CC BY
49
© А.А. Мартынов, Н.В. Малеев, В. В. Миминошвили,
А. М. Морев, 2004
УДК 622.418
А.А. Мартынов, Н.В. Малеев, В.В. Миминошвили,
А.М. Морев
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ВЫБОР ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ В ВЫРАБОТКАХ ГЛУБОКИХ ШАХТ
Семинар № 4
Освоение глубоких горизонтов угольных шахт Украинского Донбасса связано с решением серьезной проблемы регулирования температурных условий в горных выработках.
Тепловой режим глубоких шахт формируется под влиянием сложных процессов тепло -и массообмена между горным массивом и вентиляционной струей при воздействии целого ряда дополнительных факторов. Наиболее неблагоприятные климатические условия наблюдаются в тупиковых подготовительных забоях и выработках выемочных участков на шахтах глубиной 1000 м и более.
Основными источниками теплоприращения воздуха в выработках являются горный массив, выемочное и транспортное электрооборудование, транспортируемое ископаемое, в обводненных выработках - шахтная вода. В тепловом балансе лав и вентиляционных выработок выемочных участков существенную долю составляют теплопритоки из выработанного пространства.
Широкий диапазон горно-геологических и горнотехнических условий отработки запасов угля на шахтах предопределяет применение большого числа технологических схем и параметров разработки пластов.
На основании исследований установлено, что степень проявления теплового фактора в выработках выемочных участков во многом определяется комплексом технологических решений отработки пластов и прежде всего системой разработки, схемой и параметрами проветривания, способом управления горным давлением, местом размещения основного участкового электрооборудования, рядом других
параметров (длина выемочного поля, длина лавы и др.) [1, 2]. Оптимизация указанных горнотехнических решений по тепловому фактору в конкретных условиях разработки угольных пластов, обоснование эффективных способов и средств регулирования теплового режима, в том числе и искусственного охлаждения воздуха, возможны только на основе выполнения трудоемких вариантных тепловых расчетов горных выработок.
Фундаментальные исследования тепломассообмена в горных выработках, выполненные основоположниками научной школы горной теплофизики А.Н. Щербанем, О. А. Кремневым, А.Ф. Воропаевым, Ю.Д. Дядькиным, позволили разработать научные основы прогноза и регулирования теплового режима глубоких шахт. За основу тепловых расчетов рудничного воздуха признано решение задачи нестационарной теплопроводности горного массива при теплообмене между вентиляционной струей и стенками выработки. Дальнейшее развитие исследования по проблеме теплового режима шахт получили в ИТТФ НАН Украины, ИГТМ НАН Украины, МакНИИ, ДГТУ, ДонУГИ и других институтах и организациях. В результате был разработан руководящий нормативный документ для проектных организаций и специалистов угольных шахт, занимающихся вопросами прогноза и регулирования теплового режима “Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах” [3].
На основании выполненных в последующий период (после утверждения “Единой методики...” [3]) теоретических и экспериментальных исследований в области тепломассо-переноса в выработках глубоких шахт, тепло-
притоков из выработанного пространства лав при различных способах управления кровлей, уточнения тепловыделений от ряда местных источников были разработаны “Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт” и “Экспресс-методика прогнозирования температуры воздуха в выработках глубоких шахт”. Разработка этих отраслевых нормативных документов была весьма актуальной, так как с переходом горных работ на более глубокие горизонты существенно возросла в тепловом балансе выработок выемочных участков доля теплопритоков из выработанного пространства лав. Последняя для глубоких горизонтов шахт Донецкого бассейна составляет 28-68 %. Величина теплопритоков определяется температурой горного массива, утечками воздуха и зависит от системы разработки, способа управления горным давлением, схемы и параметров проветривания выемочного участка.
С углублением горных работ в Донбассе и имеющимся дефицитом высокопроизводительной шахтной холодильной техники все большее внимание стало уделяться шахтами оценке горно-планировочных и технологических параметров отработки выемочных участков по тепловому фактору.
