CC BY
46
© П.Н. Васильев, Ю.А. Хохолов, А.П. Ефремов, С.М. Огнев, 2002
УДК 622.4:536.244:[622]
П.Н. Васильев, Ю.А. Хохолов, А.П. Ефремов,
С.М. Огнев
ФОРМИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫРАБОТОК ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ШАХТЫ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Значительная часть угольных месторождений Республики Саха (Якутия), находящаяся в условиях многолетней мерзлоты, имеет благоприятные горно-геологические условия для отработки их комбинированным способом, предусматривающим, как правило, первоначальную отработку месторождения открытыми горными работами, а затем - подземными. При этом неизбежно возникает зависимость подготовки подземных горных работ и извлечения полезного ископаемого подземным способом от состояния ведения открытых горных работ. От взаимоувязки всех горных работ во времени и пространстве, решаемой еще на стадии рабочего проектирования, зависит стабильная, планомерная работа угледобывающего предприятия.
При комбинированной разработке месторождений, находящихся в условиях многолетней мерзлоты, приходится дополнительно решать вопросы регулирования теплового режима шахты, которые неизбежно ведут к увеличению затрат и сроков подготовки подземных горных работ.
На шахте «Джебарики-Хая» ГУП «Якутуголь» накоплен положительный опыт регулирования теплового режима шахты с помощью специально пройденных теплоаккумули-рущих выработок (ТАВ), предназначенных для подогрева (зимой) или охлаждения (летом) до270-268К (-3+-5 °С) воздуха, поступающего в очистные и подготовительные забои до естественной температуры окружающих горных пород [1].
В ИГДС СО РАН разработана технология формирования вентиляционных выработок для регулирования теплового режима шахты при комбинированной разработке месторождений, заключающаяся в следующем. По мере приближения вскрышных и очистных работ к границе 1 (рис. 1) между открытыми и подземными горными работами, в выработанном пространстве карьера 2 в выбранном месте устанавливают крепь ТАВ 3 и соединительной выработки 4. Затем установленная и смонтированная крепь засыпается пустыми породами 5 от продолжающихся вскрышных работ. Одновременно производят засыпку устанавливаемых железобетонных колец вентиляционного канала 6. После полного прекращения открытых горных работ, остановлен-
ных у границы 1 , производят монтаж вентиляционной установки 7. Соединительную выработку 4, имеющую вентиляционное окно с изменяющимся сечением, соединяют с подземными горными выработками 8 подземных горных работ с помощью галереи 9, которую выполняют воздухоизоляционной, либо засыпают также породами вскрыши.
Регулирование теплового режима выполняют, пропуская подаваемый в подземные горные выработки 8 воздух через ТАВ. В зимнее время воздух в ТАВ нагревается в результате теплообмена с окружающими горными породами и поступает в выработки 8 с температурами, приближающимися к температурам горного массива. В это время ТАВ 3 накапливают холод за счет теплоемкости пород, окружающих их. В летнее время воздух с положительными температурами в ТАВ охлаждается и поступает в выработки 8.
В весенне-осеннее время, когда температура поступающего воздуха находится около 273К (0 °С), в соединительной выработке 4 открывают вентиляционное окно с изменяющимся сечением и воздух, минуя ТАВ 3, поступает в подземные горные выработки. Изменяя сечение вентиляционного окна от 0 до полного сечения соединительной выработки 4, можно в широких пределах управлять температурой поступающего в подземные выработки воздуха. Регулирование температуры поступающего воздуха может осуществляться как в сезонное время, так и в течение суток.
В случае аварий в подземных выработках (пожар, взрыв пыли и др.) ТАВ 3 изолируются закрыванием вентиляционных дверей и используется соединительная выработка 4, чем достигается уменьшение протяженности вентиляционной сети и сокращается расстояние для вывода людей из шахты.
Учитывая, что крепь ТАВ и засыпка ее пустыми породами производится на дневной поверхности, есть возможность выбора пустых пород с наилучшими теплофизическими свойствами, обеспечивающими более эффективный теплообмен, что неизбежно сказывается на сокращении общей протяженности ТАВ.
Поскольку минимальную длину ТАВ можно определять по расчетам ИГД им. А.А. Скочинского [2], выполненным по методикам Ю.Д. Дядькина (ЛГИ), М.М. Шемаханова
Рис. 1. Общий вид комбинированной разработки угольного месторождения: 1 - граница между открытыми и подземными горными работами; 2 - выработанное пространство; 3 - теплоаккумулирующие выработки; 4 - соединительная выработка; 5 - пустые породы; 6 -вентиляционный канал; 7 - вентиляторная установка; 8 - подземные горные выработки; 9 - галерея
(МГИ) и Б.И. Медведева (ДПИ), остановимся на обосновании выбора горных пород с оптимальными теплофизическими свойствами, оценке влияния их влажности и плотности укладки, а также толщины крепи выработок на эффективность регулирования температуры воздуха. Длину ТАВ для расчетов принимаем условно 1000 м.
Для моделирования тепловых процессов в ТАВ и окружающем их массиве горных пород была использована ранее разработанная в ИГДС математическая модель процесса теплообмена в ТАВ [3]. Исходные уравнения математической модели исследуемого процесса с учетом следующих общепринятых условий:
1. Вводится эквивалентный радиус выработки, а уравнение теплопроводности для массива горных пород записывается в цилиндрической системе координат. Эквивалентный радиус некруглого поперечного сечения выработки составляет [4]:
R1 — 0.564 -л/^,
(1)
где Rl - радиус выработки, м; S - площадь сечения выработки, м2;
2. Температура воздуха в выработке берется как среднее значение температуры по сечению выработки, т.е. оно одинаково по всей площади поперечного сечения.
