CC BY
47
Науки о Земле
УДК 662.210.587:662.268; 622.413.3:536.244
ш
Бокий Борис Всеволодович Boris Bokiy
Алабьев Вадим Рудольфович Vadim Alabyev
Тынына Сергей Владимирович Sergey Tynyna
МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ШАХТНОЙ АТМОСФЕРЫ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ТУПИКОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
METHOD OF PROCESS PARAMETERS DECREASE IN TEMPERATURE STUDY OF MINE ATMOSPHERE IN BOTTOMHOLE ZONE OF DEADLOCK ADVANCE WORKING
Отмечено, что нагнетательный способ проветривания является предпочтительным с точки зрения создания нормальных условий теплового режима при проветривании тупиковых выработок, проводимых на глубоких горизонтах, т.к. позволяет обеспечить наиболее благоприятные условия труда в призабойных зонах. При данном способе проветривания тупиковых выработок вентиляционная струя проходит три характерных участка с резко отличающимися процессами тепло- и массообмена — вентиляционный трубопровод, призабойное пространство, участок обратного движения вентиляционной струи от призабойной зоны до устья тупиковой выработки.
Термодинамические параметры воздуха, подаваемые по вентиляционному трубопроводу, изменяются под влиянием следующих факторов: нагрева воздуха за счет ВМП, теплообмена с воздухом, воз-
It is noted that the discharge method of ventilation is preferred in terms of creating normal conditions of thermal conditions when ventilation of blind workings conducted at deep levels, as allows for the most favorable conditions of work in the bottom-hole zones. With this method of ventilation of blind workings, the air flow passes through three characteristic regions with dramatically different processes of heat and mass transfer — vent line, bottom-hole space plot reverse movement of air flow from the bottom zone to the mouth of a dead-end production.
Thermodynamic parameters of air supplied by the ventilation duct are changed under the influence of the following factors: air heating by VMP, heat exchange with air, effect of temperature mountain range, heat mining equipment, rock masses of working people, heat — and moisture extraction, used for irrigation during the equipment work, compression and expansion
действия температуры горного массива, тепловыделения горнопроходческого оборудования, отбойной массы, работающих людей, тепло- и влаговыде-ления воды, подаваемой для орошения при работе оборудования, сжатия и расширения воздуха в вертикальных и наклонных выработках, а также влияния притечки воздуха через неплотности вентиляционных трубопроводов.
Для различных горно-геологических условий одной и той же шахты данные параметры могут изменяться в широком диапазоне значений, что приводит к необходимости доработки системы нормализации параметров воздуха конкретной выработки в зависимости от определенных граничных условий, которые определяются параметрами данной выработки.
Изложены методические рекомендации по обоснованию параметров способа снижения температуры шахтной атмосферы в призабойной зоне тупиковых подготовительных выработок для конкретных горно-геологических условий методом полного многофакторного эксперимента и теории регрессионного анализа, что дает возможность однозначно установить степень и характер влияния конкретных параметров. Это, в свою очередь, позволяет наиболее эффективным образом проводить мероприятия по нормализации температурных условий
of air in vertical and inclined workings as well as the impact of air through leaks of ventilation pipes.
For different geological conditions of the same mine these parameters may vary over a wide range, which leads to the need of the system's improvement of air parameters' normalization of the definite mine working depending on certain boundary conditions, which are defined by the parameters of the given mine working.
The guidelines on the justification process of parameters to reduce the temperature of the mine atmosphere near the wellbore deadlock of preparatory developments for specific geological conditions by the full multivariate experiment and theory of regression analysis, which makes it possible to establish unequivocally the extent and nature of specific parameters' influence, are presented. This, in turn, allows to carry out actions to normalize the temperature conditions by the most effective method
Ключевые слова: полный многофакторный эксперимент, тупиковая подготовительная выработка, шахтная атмосфера, параметры нормализации температуры, параметры воздуха
Key words: full multivariate experiment, deadlock advance working, mine atmosphere, parameters of temperature normalization, air parameters
Исследование процесса нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в системе тупиковой подготовительной выработки на больших глубинах крайне проблематично [ 1 ]. Это особенно сложно, когда предметом исследования являются параметры процесса нормализации шахтной атмосферы. Изучение данного процесса в промышленных условиях требует, прежде всего, длительного наблюдения. В таких условиях объект исследования практически неуправляем по отношению к
температуре атмосферы, необходима специальная доработка системы нормализации под условия каждой выработки [2-3]. Последнее определено большими перепадами температуры в системе проветривания шахтных выработок.
