CC BY
24
- © А.В. Зайцев, Ю.А. Клюкин,
Н.А. Трушкова, 2014
УДК 622.4
А.В. Зайцев, Ю.А. Клюкин, Н.А. Трушкова
АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ НАЛИЧИИ РЕЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ*
На сегодняшний день рециркуляционные системы используются в качестве средства энергосберегающего проветривания шахт и рудников. В тоже время, они могут быть использованы для улучшения микроклиматических параметров воздуха за счет увеличения охлаждающего эффекта струи при увеличении скорости движения воздуха. В работе рассматривается вариант схемы вентиляции выемочного столба лавы с использованием рециркуляционного проветривания. Получено аналитическое решение задачи расчета температуры воздуха, поступающего на проветривание забоя, как функции от начальной температуры и расхода свежего воздуха и коэффициента рециркуляции. С его помощью возможен качественный и количественный анализ сопряженного влияния рециркуляции и теплообмена на теплораспределение воздуха в вентиляционном контуре и обоснование возможностей использования рециркуляции для управления тепломассообменными процессами. Ключевые слова: рудник, тепловой режим, длинный очистной забой, температура, породный массив, теплообмен, рециркуляция, тепловой поток.
Применение частично повторного использование воздуха в системах вентиляции шахт и рудников является мощным резервом для увеличения эффективности проветривания подземных рабочих зон, снижения капитальных и эксплуатационных затрат при эксплуатации месторождений полезных ископаемых [1, 2, 3]. Впервые частично повторное использование воздуха на основе рециркуляционного проветривания использовалось в угольных шахтах для целей регулирования микроклимата в пределах длинных очистных забоях [4]. При этом увеличивалась скорость движения воздуха в лаве, тем самым увеличивался охлаждающий эффект воздушной струи. Однако такие схемы вентиляции носили локальный характер и применялись для отдельных рабочих зон. В последнее время рециркуляционные системы проветривания рудников с целью регулирования микроклимата широко используются: для подогрева поступающего в рудник воздуха [5, 6] (рудники Канады и Англии), для охлаждения воздуха в глубоких рудниках ЮАР [7, 8], в которых глубина отработки достигает 3600 м, а температура горных пород достигает +56 °С.
При расчете систем регулирования теплового режима с учетом наличия рециркуляционных потоков чаще всего используют численное моделирование процессов распределения тепла в сети горных выработок. Однако для определения вида зависимости целесообразно получить аналитическое решение за-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Уральского отделения Российской академии наук проект № 14-5-НП-12 «Исследование и разработка способов осушения воздухоподаюших выработок калийных рудников с использованием гигроскопических свойств горных пород».
ОЙ
Вочлухопилающп" штрек
Энергопоезд
§
£■ 3
и
□
га
8 :
я СП
Т3. У. I
=
о -Э
1
т. Вентиляционный («трек
Тд :
Расчетная схема задачи
дачи расчета распределения температуры воздуха в длинных очистных забоях при наличии рециркуляционных контуров.
Задача ставится следующим образом. Имеется следующая расчетная схема (см. рисунок), представляющая собой рециркуляционный контур в условиях отдельного выемочного столба длинного очистного забоя (лавы). В рециркуляционной сбойке, соединяющей воздухоподающих и вентиляционный штрека расположен вентилятор, который обеспечивает подачу части исходящей струи воздуха на повторное использование Qр (м3/с). К рециркуляционному контуру, по воздухоподающему штреку подается некоторое начальное количество воздуха Q0 (м3/с) с температурой Т0 (°С).
Изменение температуры воздуха происходит за счет теплообмена с породным массивом в соответствии с зависимостью [9]:
К-р-х
Т(х) = Тт + (Ты - Тт) - е^^
где Тт - температура непотревоженного породного массива (°С), Тш - начальная температура воздуха (°С), кт - коэффициент нестационарного теплообмена на участке (Вт/м2), Р - периметр горных выработок (м), са - теплоемкость воздуха (Дж/кг-°С), ра - плотность воздуха (кг/м3), Q - объемный расход воздуха (м3/с).
