CC BY
99
----------------------------------------------- © А. А. Мартынов, 2004
УДК 622.261: 622.413.4 А.А. Мартынов
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД В РЕГУЛИРОВАНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГЛУБОКИХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Семинар № 1
Для глубоких шахт в Украинской части Донбасса сложнейшей проблемой является обеспечение нормальных климатических условий в горных выработках. На достигнутых многими шахтами глубинах 900-1300 м температура рудничной атмосферы в очистных и подготовительных тупиковых забоях без принятия действенных мер по ее снижению может существенно превышать допустимые ПБ нормы.
Тяжелые температурные условия в выработках отрицательно сказываются на заболеваемости и здоровье горнорабочих, обеспечении безопасности работ, производительности труда и технико-экономических показателях работы шахт в целом.
Постановлением совместной коллегии Минтруда, Госнадзорохрантруда, Минздрава, Минуглепрома, ЦК профсоюза работников угольной промышленности Украины шахтам запрещена подготовка новых выемочных участков на глубинах ведения горных работ 1000 м и более без решения вопроса по нормализации теплового состояния рудничной атмосферы.
На основании выполненных в последнее десятилетие аналитических и экспериментальных исследований, полученных научных выводов и практических результатов от внедрения технических решений установлено, что проблема борьбы с высокими температурами в глубоких угольных шахтах Украинской части Донбасса может быть в определенной мере разрешена только при реализации комплексного подхода в регулировании климатических условий в горных выработках глубоких горизонтов.
Комплексное регулирование теплового режима глубоких шахт заключается во внедрении рациональных по тепловому фактору гор-
нопланировочных и технологических решений разработки угольных пластов [1-6] и применении эффективных схем и средств искусственного охлаждения воздуха [7-9]. При этом обязательным условием является дифференциация норм шахтного климата для горных выработок (рабочих зон) с тяжелыми тепловыми условиями и реализация комплексной медикопрофилактической системы охраны труда горняков, работающих в условиях повышенных температур рудничной атмосферы [10].
Эффективными горнотехнологическими решениями по регулированию теплового режима глубоких угольных шахт являются:
• вскрытие глубоких горизонтов дополнительными отнесенными по падению пластов вертикальными воздухоподающими стволами или скважинами большого диаметра [1, 3>, 5]; бурение в отдельных конкретных случаях фланговых вентиляционных скважин большого диаметра для вывода исходящей струи воздуха [4];
• подготовка шахтных полей с обеспечением обособленного проветривания общешахтных и групповых транспортных выработок с конвейерной доставкой угля;
• применение рациональных по тепловому фактору технологических схем и параметров разработки угольных пластов [1, 2, 6];
• применение рациональных по тепловому фактору схем и параметров проветривания глубоких горизонтов шахт, крыльев шахт, блоков, выемочных участков и подготовительных тупиковых забоев[4, 6];
• исключение последовательного проветривания подготовительных тупиковых выработок и выемочных участков [1, 2];
• снижение величины утечек воздуха через выработанное пространство лав и соответственно исключение поступления тепла в дей-
ствующие выработки выемочных участков из зоны выработанного пространства [1, 6];
• осушение воздухоподающих выработок, особенно в пределах выемочных участков, где сопряженные процессы тепломассообмена рудничного воздуха с горным массивом протекают наиболее интенсивно[1, 3];
• применение установок искусственного охлаждения воздуха с размещением холодильных машин (кондиционеров) и комплектующего воздухо- и водоохлаждающего оборудования непосредственно в горных выработках отрабатываемых глубоких горизонтов [79];
• применение теплоизоляции поверхности горного массива в горных выработках.
Указанные выше рациональные с учетом теплового фактора горнотехнологические решения составляют основу комплексного подхода в регулировании теплового состояния рудничной атмосферы в глубоких угольных шахтах.
К настоящему времени многие из указанных выше технических решений практически реализованы в той или иной совокупности на глубоких шахтах им. В.М. Бажанова ГП “Ма-кеевуголь”, им. А.Ф. Засядько, “Глубокая” ш/у “Донбасс” и им. Челюскинцев ГП “Донецк-уголь”, им. Я.М. Свердлова ГП “Свердлован-трацит” и др.
