CC BY
35
© P.P. Газизуллин, Л.Ю. Левин, Ю.А. Клюкин, 2015
УДК 622.4
Р.Р. Газизуллин, Л.Ю. Левин, Ю.А. Клюкин
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ ДЛЯ ОБОГРЕВА ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В НОРМАЛЬНОМ И РЕВЕРСИВНОМ РЕЖИМАХ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКОВ
Вентиляционные стволы рудников, в отличие от воздухоподающих, не имеют систем тепловой защиты от зимних холодов. Требуется организация обогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания рудника в холодный период. Строительство вспомогательной калориферной установки для обогрева вентиляционного ствола, сопоставимой по мощности с главной системой воздухоподготовки, требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Приведено исследованиеорганизации обогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания рудника при помощи тепловой энергии, предназначенной для обогрева воздухоподающего стволапосредством строительства вспомогательного калориферного канала, соединяющего между собой вентиляционный канал главной вентиляционной установки и калориферный канал воздухоподающего ствола.
Ключевые слова: рудник, вентиляционный ствол, система воздухоподготовки, реверс, главная вентиляционная установка.
Вентиляционные стволы рудников, в отличие от воздухоподающих, на сегодняшний день не имеют систем тепловой защиты от зимних холодов, функцию которых выполняют системы воздухоподготовки (калориферные или теплоге-нерирующие установки). В холодное время года нагретый воздух из здания системы воздухоподготовки по каналам поступает в воздухоподающий ствол и предохраняет его крепь от промерзания. В обычном режиме проветривания тюбинговая колонна вентиляционного ствола обогревается с одной стороны теплом горного массива, с другой - теплом исходящей из рудника струи отработанного воздуха, поэтому угроза температурных деформаций крепи в этом случае отсутствует независимо от температуры наружного воздуха [1].
Иначе дело обстоит в случае включения реверсивного режима проветривания рудника в зимний период. При поступлении холодного воздуха в ствол без подогрева возникает опасность промерзания и температурных деформаций крепи, нарушающих её герметичность (раскрытие соединительных швов, разрыв сцепления между чугунными тюбингами и бетонной рубашкой). Если в возникающие зазоры и полости проникает вода, то после ее замерзания деформации могут становиться критическими и приводить к аварийным ситуациям[2]. В идеальном случае температура крепи должна быть постоянной, но в реальных условиях имеет место естественный процесс колебаний температуры. На практике допускаются колебания температуры поступающего в ствол воздуха выше +2 °С. При меньшей температуре наружного воздуха, поступающего в ствол без подогрева, время безопасного контакта его со стенками ствола ограничено и определяется из расчёта скорости охлаждения крепи[3].
Реверсивный режим работы ГВУ является аварийным и предполагает ограниченное время действия. В зависимости от температуры, продолжительности реверсирования и количества подаваемого в ствол воздуха, охлаждение крепи за время реверсивного проветривания может вызвать различные температурные деформации колонны. Время подачи холодного воздуха в ствол и его температура являются величинами, определяющими степень промерзания крепи вентиляционного ствола [4].
На сегодняшний день, для прохождения государственной экспертизы проектной документации строящегося рудника требуется организация обогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания рудника в холодный период. Строительство вспомогательной калориферной установки для обогрева вентиляционного ствола, сопоставимой по мощности с главной системой воздухоподготовки, требует больших капитальных и эксплуатационных затрат.
Всоответствии с «Правилами безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых»[5] воздух, поступающий в подземные горные выработки, должен иметь температуру не менее +2 °С. Для обеспечения безопасной эксплуатации воздухоподающего ствола,в силу колебаний параметров атмосферного воздуха окружающей среды, мощ-
ность главной калориферной установки рассчитывается с запасом на температуру +5 С в стволе. Для уменьшения эксплуатационных затратдляобогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания мощность калориферных установок рассчитывается на температуру +2 0С.