Практическая значимость данных работ — повышение эффективности технологических процессов при ведении горных работ путем создания более комфортных условий труда горнорабочих.
Сущность экспериментальных исследований
Объектом исследования является процесс нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в системе тупиковой подготовительной выработки, предметом — температура шахтной атмос-
феры забойной зоны тупиковой подготовительной выработки при нормализации вихревым кондиционером с утилизацией горячей составляющей воздуха.
В процессе экспериментальных исследований должны быть определены:
— основные термогазодинамические и геометрические параметры процесса нормализации температуры шахтной атмосферы подготовительных выработок;
— степень и характер влияния основных термогазодинамических и геометрических параметров на характер протекания процесса нормализации температуры;
— принципиальная возможность нормализации параметров шахтной атмосферы вихревым кондиционером.
При нагнетательной схеме проветривания (рис. 1) эффективность нормализации температуры шахтной атмосферы (ША) зависит от следующих параметров:
ат
йт
= /V, 0, <, /с, тес, тс, Уот, ^ ,у,т),
(1)
где ^ — скорость падения температуры
стенки выработки;
Vвв — скорость воздуха на выходе из става;
Vom — скорость оттока воздуха от поверхности торца забоя (скорость отсоса воздуха);
1ос — расстояние от става до поверхности торца забоя;
dс — диаметр става;
f — площадь става;
Tвс — температура воздуха на выходе из става;
Tс — температура массива выработки (торца забоя);
Fв — площадь выработки;
V — влажность воздуха в выработке;
т — время проветривания выработки [4-6].
Рис. 1. Схема принудительного проветривания тупиковой выработки
Чтобы выявить влияние каждого из 10 факторов, потребуется большое количество экспериментов, даже с использованием современных методов рационального планирования эксперимента [5]. В связи с этим, целесообразно сократить число исследуемых факторов. Это можно сделать, например, исключив из рассмотрения те из них, которые неуправляемы, например, влажность. А такой параметр, как время, стабилизировать.
Под стабилизацией времени следует понимать выбор его отрезка, в течение которого будет проводиться регистрация параметров одного опыта.
Количество факторов в каждом эксперименте может быть уменьшено также путем их обезразмеривания, в данном случае целесообразно их представить в таком виде:
V
I ^ т
ос _^ _с_
ас' /с' Твс
(2)
где — относительная скорость циркуляции воздуха вдоль поверхности торца забоя;
— относительное расстояние от става до поверхности забоя, выраженное в диаметрах става;
у- — относительная площадь; т
— относительный перепад темпера-
тур поверхности забоя и нормализирующего воздуха.
Таким образом, (1) с учетом (2) примет вид:
Т - I к. Е±. Та
(3)
Для проведения эксперимента выбираются интервалы варьирования факторов, которые в дальнейшем кодируются Х1, Х2 , Х3, Х4 соответственно.
Планирование эксперимента
Экспериментальные исследования наиболее целесообразно проводить в соответствии с требованиями теории рационального планирования эксперимента.
Исходя из этого, исследуемый объект представляется в виде «черного ящика», а воздействие входных и отклик выходных параметров определяются однозначной зависимостью.
Для исследуемого случая входными переменными (изучаемыми факторами) служат:
V,,
у- — относительная скорость воздуха;
I
— относительное расстояние от става до груди забоя, выраженное в диаметрах става;
--, — относительная площадь подготовительной выработки;
т
-—■ — относительный перепад температур поверхности забоя (стенки) выработки и нормализирующего воздуха.
Выходной переменной (функцией отклика) является — — скорость изменения
Ст
градиента температур на плоскости забоя (падение температуры рабочей поверхности торца забоя в единицу времени).
