним воздуха. В остальные месяцы по всей глубине крепь и породы охлаждаются движущейся струей.
Кроме сезонных колебаний в воздухоподающих стволах отмечаются суточные колебания температуры. При проведении натурных измерений по полученным данным построено поле корреляции и найдена зависимость суточной амплитуды температур ДТсут от глубины ствола Н.
ДТ = 5,08 е°,°052Н.. (3)
сут ' 4 '
По данным исследований видно, что Донбасс характеризуется существенными колебаниями температуры воздуха в течение года. Сезонная амплитуда температур в некоторые годы достигала 64—69 °С, что существенно сказывалось на тепловом режиме воздухоподающих стволов, надежности работы калориферов и всего подъемно-стволового комплекса. В табл. 2 приведены значения зафиксированных минимумов (замеры производились в январе, в том числе и при нарушениях теплового режима) и максимумов (в июле, августе) температур, которые встретились при наблюдении за температурным режимом в стволах Донбасса в период 1995-2006 гг.
Как следует из табл. 2 экстремальные температурные колебания существенно превосходят средние (табл. 1), поэтому температурные нагрузки на конструкции армировки должны учитывать возможность возникновения подобных аномальных тепловых режимов.
Произведем сравнение и найдем зависимости амплитуд средних и экстремальных температур от глубины ствола (рис. 1).
Исследования показывают, что амплитуды колебаний температуры (как средних значений, так и экстремальных) резко и нелинейно снижаются на первых 50 м от устья ствола, после чего снижение становится более медленным и линейным. В общем виде зависимости ДТср = !(Н) и ДТэ = !(Н) могут быть выражены в виде сплайн-функций, состоящих из полинома 3-го порядка (на отрезке 0 — 50 м) и линейной функции (в интервале свыше 50 м): - для амплитуд, рассчитанных по среднемесячным температурам
Г-1 • 10-4Н +1,9• 10-2Н2 -0,858Н + 31,12, V Не [0,50]; дт = <! ь J (6)
ср [-9,4• 10-3Н +17,17, V Не (50, 1000).
о
О 100 200 300 400 500 600 700
Глубина ствола, м
Рис. 1. Графики зависимости амплитуд среднемесячных Л Тср н экстремальных Л Тэ температур от глубины ствола Н
- для амплитуд, рассчитанных по экстремальным (пиковым) температурам: -2 • 10-4Н3 + 3 • 10-2н2 -1,392Н + 50,25, V н е [0,50];
дт =
[-1,07• 10-2Н + 27,6, V Не (50, 1000).
(7)
Полученные зависимости с высокой степенью точности отражают результаты исследований, коэффициент корреляции для уравнений (6) и (7) находится в пределах К2 = 0,96 — 0,99.
Как видно из исследований тепловые параметры вентиляционной струи в воздухоподающих стволах зависят в первую очередь от температуры поступающего в шахту воздуха, его сезонных и суточных колебаний. Температура воздуха в воздухоподающих стволах Донбасса при соблюдении требований ПБ к тепловому режиму изменяется в течение года в широких пределах: от 2,5 до 23 °С. При возникновении аварий в работе калориферов нарушается тепловой режим, при этом в стволах наблюдаются отрицательные температуры (от -14°С на нулевой раме до 0°С на глубине 350-400 м). В этих случаях зафиксировано обледенение крепи стволов до глубины 200 м (в Российском Донбассе) и до 400 м (в Украинском Донбассе).
Следовательно, на жесткую армировку воздухоподающих стволов оказывают влияние сезонные перепады температур, которые вызывают изменение длины расстрелов и проводников. Удлинение (укорочение) расстрелов при экстремальных температурных перепадах может достигать 5,5 мм, а проводников — 7,5 мм. Величиной возможного изменения длины элементов армировки определяется необходимый температурный зазор на стыках проводников или дополнительная величина податливости расстрелов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокопов А.Ю. Дифференцированный подход к проектированию армировки шахтного ствола // Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2000. — С. 98-103.
2. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Богомазов А.А. Комбинированное использование анкерных конструкций для крепления элементов армировки и упрочнения бетонной крепи ствола// Изв. вузов. Сев.-Кавк.
регион. Техн. науки. — 2006. — Спец. выпуск. Совершенствование техники и технологии угледобычи. — С. 63 — 66.
3. Исследование влияния температурных колебаний на состояние жесткой ар-мировки воздухоподающих стволов// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Издательство Московского государственного горного университета. № 11 - 2009 — с 310. 5Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Богомазов Александр Александрович — кандидат технических наук, доцент, sbog@rambler.ru,
Голодов Максим Александрович— кандидат технических наук, доцент
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Л
ГОРНАЯ КНИГА -
Маркетинг в горной промышленности
В. А. Бурчаков 2013 г. 272 с.
ISBN: 978-5-98672-339-6 UDK: 622.013:65.012.2
Приведены базовые положения современного маркетинга и методы его использования на современных предприятиях горной промышленности. Рассмотрены теоретические и методологические вопросы по организации маркетинговых исследований, проведению сегментации рынка, позиционированию производимой продукции, ценообразованию и т.д. Изложен круг проблем, определяющих маркетинг горно-добывающих предприятий, методы его реализации на рынке горной промышленности, конкурентоспособность горных предприятий, дан анализ тенденций и перспектив развития мирового рынка угля и углеэкспорта.
Бурчаков В.А. — профессор кафедры «Экономика и планирование горного производства» Московского государственного горного университета.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 080100 «Экономика» (профиль «Экономика и планирование горного производства»).