Часто на рудниках применяется центральная схема вентиляции, вентиляционный ствол при этом, как правило, находится на одной промплощадке с системами воздухоподготовки [6]. Следовательно, для обогрева вентиляционного ствола целесообразно использовать тепловую мощность главной калориферной установки, используемой для обогрева воздухоподающего ствола, посредством строительства вспомогательного калориферного канала соединяющего между собой вентиляционный канал главной вентиляционной установки и калориферный канал воздухоподающего ствола. При реверсивном режиме проветривания рудника подогретый воздух из главной калориферной установки, которая работает в обычном режиме, идет по вспомогательному калориферному каналу и попадает в вентиляционный канал ГВУ, далее попадает в вентиляционный ствол, при этом воз-духоподающий канал и диффузор главной вентиляторной установки перекрываются лядами (рис. 1).
Но требуется обоснование способа обогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания рудника за счет тепловой энергии главной калориферной установки. На примере Усольского калийного комбината ОАО «ЕвроХим» рассмотрена схема каналов, при которой используется тепловая энергии главной калориферной установки для обогрева вентиляционного ствола в реверсивном режиме проветривания рудника.
В процессе обоснования необходимо определить возможность обеспечения безопасных микроклиматических условий в вентиляционном стволе, увеличение мощности калориферной установки, аэродинамического сопротивления дополнительных конструкций.
В программном пакете СОЗМОБПоШогкз был выполнен аэродинамический расчет модели исследуемой системы в соответствии с разработанной ранее методикой проведения численного эксперимента [7] [8].
2
Рис. 1. Обогрев вентиляционного ствола с использованием калориферной системы воздухоподаюшего ствола: 1- воздухоподающий ствол № 1, 2 - система воздухоподготовки, 3 - вспомогательный калориферный канал, 4 - улавная вентиляционная установка, 5 - вентиляционный ствол № 2
Проведенные расчеты показали, использование главной системы воздухоподготовки для обогрева вентиляционного ствола при реверсировании в холодный период года позволяет обеспечить необходимые микроклиматические параметры воздуха в стволе, не ограничивая время реверсирования при выходе рудника на максимальную производительность. При максимально возможной производительности главной вентиляторной установки в реверсивном режиме, калориферная установка обеспечивает в вентиляционном стволе необходимую температуру воздуха.
Увеличение нагрузки на главную вентиляционную установку в реверсивном режиме проветривания рудника в холодный период года при задействовании вспомогательного калориферного канала, который является дополнительным аэродинамическим сопротивлением, происходит на 500 Па в сравнении с реверсивным проветриванием рудника в теплый период года (рис. 2). При этомтепловая мощность калориферных установок, требуемая для обогрева вентиляционного ствола, в сравнении с воздухоподающим увеличивается на 10%.
Рис. 2. Схема проветривания рудника в реверсивном режиме с использованием вспомогательного калориферного канала: 1 - вспомогательный калориферный канал, 2 - вентиляционный канал ствола № 2, 3 -калориферный канал ствола № 1, 4 - вентиляционный ствол № 2, 5- возду-хоподающий ствол № 1
Таким образом, на этапе разработки проекта нового рудника главную калориферную установку целесообразно проектировать с учетом реверсивного режима проветривания рудника.
Использование тепловой энергии главной системы воздухоподготовки для обогрева вентиляционного ствола при реверсировании в холодный период года позволяет обеспечить безопасные микроклиматические условия, не ограничивая допустимое время реверсирования. В реверсивном режиме проветривания рудника, тепловая мощность системы воздухоподготовки возрастает на 10%.
Строительство вспомогательного калориферного канала позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты на строительство рудника, так как пропадает необходимость
строительства и дальнейшего обслуживания вспомогательной калориферной установки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных горных выработок калийных и соляных рудников. - М.: Недра, 1984. - 238 с.
2. Левин Л.Ю. Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников: дис. д-ра техн. наук. -Пермь, 2010.
3. Проектирование воздухоподготовки в системе проветривания рудников на основе моделирования процессов тепломассообмена. В.М. Железняк, И.И. Головатый, Л.Ю. Левин, Б.П. Казаков. Горный журнал. - 2010. -№ 8. - С. 66-68.
4. Моделирование и расчет систем обогрева шахтных воздухоподаю-щих стволов. Левин Л.Ю. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2008. № 10. С. 49-54.
5. Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых, 2014. — 122 с.
6. Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. — М.: Недра, 1970. -206 с.
7. Использование CFD-методов при исследовании аэрогазодинамических процессов в рудничной аэрологии. Круглов Ю.В., Газизуллин P.P. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 4. С. 211-213.