При рациональном планировании экспериментов одним из основных требований является воспроизводимость опытов.
Это требование позволяет уменьшить число проводимых экспериментов путем повторения ранее поставленных, тем самым устанавливается влияние каждого параметра, задавая ему более двух значений.
Чтобы выявить влияние каждого из входных факторов, нужно задать ему не менее 4...5 воздействий. Так, например, для нашего случая, чтобы исследовать влияние четырёх факторов, каждый из которых может принять четыре значения, потребуется 10416 различных комбинаций экспериментов, не считая повторения каждого из опытов в идентичных условиях для получения устойчивых средних значений. Проведение такого количества опытов крайне сложно, и на его реализацию потребуется огромное количество времени. Чтобы избежать этого, используем схему проведения экспериментов с двухуровневым варьированием факторов и параллельным повторением серий. При этом добавим серию однофакторных опытов с двухуровневым варьированием каждого из факторов параметров и нулевой стабилизацией остальных параметров. Общее количество опытов с учетом изложенного сократится до 50 экспериментов.
План-матрица ПФЭ эксперимента приведен в табл. 1, рандомизированный план-матрица ПФЭ — в табл. 2. План-матрица однофакторного эксперимента с частичной стабилизацией факторов — в табл. 3, рандомизированный однофакторный план-матрица — в табл. 4.
Таблица 1
План-матрица ПФЭ 24
Номер опыта Фактор
Х1 X? X, Х4
1 -1 — 1 -1 -1
2 +1 — 1 -1 -1
3 -1 +1 -1 -1
4 +1 +1 -1 -1
5 -1 -1 +1 -1
6 +1 -1 +1 -1
7 -1 +1 +1 -1
8 +1 +1 +1 -1
9 -1 -1 -1 + 1
10 +1 -1 -1 + 1
11 -1 +1 -1 + 1
12 +1 +1 -1 + 1
13 -1 -1 +1 + 1
14 +1 -1 +1 + 1
15 -1 +1 +1 + 1
16 +1 +1 +1 + 1
Таблица 3
План-матрица однофакторного эксперимента с частичной стабилизацией факторов
Номер опыта Фактор
Х1 X? X, Х4
1 + 0 0 0
2 - 0 0 0
3 0 + 0 0
4 0 - 0 0
5 0 0 + 0
6 0 0 - 0
7 0 0 0 +
8 0 0 0 -
9 0 0 0 0
Таблица 2
Рандомизированный план-матрица ПФЭ 24
№ п/п Номер опыта Фактор планирования
Х1 Х3 Х4
1 14 +1 -1 +1 + 1
2 6 +1 -1 +1 -1
3 10 +1 -1 -1 + 1
4 7 -1 + 1 +1 -1
5 11 -1 + 1 -1 + 1
6 13 -1 -1 +1 + 1
7 3 -1 + 1 -1 -1
8 9 -1 -1 -1 + 1
9 16 +1 + 1 +1 + 1
10 4 +1 + 1 -1 -1
11 1 -1 -1 -1 -1
12 15 -1 + 1 +1 + 1
13 2 +1 -1 -1 -1
14 5 -1 -1 +1 -1
15 8 +1 + 1 +1 -1
16 12 +1 + 1 -1 + 1
Таблица 4
Рандомизированный план-матрица однофакторного эксперимента с частичной стабилизацией факторов 4
№ п/п Номер опыта Фактор планирования
Х1 Х2 Х3 Х4
1 8 0 0 0 -
2 6 0 0 - 0
3 1 + 0 0 0
4 4 0 - 0 0
5 9 0 0 0 0
6 7 0 0 0 +
7 3 0 + 0 0
8 5 0 0 + 0
9 2 - 0 0 0
Погрешность измерений
Функция изменения градиента темпе-
сСТ
ратуры — при нормализации температурных условий определялась путем косвенных измерений. Согласно теории ошибок косвенных измерений, погрешность результирующего измерения зависит от параметров, входящих в формулу определяемой функции (2). В соответствии с правилом сложения относительных погрешностей можно записать
7 2 2 2 2 2 2 £ + £ + £ + £ + £ + £ , (4)
Те Сс Ре V Тг т
где £ ^ — относительная погрешность измерения температуры нормализирующего воздуха (определяется погрешностью тепловизора (±0,5 %);
£ — относительная погрешность из-
Сс 1
мерения диаметра проветривающего става (± 2%);
£-- — относительная погрешность измерения площади выработки ((± 10 %);
£ — относительная погрешность измерения скорости циркуляции нормализирующего воздуха (± 3 %);
£ — относительная погрешность измерения температуры стенки выработки (температуры вмещающих пород) в процессе эксперимента (определяется погрешностью тепловизора ±0,5 %);
£ — относительная погрешность врет
мени, не превышает 2 %.