На основании выполненных систематизированных специальных исследований по оценке технологических схем и параметров разработки угольных пластов на больших глубинах с учетом теплового фактора МакНИИ совместно с ДонУГИ разработано “Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт” (КД 12.5.012-94) [4]. В указанном “Руководстве...” изложены основные требования по учету теплового фактора при проектировании горных работ на больших глубинах, дана классификация технологических схем, обоснованы условия и область применения технологических схем и параметров разработки пологих пластов с учетом теплового фактора.
Для ИТР шахт и проектных организаций, занимающихся тепловыми расчетами выработок выемочных участков и оценкой по тепловому фактору технологических схем разработ-
Рис. 1. Укрупненная блок-схема компьютерной программы выполнения тепловых расчетов выемочных участков угольных шахт
ки угольных пластов, параметров горных работ и разработкой обоснованных мер по нормализации тепловых условий в очистных забоях, разработана компьютерная технология для персональных ЭВМ, совместимых с IBM [5]. Выполнение тепловых расчетов необходимо при разработке проектов новых и реконструируемых шахт, определении перспективных программ развития горных работ по пластам, планировании ввода в эксплуатацию новых выемочных участков, выборе практических мер по улучшению теплового состояния шахтной атмосферы в выработках глубоких горизонтов. Укрупненная блок-схема компьютерной программы теплового расчета выработок выемочных участков угольных шахт показана на рис. 1.
Программа разработана на базе указанных выше действующих в угольной промышленности нормативных документов по прогнозированию температурных условий в горных выработках.
Область применения разработанной программы тепловых расчетов горных выработок на ПЭВМ распространяется на шахты, разрабатывающие пологие и наклонные угольные пласты.
Разработанная компьютерная программа позволяет с достаточной степенью точности решить следующие задачи: выполнить прогноз температуры воздуха в выработках выемочного участка при естественном режиме формирования климатических условий и применении искусственного охлаждения; определить холо-допотребность лавы; рассчитать необходимую
холодильную мощность оборудования для нормализации теплового режима в выработках в соответствии с требованиями Правил безопасности. Возможно также установить температуру притока воздуха из выработанного пространства лавы, рассчитать величину поступления тепла из него непосредственно в лаву и на вентиляционный штрек.
Внедрение компьютерной технологии прогноза температурных условий в выработках выемочных участков обеспечивает возможность оперативного выполнения оценки по тепловому фактору горнотехнических решений и параметров разработки угольных пластов на глубоких горизонтах: системы разработки; направления перемещения очистного забоя; способа управления горным давлением; схем проветривания выемочного участка и лавы; способа и средств охраны участковых выработок; расхода воздуха на выемочном участке; механизации очистных работ; длины выемочного поля, лавы; нагрузки на очистной забой и др.
Компьютерная программа позволяет в кратчайшие сроки установить целесообразные практические действия шахт по улучшению и нормализации температурных условий в очистных забоях, в том числе с применением искусственного охлаждения воздуха на выемочных участках. При этом определить параметры охлажденного воздуха, необходимую холодильную мощность средств охлаждения, оптимальную расстановку воздухоохладителей в участковых штреках. Из специальных мер программа позволяет для конкретных условий произвести оценку осушения участковых воздухоподающих выработок, уменьшения (локализации) выноса тепла утечками воздуха из зоны выработанного пространства и ряда других мероприятий.
Результаты практического использования компьютерной технологии на ряде шахт с глубиной разработки угольных пластов 800-1300 м показали ее надежную работоспособность, точность и достоверность выполняемых прогнозных тепловых расчетов, преимущества оптимизации параметров разработки пластов по тепловому фактору. Обоснованный выбор рациональных с учетом теплового фактора технологических схем в конкретных условиях разработки пластов обеспечивает минимальные холодопотребности очистных забоев и затраты на кондиционирование воздуха.
Программа проста в использовании, не требует от потребителя специальных навыков и
знаний сложной теории тепломассообменных процессов в горных выработках. При выполнении тепловых расчетов с использованием данной программы на ПЭВМ требуется лишь правильный выбор и ввод исходных данных, характерных для шахты и выработок выемочного участка. Выполнение прогноза температуры воздуха в выработках, выбор целесообразных технологических решений и параметров разработки угольных пластов по тепловому фактору с использованием данной компьютерной программы характеризуется быстротой получения результатов.