Новыми вертикальными отнесенными по падению разрабатываемых пластов воздухоподающими стволами вскрыты глубокие горизонты на шахтах “Трудовская” ГП “Донецк-уголь” (гор.1060 м), “Красный партизан” (гор.1142 м) и им.Я.М. Свердлова (гор.1200 м) ГП “Свердловантрацит» и др. В качестве одного из последних позитивных примеров такого подхода служит строительство и ввод в эксплуатацию на шахте им. А.Ф. Засядько воздухоподающего ствола №2 глубиной 1235 м, по которому свежий воздух стал непосредственно подаваться на проветривание выработок глубокого горизонта 1170 м и в связи с этим на несколько градусов снизил температуру воздуха, подаваемого на проветривание лав пласта т3.
Бурение скважин большого диаметра (1,24,0 м) глубиной от нескольких десятков метров до 1000 м и более позволило в конкретных условиях решить вопросы не только интенсификации проветривания, но и существенного улучшения теплового режима горных вырабо-
ток на многих шахтах. На 43 глубоких шахтах (600-1250 м) с повышенными температурными условиями в очистных и подготовительных забоях пробурено 56 скважин большого диаметра.
На основании выполненных в последние годы аналитических исследований с большим объемом многовариантных шахтных тепловых расчетов разработаны эффективные с учетом теплового фактора схемы размещения и использования скважин большого диаметра.
Наиболее эффективными по тепловому фактору определены вентиляционные системы с центрально отнесенной по падению пласта воздухоподающей скважиной и с участковыми (секционными) воздухоподающими скважинами [3, 5].
В последние годы скважины большого диаметра пробурены для целей совершенствования вентиляции и улучшения микроклимата в выработках глубоких горизонтов на шахтах “Партизанская”, “Комсомольская”, им.60-летия Советской Украины, “Куйбышевская” и др. Ввод в эксплуатацию двух вентиляционных скважин на шахте им. 60-летия Советской Украины практически полностью исключило формирование высоких температур в лавах глубоких горизонтов, которые ранее достигали 28-30 °С при ведении горных работ на глубинах 820-960 м.
Перевод главных конвейерных уклонов на обособленное проветривание реализован на шахтах “Шахтерская-Глубокая” ГП «Шахтер-скантрацит», им.Я.М.Свердлова ГП «Свердловантрацит», ш/у “Донбасс” ГП «Донецкуголь», ш/у им. Ф.Э. Дзержинского ГП «Ровенькиан-трацит» и многих других [4].
Применение столбовой системы разработки с подачей воздуха к лаве по участковой выработке без конвейерного транспорта и подсве-жением исходящей из лавы вентиляционной струи воздуха во многих случаях обеспечивает существенное улучшение микроклимата как в лаве, так и выработках выемочного участка в целом. В сравнении с другими вариантами технологических схем в аналогичных условиях разработки угольных пластов уровень максимальных температур воздуха в лавах при указанной столбовой системе разработки на 2-3 °С всегда ниже [1, 6].
Для улучшения температурных условий в горных выработках шахтами выполняются в настоящее время в основном горнотехнические
мероприятия по снижению нагрева воздуха, поступающего на проветривание лав и тупиковых подготовительных выработок. Однако осуществление горнотехнических мероприятий в условиях высоких температур горного массива не обеспечивает поддержание температурных условий в пределах допустимых норм.
Холодопотребность только одного выемочного участка, особенно при разработке уклонных полей, на шахтах глубиной 1100-1300 м составляет от 700 кВт до 1000 кВт и возрастает с глубиной. Нормализация температурных условий в таких лавах возможна только на основе реализации комплексных мер с искусственным охлаждением воздуха.
На основании аналитических исследований и многолетнего опыта эксплуатации шахтных стационарных холодильных установок установлено, что наиболее целесообразным направлением в кондиционировании воздуха в действующих глубоких шахтах Украины является применение подземных установок кондиционирования воздуха с водоохлаждающими холодильными машинами мощностью 1-2 Мвт и мобильных передвижных шахтных кондиционеров холодопроиз-водительностью 130-300 кВт [7-9].
Принципиальная технологическая схема установки кондиционирования воздуха для глубокой шахты, например, им. В. М. Бажанова ГП «Макеевуголь», с подземным расположением холодильных машин и комплектующего воздухо- и водоохлаждающего характеризуется следующим.
Холодильная станция, оборудованная подземной холодильной машиной с винтовым компрессором, может размещаться в одной из сбоек между главными откаточными штреками, капитальными уклонами или в других выработках, удовлетворяющих требованиям по размещению холодильного оборудования.
Охлаждение воздуха, подаваемого в лаву, при расчетных значениях холодопотребности должно осуществляться в участковой воздухоподающей выработке с использованием двухтрех воздухоохладителей. При этом один воздухоохладитель размещается непосредственно перед лавой и перемещается по мере подвига-ния очистного забоя с поддержанием предельного отставания 100-150 м.