Суммарная погрешность определения градиента температур с учетом отдельных составляющих равна 17,2 %.
При анализе результатов экспериментальных исследований используются аналитический и графоаналитический способы обработки результатов эксперимента с применением методов математической статистики и регрессионного анализа. Полученные результаты интерпретируются на основе теории размерности и критериев подобия.
Конечным результатом является нахождение численных значений коэффициентов уравнения функции отклика линейной модели вида:
0 - Ьо + Ь,х, +......+ Ь1х1
либо коэффициентов неполной квадратичной модели
0 - Ьо + Ь1Х1 + ■■■ + ЬкХк + ЬпХ1Х2 +
+ Ь123 Х1 Х2 Хз + ■■■ + Ьк-1,к Хк-1 Хк ,
Обработка, анализ и оценка результатов
которые находятся в процессе обработки данных экспериментов.
Выводы
Предложенная в работе методика по определению параметров нормализации температуры шахтной атмосферы позволяет определить степень и характер влияния основных термогазодинамических и геометрических параметров в системе тупиковой выработки и их взаимосвязь методами полного многофакторного эксперимента и регрессионного анализа с трехуровневым их варьированием. Это позволит использовать наиболее эффективные способы нормализации температуры шахтной атмосферы тупиковых выработок, тем самым улучшив условия труда горнорабочих и повысив производительность их труда.
Литературa_References
1. Современные проблемы проведения и поддержания горных выработок на глубоких шахтах / Под общ. ред. С.В. Янко. Донецк. ДУНВГО, 2003. 256 с.
2. Мартынов А.А., Миронов Л.Ф., Горовой Е.П. Регулирование температурных условий в выработках глубоких горизонтов на антрацитовых шахтах Донбасса // Уголь Украины. 1996, № 2. С. 23-26.
3. Бойко В.А., Бойко А.В. К вопросу о выборе способа и средств нормализации тепловых условий в подготовительных горных выработках глубоких шахт Донбасса в период их проходки // Науковий вкник НГУ. Днепропетровск, 2004.
4. Бойко В.А. Структура и математическая модель системы охлаждения горного массива глубокой шахты / / Науковий вкник НГУ. Днепропетровск, 2004.
5. Гонзва М. Нормализация тепловых условий в очистных забоях и в выработках, прилегающих к высокопроизводительным лавам, с использованием водно-ледяных смесей // Глюкауф. 1997. № 2. С. 42-48.
6. Божилов В., Петров К. Тепло- и гидроизоляция — эффективное средство улучшения микроклимата на рудниках // Доклады 9-й сессии Международного бюро по горной теплофизике. Польша: Гливице, 2000. С.245-255.
7. Сучков А.Н., Шведик П.П. Технология теплоизоляции стенок подготовительных выработок глубоких шахт Донбасса // Уголь Украины. 2000, № 1. С. 20-22.
8. Тынына С.В. О повышении эффективности систем местного кондиционирования тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт // Геотехническая механика. 2011. № 94. С. 266-271.
9. Тынына С.В. Экспериментальная установка для проведения исследований по снижению температуры тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт. 2013. № 110. С. 219-220.
10. Шведик Г.П., Черепков А.В., Сучков А.П. [и др.]. Новые средства нормализации теплового и газового режимов в горных выработках // Работы ДонУГИ. Сб. научн. тр. Вып. 102. Донецк, 1999. С. 200-207.