Компьютерная технология в настоящее время внедрена в Донецком бассейне на целом ряде глубоких шахт. Положительные результаты внедрения и отзывы о использовании компьютерной программы позволяют рекомендовать ее для более широкого применения работниками угольной промышленности, занимающихся решением проблемы борьбы с высокими температурами воздуха в шахтах.
Особенно актуально использование данной компьютерной технологии при проектировании и внедрении на шахтах средств искусственного охлаждения воздуха.
На Украине в ОАО “Холодмаш” (г. Одесса) завершается выпуск опытного комплекса холодильного оборудования для кондиционирования шахтного воздуха, включающего водоохлаждающую холодильную машину с винтовым компрессором мощностью 1000 кВт. Внедрение данной опытной установки кондиционирования шахтного воздуха предусмотрено на шахте им. А.А. Скочинского ГХК «Донуголь» в соответствии с проектом, выполненным Дон-гипрошахтом. В качестве холодильного агента в машине будет использоваться хладон К22. Ориентировочные сроки ввода в эксплуатацию опытной установки кондиционирования воздуха ша шахте им. А.А. Скочинского и последующего начала серийного выпуска в Украине холодильных машин мощностью 1 МВт 20032004 гг.
В период до освоения серийного выпуска отечественных холодильных машин большой производительности для шахтных условий эксплуатации кондиционирование воздуха в действующих высокотемпературных шахтах Донбасса может осуществляться по проектам на основе применения шахтного холодильного оборудования, выпускаемого зарубежными фирмами. Тепловые расчеты и обоснования в проектах могут успешно выполняться по приведенной
выше компьютерной программе, учитывающей все многообразие особенностей разработки угольных пластов в Украинском Донбассе.
Фирмами Германии для подземных условий эксплуатации выпускаются водоохлаждающие стационарные и полустационарные холодильные машины в широком диапазоне производительности.
Холодильная мощность машин с винтовым компрессором, выпускаемых фирмой «Gesell-schaft fur Warmetechnik”(GFW, Германия), для подземного размещения составляет 925-2600 кВт. Сбалансированность винтового компрессора позволяет обходиться при монтаже холодильных машин без массивного фундамента, чем значительно упрощается и удешевляется установка таких машин в шахтах. Машины обеспечивают охлаждение воды до 3 °С, что позволяет передавать значительные холодильные мощности по трубопроводам хладоносителя с небольшими диаметрами труб.
Фирмой «Wende und Malter» (Германия) для подземного размещения выпускаются водоохлаждающие холодильные машины холодильной мощностью 1000-2150 кВт.
Кроме рассмотренных выше холодильных машин фирмами Германии и Польши выпускаются водоохлаждающие холодильные машины типов EWDK, WK и WKM холодопроизводи-тельностью от 290 кВт до 750 кВт. Машины снабжаются поршневым компрессором, компонуются в двух или трех агрегатах и размещаются на отдельных сварных рамах-салазках. Агрегаты не требуют строительства фундаментов при установке в горных выработках. Холодильные машины охлаждают воду до температуры 3-6 °С и рассчитаны для работы при температуре конденсации 53 °С. Холодная вода, получаемая при работе машин, подается к штрековым или лавным воздухоохладителям. Эта же вода может использоваться для охлаждения конденсаторов холодильных машин с непосредственным охлаждением воздуха. Конденсаторы водоохлаждающих машин охлаждаются оборотной водой.
Штрековые воздухоохладители, выпускаемые в Украине типа АРВЭ, фирмами Германии и Польши, обеспечивают потребность выемочных участков и подготовительных выработок в широком диапазоне условий. Воздухоохладители отличаются материалом теплообменных трубок и элементов оребрения, видом оребрения и компоновочными решениями. Повышение эффективности воздухоохладителей достигается преимущественно за счет совершенствования теплооб-
менных элементов. Для очистки загрязненных поверхностей теплообмена воздухоохладители снабжаются встроенными оросительными форсунками, которые обычно включаются через заданные промежутки времени.