В воздухоподающем штреке, перед сопряжением с лавой установлен энергопоезд комбайнового комплекса, являющийся мощным источником тепловыделения № (Вт). При прохождении его воздуха нагревается на величину:
ДТ = №
Са 'Ра ' С
На рисунке определен ряд узловых точек, температуру воздуха в которых можно записать с помощью приведенных выражений в следующем виде:
То - Со + Т5 - ^ = Т
1 - К 1 1 - К
Т2 = Т, - Т - Гт) • (1 - Ехр Т = Т Ы • (1 - К)
Т3 = Т 2 +
Са •Ра • О0 Т4 = Тз - (Тз - Тт) • (1 - Ехр
Т5 = Т4 - (Т4 - Тт) • (1 - Ехр
V Ру- Ь • (1 - К)
Са ■Ра ■ О0
у рн • н • (1 - к)
Са 'Ра .
V Р^ Ь • (1 - К)
Са ■Ра
где K - коэффициент рециркуляции, Pv - периметр воздухоподающего штрека (м), L - расстояние от лавы до рециркуляционной сбойки (м), PH - периметр поперечного сечения лавы (м), H - длина лавы (м).
При выводе выражений также учтены следующие соотношения:
=
К • Оо
1 - К
Оо + Ог =
Оо
1 - К
Решая приведенную систему уравнений относительно температуры воздуха поступающей на проветриванием лавы, получим
(1 - К) • То + К • Тт • (1 - Ехр[1 - Л - В - С]) +
Т=
Ы • К • (1 - К)Ехр[1 - В - С ]
Са ■Ра
Л = В= С=
1 - К • Ехр[1 - Л - В - С ] В приведенном выражении введены следующие условные обозначения к • Р- Ь • (1 - К)
Са ■ Ра
кт • Рн • н • (1- - К)
Са •Ра
кт • Р • Ь • (1 - К)
Са •Ра • О0
Таким образом, получено решение задачи о распределении температуры в рециркуляционных контурах с учетом процессов теплообмена и наличия источников тепловыделения.
С его помощью возможен качественный и количественный анализ сопряженного влияния рециркуляции и теплообмена на теплораспределение воздуха в вентиляционном контуре и обоснование возможностей использования рециркуляции для управления тепломассообменными процессами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. - М.: Недра-Бизнесцентр, 2007. - 324 с.
2. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Исследование и разработка рециркуляционных систем проветривания рудников // Горный журнал. - 2006. - № 12. - С. 71-73.
3. Левин Л.Ю., Круглов Ю.В. Исследование рециркуляционного способа проветривания калийных рудников и его экономическая эффективность // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - № 10. - С. 39-48.
4. Lawton B.R. Local cooling underground by recirculation // Transaction of the Inst. Of Mining Engineers. -1993. -Vol. 90, May. - P. 63-68.
5. Hall A.E. The use of controlled recirculation to converse energy // Mine Vent. Proc. 2-nd US Mine Symp., Boston - 1985. - P. 207-215.
6. Andrew O.E. Ventilation of Lake Shore mines // Mining in Canada. Northern Mines Press LTD. - 1957. - 38 p.
7. Burton R.C., Plenderleight W., Stewart J.M., Pretorius B.C., Holding W. Recirculation of air in the ventilation and cooling of deep gold mines // Mine ventilation: 3-d Int. Congress, Harrogate, England. - 1984. - P. 291-299.
8. Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultra-deep platinum mining. The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010.
9. Зайцев А.В., Казаков Б.П., Трушкова Н.А. Применение частичного повторного использования воздуха для снижения количества выпадающей влаги в калийных рудниках // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2012. - № 3. - С. 126-130. ИГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Зайцев Артем Вячеславович - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: aerolog.artem@gmail.com,
Клюкин Юрий Андреевич - ведущий инженер, e-mail: aero_yuri@mail.ru, Трушкова Надежда Анатольевна - аспирант, e-mail: nadya_trushkova@mail.ru, Горный институт Уральского отделения РАН.
UDC 622.4
ANALYTICAL SOLUTION OF AIR TEMPERATURE DISTRIBUTION PROBLEM IN MINE WORKINGS WITH ACCOUNT OF RECIRCULATION
Zaytsev A.V., Candidate of Technical Sciences, Researcher, e-mail: aerolog.artem@gmail.com, Klyukin Yu.A., Leading Engineer, e-mail: aero_yuri@mail.ru, Trushkova N.A., Graduate Student, e-mail: nadya_trushkova@mail.ru, Mining Institute of Ural Branch of Russian Academy of Sciences.