1. Sovremennye problemy provedeniya i pod-derzhaniya gornyh vyrabotok na glubokih shahtah [Modern problems of maintaining and mining at the deep mines]; ed. Ed. S.V. Yanko. Donetsk. DUNVGO, 2003.256 p.
2. Martynov A.A., Mironov L.F., Gorovoy E.P. Ugol Ukrainy (Ukraine), 1996, no. 2. pp. 23-26.
3. Boyko V.A., Boyko A.V. K voprosu o vybore sposoba i sredstv normalizatsii teplovyh usloviy v pod-gotovitelnyh gornyh vyrabotkah glubokih shaht Don-bassa v period ih prohodki [On the selection of the method and means of the thermal conditions normalization in the preparatory mine workings in deep mines of Donbass during their penetration]: News of NSU. Dnepropetrovsk, 2004.
4. Boyko V.A. Struktura i matematicheskaya model sistemy ohlazhdeniya gornogo massiva glubo-koy shahty [The structure and mathematical model of deep mine's massif cooling system]: Naukova News NSU. Dnepropetrovsk, 2004.
5. Gonzva M. Normalizatsiya teplovyh usloviy v ochistnyh zaboyah i v vyrabotkah, prilegayushhih k vysokoproizvoditelnym lavam, s ispolzovaniem vodno-ledyanyh smesey [Normalization of thermal conditions in the mining faces and roadways adjacent to the high-lavas, using an ice-water mixtures] (Glyukauf), 1997, no. 2. pp. 42-48.
6. Bozhilov V., Petrov K. Doklady 9-y sessii Me-zhdunarodnogo byuro po gornoy teplofizike (Reports of the 9th Session of the International Bureau of the mountain thermal physics). Poland: Gliwitse, 2000, pp. 245-255.
7. Suchkov A.N., Shvedik P.P. Ugol Ukrainy (Coal of the Ukraine), 2000, no. 1. pp. 20-22.
8. Tynyna S.V. Geotehnicheskaya mehanika (Geotechnical Mechanics), 2011, no. 94, pp. 266271.
9. Tynyna S.V. Eksperimentalnaya ustanovka dlya provedeniya issledovaniy po snizheniyu temper-atury tupikovyh podgotovitelnyh vyrabotok glubokih shaht (The experimental setup for research to reduce the temperature of deadlock development workings in deep mines), 2013, no. 110. pp. 219-220.
10. Shvedik G.P., Cherepkov A.V., Suchkov A.P. [et al.]. Raboty DonUGI (DonUGI works): Coll. Sci-en. articles. Vol. 102. Donetsk, 1999, pp. 200-207.
Коротко об авторах_
Бокий Б.В., д-р техн. наук, зам. генерального директора ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько», г. Донецк, Украина boris_bokiy@yahoo.com
Научные интересы: тепловой режим глубоких шахт и рудников, дегазация шахт
Алабьев В.Р., канд. техн. наук, зам. технического директора ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько», г. Донецк, Украина avr.09@mail.ru
Научные интересы: тепловой режим глубоких шахт и рудников
Тынына С.В., Институт геотехнической механики им. Н.С. Полякова НАН Украины, г. Донецк, Украина
haritonroots@mail.com
Научные интересы: тепловой режим подготовительных выработок глубоких шахт и рудников, кольцевые эжектора, вихревые кондиционеры
_Briefly about the authors
B. Bokiy, doctor of technical sciences, deputy director, PJSC «Mine named after A.F. Zasyadko», Donetsk, Ukraine
Scientific interests: thermal regime of deep mines, mine degasification
V. Alabyev, candidate of technical sciences, deputy technical director, PJSC «Mine named after A.F. Zasyadko», Donetsk, Ukraine
Scientific interests: thermal regime of deep mines
S. Tynyna, Institute of Geotechnical Mechanics named after N.S. Polyakov NASU, Donetsk, Ukraine
Scientific interests: thermal regime of development of deep mines workings, ring ejector vortex conditioners