Для передачи холода от холодильных машин до воздухоохладителей оборудуются протяженные и разветвленные сети трубопроводов хладоносителя. В связи с этим возникает проблема не только выработки холода в достаточном количестве, но и передачи хладоносителя к воздухоохладителям с низкой температурой. Поглощение тепла в неизолированном трубопроводе хладоносителя длиной 1000 м при диаметре 100 мм составляет в обычных условиях окружающей среды около 180 кВт и при расходах хладоносителя 30 м3/ч ведет к повышению его температуры на 4-5 °С. Отсюда очевидна необходимость теплоизоляции трубопроводов хладоносителя. Применение надежной теплоизоляции подземных систем хладоносителя является одной из главных задач существенного повышения эффективности установок кондиционирования шахтного воздуха с водоохлаждающими холодильными машинами.
В настоящее время фирмами Германии разработаны теплогидроизоляционные конструкции для шахтных выработок различного назначения. Принимая во внимание, что на выемочных участках трубопроводы хладоносителя подвергаются значительно большим нагрузкам, более частому демонтажу и повторному монтажу, чем в других выработках, а также в целях исключения возможности повреждения теплогидроизоляции при эксплуатации и обеспечения безопасности при пожарах в связи с выделением токсичных газов принято следующее конструктивное решение теплогидроизолированного трубопровода с внутренней изоляцией. Две стандартные трубы ( внутренняя труба и труба оболочка) со стенками одинаковой толщины и с различными диаметрами вставляются одна в другую и фиксируются таким образом, что между ними образуется кольцевое пространство шириной порядка 50 мм. Кольцевое пространство специальным способом заполняется пенополиуретаном или другим изоляционным материалом, после чего наполнительные отверстия заделываются. Повышение температуры хладоносителя в трубопроводах с указанной конструкцией теплоизоляции не превышает 0,5 °С на каждые 1000 м длины трубопровода [6]. Трубы с такой внутренней теплоизоляцией широко применяются в угольных шахтах Германии.
В Украине предприятием ООО «Климат индустрии» (г. Донецк) освоен выпуск подоб-
ной конструкции теплогидроизолированных труб. Внутренняя труба служит напорной для протока хладоносителя, наружная предохраняет пенополиуретан от механических повреждений и служит гидроизоляцией. Для быстрого и качественного монтажа используются трубы специальной конструкции с быстроразъемными соединениями.
Отвод теплоты конденсации холодильного агента при работе подземных холодильных машин в зарубежной практике осуществляется с помощью бесконтактных водоохладителей -теплообменных аппаратов, внутри трубок которых циркулирует охлаждающая вода, а наружная поверхность обдувается потоком исходящего воздуха и орошается циркуляционной водой самостоятельной системы орошения.
Большая удаленность смежных выемочных участков на действующих глубоких шахтах, а также значительная их холодопотребность могут повлечь за собой необходимость устройства подземных холодильных установок на каждом блоке или выемочном участке. Вопросы строительства и компоновки установок кондиционирования шахтного воздуха в конечном счете могут быть решены только на основе проектных проработок и технико-экономических обоснований.
Принципиальная технологическая схема установки кондиционирования воздуха для глубокой шахты с подземным расположением холодильных машин и комплектующего воздухо- и водоохлаждающего оборудования приведена на рис. 2.
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 в лаве при расчетных значениях холодопотребности должно осуществ-
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема установки кондиционирования воздуха для глубокой шахты с подземным расположением холодильных машин: 1 - штрековый воздухоохладитель;
2 - воздухоохладитель тупиковой выработки;
3 - трубопроводы хладоносителя; 4 - насос конденсаторной воды; 5 - насос хладоносителя;
6 - трубопроводы конденсаторной воды;
7 - водоохладитель; ХМ1 - холодильная машина № 1; ХМ2 - холодильная машина № 2; КМ - винтовой компрессор; Д - электродвигатель; И - испаритель; К -конденсатор
ляться в участковой воздухоподающей выработке с использованием двух-трех воздухоохладителей. При этом один воздухоохладитель размещается непосредственно перед лавой и перемещается по мере подвигания очистного забоя с поддержанием предельного отставания 100-150 м. Расположение остальных воздухоохладителей определяется тепловым расчетом параметров воздуха в воздухоподающей выработке.