Теплота конденсации холодильного агента передается исходящей вентиляционной струе с
помощью бесконтактного водоохладителя, размещаемого в вентиляционной выработке.
Данный вариант подземных установок кондиционирования шахтного воздуха, оборудованных холодильными машинами с винтовыми компрессорами, в настоящее время наиболее перспективен для применения в действующих глубоких шахтах Украинской части Донбасса [8].
Проекты установок кондиционирования рудничного воздуха на основе холодильных машин с винтовым компрессором выполнены институтом “Донгипрошахт” для шахты “Глубокая” шахтоуправления “Донбасс” и шахты им. А.А. Скочинского ГП “Донецкуголь”. На шахте “Глубокая” такая установка кондиционирования воздуха эксплуатируется уже на протяжении более 12 лет.
Вместе с тем, изложенные выше технологии кондиционирования рудничного воздуха, горнотехнологические решения и параметры разработки угольных пластов не позволяют полностью нормализовать тепловые условия в выработках на глубинах с естественной температурой горного массива 45-50 °С и выше в соответствии с требованиями ПБ. В связи с этим необходимы принципиально новые технические решения, внедрение которых позволит продолжить глубоким шахтам развитие угледобычи.
В связи с этим определено, что в нормализации теплового режима глубоких шахт перспективной задачей в системе комплексного регулирования климатических условий в горных выработках является разработка и внедрение эффективных технических решений по изоляции выработанных пространств лав и теплоизоляции стенок шахтных выработок для уменьшения теплоотдачи горного массива.
Теплоизоляция необходима для существенного уменьшения теплопритока в рудничную атмосферу из высокотемпературного горного массива (1л = 50 °С и более) с одной стороны, а с другой - снижения потерь выработанного холода и более эффективного его использования в регулировании температуры шахтного воздуха.
На основании анализа известных способов теплоизоляции горного массива в выработках, применения тех или иных теплоизоляционных материалов и устройств [11, 12] и выполненных теоретических исследований разработаны принципиально новые технические решения по
теплоизоляции стенок горных выработок [13, 14 ].
Одним из разработанных способов теплоизоляции стенок горной выработки является упорядоченное размещение эластичных емкостей, заполненных инертной газообразной средой, между элементами арочного крепления горной выработки без загромождения поперечного сечения [13]. Сравнительными тепловыми расчетами участковой воздухоподающей выработки без теплоизоляции стенок и с указанной теплоизоляцией при толщине эластичной емкости с газообразной средой в рабочем состоянии 100 мм установлено, что в последнем случае коэффициент теплоотдачи горного массива уменьшился в 14 раз.
Перспективными технологиями теплоизоляции горного массива в выработках, уплотнения и изоляции выработанных пространств лав является внедрение технических решений по физико-химической обработке горных массивов, обрушенных горных пород и созданию различного типа теплогидроизоляционных полос и уплотнительных теплоизоляционных покрытий на основе быстро вспенивающихся при соединении полимерных материалов [14].
Уплотнительные теплоизоляционные материалы (двухкомпонентные пены) получают в результате соединения двух жидких компонентов: смолы и катализатора. Эти технологии с точки зрения влияния на формирование теплового режима горных выработок в настоящее время еще недостаточно изучены и в связи с этим не получили широкого применения в глубоких угольных шахтах Украины.
1. Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт. КД 12.5.012-94. - Мак-НИИ. - 1994. - 54 с.
2. Бобров А.И., Мартынов А.А., Тулуб С.Б. Компьютерная технология выбора рациональных по тепловому фактору технологических решений разработки пологих пластов глубоких шахт. Горная промышленность на пороге XXI века: Доклады 16-го Всемирного Горного Конгресса. София, Болгария, 1994. Т. 4, - С. 119-124.
3. Мартынов А.А., Андреев ИМ., Большаков П.Я. Управление тепловым режимом глубоких шахт внедрением прогрессивных горнотехнических решений. Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов Мак-НИИ. - 1995. - С. 184-193.
4. Мартынов А А., Миронов Л.Ф., Горовой Е.П. Регулирование температурных условий в выработках глу-
Однако как показали исследования, качественное применение двухкомпонентных полимерных составов при разработке глубоких горизонтов шахт может оказать позитивное влияние на улучшение температурных условий в горных выработках.