8. Использование программного модуля ANSYS CFX при решении научно-производственных задач проветривания шахт и рудников / Левин Л.Ю., Газизуллин P.P., Зайцев A.B. // САПР и графика. 2011. № 10 (180). С. 64-66.
9. Проектирование вспомогательных систем обогрева вентиляционных стволов. Левин Л.Ю.Научные исследования и инновации. 2009. Т. 3. № 4. С. 42-44. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Газизуллин Руслан Рафаилович — инженер, aero_rus@mail.ru, Клюкин Юрий Андреевич — младший научный сотрудник, aero_yuri@mail.ru, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, Левин Лев Юрьевич — доктор технических наук, профессор, aerolog_lev@mail.ru, Пермский национальный исследовательский политехнический университет.
UDC 622.4
AIR HANDLING SYSTEM FOR MINE SHAFT HEATING IN NORMAL AND REVERSE VENTILATION MODES
Gazizullin Ruslan R. - engineer, aero rus@mail.ru, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences,
Klyukin Yuri Andreevich - Junior research fellow, aero yuri@mail.ru, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences,
Levin Leo'evich - doctor of technical Sciences, Professor, aerolog lev@mail.ru, Perm national research Polytechnic University.
There are no thermal protection systems on upcast shafts unlike downcast shafts. But nowadays an upcast shaft air heating system is essential for the state examination of mine project documentation for situations of reverse ventilation. Additional air heater construction leads to big capital and operational expenditures. The purpose of the study is to investigate air heating in the reverse mode of mine ventilation using additional channel connecting a main air heater unit with an upcast shaft.
Key words: mine, upcast shaft, air handling system, main mine fan.
REFERENCES
1. Ol'hovikov Ju.P. Krep' kapital'nyh gornyh vyrabotok kalijnyh i soljanyh rudnikov (Shoring permanent mining of potash and salt mines). Moscow: Nedra, 1984. 238 p.
2. Levin L.Ju. Teoreticheskie i tehnologicheskie osnovy resursosberegajushhih sistem vozduhopodgotovki rudnikov (Theoretical and technological basis of resource-saving systems air preparation mines): dis. d-ra tehn. nauk. Perm', 2010.
3. Proektirovanie vozduhopodgotovki v sisteme provetrivanija rudnikov na osnove modelirovanija processov teplomassoobmena (The design of the air preparation system of ventilation of mines based on modeling of heat and mass transfer processes). V.M. Zheleznjak, I.I. Golovatyj, L.Ju. Levin, B.P. Kazakov. Gornyj zhurnal. 2010. No 8. pp. 66-68.
4. Modelirovanie i raschet sistem obogreva shahtnyh vozduhopodajushhih stvolov (Modeling and calculation of heating systems mine intake trunks). Levin L.Ju. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2008. No 10. pp. 4954.
5. Pravila bezopasnosti pri vedenii gornyh rabot i pererabotke tverdyh poleznyh iskopaemyh (Safety rules during mining and processing of solid minerals), 2014. 122 p.
6. Medvedev I.I. Provetrivanie kalijnyh rudnikov (Airing potash mines). — Moscow: Nedra, 1970. 206 p.
7. Ispol'zovanie CFD-metodov pri issledovanii ajerogazodinamicheskih processov v rudnichnoj ajerologii (The use of CFD methods in the study of aerogasdynamic processes in mining aerology). Kruglov Ju.V., Gazizullin R.R. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2011. No 4. pp. 211-213.
8. Ispol'zovanie programmnogo modulja ANSYS CFX pri reshenii nauchno-proizvodstvennyh zadach provetrivanija shaht i rudnikov (The use of the software module ANSYS CFX for solving scientific and industrial problems of ventilation of mines)/ Levin L.Ju., Gazizullin R.R., Zajcev A.V. // SAPR i grafika. 2011. No 10 (180). pp. 64-66.
9. Proektirovanie vspomogatel'nyh sistem obogreva ventiljacionnyh stvolov (Design of auxiliary systems heating ventilation shafts). Levin L.Ju. Nauchnye issledovanija i innovacii. 2009. T. 3. No 4. pp. 42-44.