Для отвода теплоты конденсации холодильного агента при работе холодильной станции используется оборотная замкнутая схема водоснабжения. Теплота конденсации холодильного агента передается при этом исходящей вентиляционной струе с помощью бесконтактного водоохла-дителя, размещаемого в вентиляционной выработке. Расход воздуха, необходимый для отвода теплоты конденсации холодильного агента от работы одной холодильной машины с винтовым компрессором производительностью 1 МВт холода, при температуре его 32 °С и относительной влажности 85 % должен составлять 2500-2800 м3/мин. При более низких значениях температуры и относительной влажности воздуха величина необходимого расхода воздуха может быть меньшей.
Трубопроводы для циркуляции конденсаторной воды должны прокладываться по выработкам с исходящей вентиляционной струей. Теплоизоляция трубопроводов конденсаторной воды в этом случае не требуется.
В качестве водоохладителей могут применяться также форсуночные водоохладители, размещаемые в выработках с исходящей вентиляционной струей. Теплота конденсации холодильно-
го агента в таких водоохладителях передается от распыляемой отепленной воды непосредственно исходящей вентиляционной струе в результате тепломассообмена между ними. Вода затем собирается в поддоне и снова подается на конденсатор холодильной машины. Применение таких водо-охладителй требует использования надежных фильтров для очистки циркуляционной воды от осаждающейся в ней пыли.
Рассмотренные варианты подземных установок кондиционирования шахтного воздуха, оборудованных холодильными машинами с винтовыми компрессорами, в настоящее время наиболее перспективны для применения в действующих глубоких шахтах Донбасса.
Проекты установок кондиционирования рудничного воздуха на основе холодильных машин с винтовым компрессором выполнены институтом “Донгипрошахт” ранее для шахты “Глубокая” шахтоуправления “Донбасс” ГХК «Донуголь» и в настоящий период для шахты им. А.А. Скочин-ского ГХК “Донуголь”. На шахте “Глубокая” установка кондиционирования воздуха на основе холодильной машины с винтовым компрессором эксплуатируется уже на протяжении более 10 лет.
Выводы. Компьютерная технология прогнозирования температурных условий в глубоких
1. 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.
2. Мартынов А.А. Об улучшении температурного режима шахт. - Уголь Украины. - 1999, № 1. - С. 30-34.
3. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных шахтах. Макеевка-Донбасс: МакНИИ. - 1979. - 189 с.
4. Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки
угольных шахтах разработана на основании действующих в угольной промышленности Украины нормативных документов. Компьютерная технология позволяет осуществлять выбор рациональных по тепловому фактору горнотехнических, технологических и специальных мер по нормализации теплового состояния рудничной атмосферы в рабочих забоях при планировании ведения горных работ на больших глубинах. Положительные результаты апробации и внедрения компьютерной технологии на шахтах Донецкого бассейна с глубиной ведения очистных работ 600-1300 м позволяют рекомендовать ее для более широкого применения работниками угольной промышленности, занимающихся проблемой борьбы с высокими температурами в горных выработках угольных шахт.
В условиях дефицита шахтной холодильной техники и, в первую очередь, крупных холодильных машин для наземного размещения, реализация рассмотренных систем и установок кондиционирования воздуха с подземным расположением холодильных машин позволит в короткие сроки нормализовать тепловые условия в высокотемпературных лавах и подготовительных тупиковых выработках действующих глубоких шахт.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
пологих пластов глубоких шахт. КД 12.5.012-94. - Мак-НИИ.- 1994.- 54 с.
5. 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 Всемирного Горного Конгресса. - София- Болгария.- 1994. Т. 4. - С. 119-124.
6. Куглер У., Пинта А. Комбинированное производство холода, оптимизация трансформирования и передачи холода на шахте «Остерфельд». - Глюкауф, 1984, №21. - С. 3-13.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------------------
Мартынов А.А. - Теруправление Госнадзорохрантруда Украины, Донецк.
Малеев Н.В. - кандидаты технических наук, Теруправление Госнадзорохрантруда Украины, Донецк. Миминошвили В.В. - инженер, Шахта им. А.А. Скочинского ГХК «Донуголь» Минтопэнерго Украины, Донецк.
Морев А.М. - доктор технических наук, ИГД им. А.А. Скочинского.