Recirculating systems are currently used as a tool for energy-saving mine ventilation. At the same time, these systems are applicable for improvement of air microclimatic parameters due to air stream velocity and cooling effect increase. In this paper an uninterrupted face ventilation scheme using recirculation is considered. Analytical solution of temperature distribution problem in face is received. Temperature as a function of initial inlet temperature, inlet air flow and recirculation coefficient is determinated. The received solution allows qualitative and quantitative analysis of coupled recirculation-heating influence on heat and air distribution in ventilation circuits. Also the solution represents the physical justification of recirculation applicability for thermal processes control.
Key words: mine, thermal conditions, longwall face, temperature, rock massive, heat transfer, recycling, heat flow.
REFERENCES
1. Mokhirev N.N., Rad'ko V.V. Inzhenernye raschety ventilyatsii shakht. Stroiteïstvo. Rekonstruktsiya. Ek-spluatatsiya (Engineering calculation of mine ventilation. Construction. Reconstruction. Operation), Moscow, Nedra-Biznestsentr, 2007, 324 p.
2. Kazakov B.P., Levin L.Yu. Gornyi zhurnal, 2006, no 12, pp. 71-73.
3. Levin L.Yu., Kruglov Yu.V. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', 2008, no 10, pp. 39-48.
4. Lawton B.R. Local cooling underground by recirculation. Transaction of the Inst. Of Mining Engi-neers.1993.Vol. 90, May. P. 63-68.
5. Hall A.E. The use of controlled recirculation to converse energy. Mine Vent. Proc. 2-nd US Mine Symp., Boston 1985. P. 207-215.
6. Andrew O.E. Ventilation of Lake Shore mines. Mining in Canada. Northern Mines Press LTD. 1957. 38 p.
7. Burton R.C., Plenderleight W., Stewart J.M., Pretorius B.C., Holding W. Recirculation of air in the ventilation and cooling of deep gold mines. Mine ventilation: 3-d Int. Congress, Harrogate, England. 1984. P. 291-299.
8. Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultra-deep platinum mining. The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010.
9. Zaitsev A.V., Kazakov B.P., Trushkova N.A. Vestnik PNIPU. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo. 2012, no 3, pp. 126-130.
A
УМНАЯ КНИГА - ПРЕДМЕТ ПЕРВОЙ НЕОБХОДИМОСТИ_
ОТ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ БЕСХОЗЯЙСТВЕННОСТИ -К РЫНОЧНОМУ КРОХОБОРСТВУ
Мировое лидерство советского научного книгоиздания было связано с большим количеством талантливых ученых и инженеров, видевших в авторском труде смысл своей деятельности, а также с бюджетным финансированием выпуска книг любой тиражности. Далеко не все книги были ценны по содержанию, встречалось немало схоластики, компиляций, политической трескотни, устаревших материалов. Но объем малотиражных книг впечатлял, к тому же большинство из них было доступно читателям.
Конечно, такая полезная для творческого развития общества бесхозяйственность сегодня вряд ли возможна, но отработанные технологии имеет смысл восстановить.
Рыночная стихия не должна загубить этот сектор книгоиздания. Книга не тот товар, где ради выгоды можно нарушать нравственность, сеять невежество и разлагать общество. Особенно научная книга. Сделать научное малотиражное книгоиздание рентабельным можно, но для организации самоокупаемой системы одной отрасли недостаточно.
Прямо или косвенно большая часть расходов на малотиражное научно-техническое книгоиздание погашается из бюджетных источников. Вследствие этого исчезает состязательность, мы имеем неэффективную стабильность управления и его слабую отдачу для образования, низкую оплату труда специалистов и полное отсутствие мотивов для улучшения дел в отрасли. В организации университетского книгоиздания неестественным образом объединились социалистическая безалаберность, лень, отсутствие инициативы с рыночным крохоборством. Кадры управления такими издательствами подбираются чаще всего из старых партийно-хозяйственных функционеров. Рапортовать они умеют, а эффективно работать - нет. Потому научно-технические издательства часто разоряются.
Продолжение на с. 323