Наиболее перспективны следующие технологические системы применения полимерных пен: уплотнение около штрековых бутовых полос или оборудование специальных полос для уменьшения утечек воздуха через выработанное пространство лав; изоляция стенок горных выработок слоем пены с низким коэффициентом теплопроводности в период ее непосредственного создания в закрепленном арочной крепью пространстве. Одним из вариантов последнего является возведение теплоизоляционного покрытия из пены между элементами арочной крепи без загромождения поперечного сечения в свету горной выработки [14].
Выводы.
Решение проблемы регулирования теплового режима глубоких шахт может быть осуществлено только на основе комплексного горнотехнологического подхода с искусственным охлаждением рудничного воздуха в выработках разрабатываемых горизонтов. По мере дальнейшего углубления горных работ в глубоких шахтах неотъемлемой частью реализации комплексного регулирования микроклимата в горных выработках должно являться внедрение технологий теплоизоляции горного массива в выработках и уплотнения (изоляции) выработанных пространств лав.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
боких горизонтов антрацитовых шахт Донбасса. - Уголь Украины, -1996, № 2. - С. 23-26.
5. Батманов Ю.К., Андреев И.М., Мартынов А.А., Большаков П.Я. Подготовка выемочных полей в сложных геотермических условиях. Уголь Украины. - 1997, № 6. - С. 13-18.
6. Мартынов АА. Об улучшении температурного режима шахт. Уголь Украины. - 1999, № 1. - С. 30-34.
7. Яковенко А.К., Мартынов А А. Эффективность передвижных кондиционеров в глубоких шахтах Донбасса. Уголь Украины.- 1996, № 5. - С.18-22.
8. Мартынов А.А., Лунев С.Г., Яковенко А.К., Солдатов В.И., Розенберг А.С. Кондиционирование воздуха в действующих глубоких шахтах Донбасса. - Уголь Украины.- 2002, № 2.- С. 23-26.
9. Мартынов А.А., Яковенко А.К., Мартовицкий А.В. Перспективные системы кондиционирования воздуха в
выработках глубоких шахт. Известия Донецкого горного института. - Донецк: ДонНТУ. - 2001, №2. - С. 91-96.
10. Медицина труда в угольной промышленности. Под редакцией В.В. Мухина. - Донецк, 2000, - 207 с.
11. Воропаев А.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. - М.: Недра, 1979. - 192 с.
12. Божилов В., Петров К. Тепло- и гидроизоляция - эффективное средство улучшения микроклимата в рудниках. Доклады 9-й сессии Международного бюро по горной теплофизике. - Польша: Гливице, 2000 - С. 245255.
13. Мартынов АЛ., Малеев Н.В., Яковенко А.К. Концепция кондиционирования шахтного воздуха. Известия Донецкого горного института: Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля. - Донецк: ДонНТУ. - 2002, №2. - С. 104-108.
14. Мартынов А.А., Малеев Н.В., Захаров В.С., Тулуб И.Б. Перспективы тепло- гидроизоляции и укрепления горного массива в глубоких угольных шахтах специальными двухкомпонентными составами. Известия Донецкого горного института: Всеукраин-ский научно-технический журнал горного профиля. -Донецк: ДонНТУ. - 2003, №2. - С.44-47.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------
Мартынов А.А. - кандидат технических наук, Теруправление Госнадзорохрантруда Украины по Донецкой обл.
------------------------------------- © А.А. Мартынов, Н.В. Малеев,
В.В. Камышан, 2004
УДК 622.413.4
А.А. Мартынов, Н.В. Малеев, В.В. Камышан
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА ОТ ДЕГАЗАЦИИ В СИСТЕМАХ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ШАХТНОГО ВОЗДУХА
Семинар № 1
еблагоприятное тепловое состояние рудничной атмосферы в горных выработках глубоких шахт является одним из основных факторов, сдерживающих развитие добычи угля. Особенно остро эта проблема стоит для шахт в Украинской части Донбасса, на многих из которых глубина ведения очистных и подготовительных работ составляет 900-1300 м. При температурах горного массива на таких глубинах 40-50 °С температура воздуха в выработках без принятия действенных мер по ее снижению может достигать 32-35 °С и более [1].
В настоящее время в связи с указанным ряд наиболее глубоких шахт (им. А.А. Скочинско-го, им. А.Ф. Засядько, им. В.М. Бажанова, «Шахтерская-Глубокая», «Прогресс» и др.) находится в ситуации так называемого «теплового барьера», когда подготовка новых выемочных участков и очистная выемка становятся из-за температурного фактора без решения вопроса нормализации теплового режима горных выработок практически невозможными [2].
Постановлением совместной коллегии Минтруда, Госнадзорохрантруда, Минуглепрома,