3. Кондуктивной составляющей теплопереноса в выработке можно пренебречь, т.к. конвективная составляющая намного превышает ее значения.
Процесс распространения тепла в массиве пород с учетом фазовых переходов влаги описывается следующим уравнением [5]:
д
дТ 1 д
[С (Т) + Ь„^Т - 273)]-ТГ - - -
гТ
ЦТ )Я —
дR
+
дх
ЦТ)—
дх
Я1 <R <R2,0 < х < Ь;
(2)
С (Т) =
Ц(Т) =
СіРі;Т < 273; С2Р2Т >273. Ц;Т < 273; Ц;Т >273;
(3)
(4)
где С - объемная теплоемкость породы, Дж/(м -К); Т - температура породы, К; Ь1 - теплота фазовых переходов воды, Дж/кг; ю - суммарная весовая влажность породы, доли ед.; р
- плотность породы, кг/м3; д(Т) - дельта-функция Дирака; ґ -время, с; Я - координата, м; X - коэффициент теплопроводности породы, Вт/(м-К); х- координата, м; Я2 - радиус теплового влияния, м; Ь - длина выработки, м; с1 . удельная теплоемкость мерзлой породы, Дж/(кг-К); с2 . удельная теплоемкость талой породы, Дж/(кг-К); р1 - плотность мерзлой породы, кг/м3; р2 - плотность талой породы, кг/м3; Х1 - коэффициент теплопроводности мерзлой породы, Вт/(м-К); Х2 -коэффициент теплопроводности талой породы, Вт/(м-К). Фазовые переходы учитываются с помощью 5-функции Дирака.
Уравнение энергии для вентиляционной струи в выработке имеет вид:
дТ дТ 2а
с3Р3~т~ + с3Р3у~тТ3~ — 1УУ(Т1 -Т3^°<х <Ь> (5)
дґ дx Rl
где с3 - удельная теплоемкость влажного воздуха, Дж/(кг-К); р3 - плотность воздуха, кг/м3; Т3 - температура воздуха, К; V - скорость воздуха, м/с; а- коэффициент теплообмена, Вт/(м2К); Т1 - температура стенки выработки, К.
Теплоемкость воздуха рассчитывается с учетом влажности воздуха по формуле [4]:
с3 = с3 +(г + Ь\)пф, (6)
где с’3 - удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг-К); г
- скрытая теплота парообразования, рис. 2. Зависимость
Дж/кг; ф - относительная влажность максимальной летней
воздуха, доли ед. При температуре и минимальной зим-
воздуха Т3>273Ё в формуле (6) при- ней температур возду-
ха на выходе из систе-
нимается Ь1 = 0. Коэффипиент п мы тав от плотности
учитывает зависимость влагосодер- горной породы при
жания насыщенного водяными па- влажности а = 0.2: 1 -
рами воздуха от его температуры и суглинок; 2 - супесь; 3
определяется по таблице из работы - песок
[4].
На границе выработки задается граничное условие Ш рода:
дТ
а(Т1 -Т3) = Ц-------------, Я = Я
дЯ
(7)
Систему уравнений (1)-(7) для замыкания необходимо дополнить граничными и начальными условиями. В начальный момент времени обычно задается распределение температур:
Т3 = Т0, 0 < х < Ь; (8)
Т = Т0, 0 < х < Ь, Rl < R < R2, (9)
где Т0 - начальная температура, К.
На глубине теплового влияния при R=R2 температура принимается равной естественной температуре пород Т2:
Т = Т2, 0 < х < Ь, R = R1. (10)
При х = 0 и х = Ь задается граничное условие II рода:
дТ
-----— 0, Яі < Я < Я2.
дх
(11)
И последним граничным условием является задание температуры воздуха на входе в систему ТАВ. Принято, что температура поступающего в выработку воздуха изменяется в течение года по гармоническому закону:
— 75 +74 + Т5-Т4 -81ПГ.[720СМ-1)±1+1800]) — о, (12)
- + -22
4320
где Т4 - средняя июльская температура атмосферного воздуха, К; Т5 - средняя январская температура атмосферного воздуха, К; М - порядковый номер месяца, 1<М<12; х - текущее время, час,(0 < х < 720).
Система дифференциальных уравнений в частных производных решена методами конечных разностей [6], причем при аппроксимации уравнения теплопроводности для массива горных пород использован общеизвестный метод сглаживания [7].
Для определения коэффициента теплообмена использована обобщенная зависимость [8]:
№ = 0.0195-а-Яе0'8, (13)
д
где N4 - критерий Нуссельта; Яе - критерий Рейнольдса; є -коэффициент шероховатости.
Влияние конструкции крепи на теплообмен учитывается зависимостью:
1
а—-гт, (14)
----1---
а0 Ц3
где ао- коэффициент теплообмена без учета крепи, Вт/(м2-К); d - толщина крепи, м; - коэффициент теплопроводности крепи, Вт/(м-К).
Основными факторами, влияющими на формирование теплового режима в ТАВ и температуру воздуха при выходе из системы ТАВ, являются их протяженность (длина), расход подаваемого воздуха, тип горных пород. Массив пород вокруг сооружения состоит из насыпной породы, получаемой из открытых горных работ. Структура пород в насыпях будет иной по сравнению со структурой их в естественном залегании. Поэтому при тепловых расчетах породы подразделяются в зависимости от их состояния (мерзлые или талые), дисперсности (пески, супеси, суглинки и глины), объемного веса скелета (минеральной плотности) и общей весовой влажности. Были рассмотрены 3 типа пород: пески, супеси и суглинки (глины). Теплофизические характеристики пород в талом и мерзлом состояниях в зависимости от их плотности и влажности заимствованы из работы [9], где были обобщены материалы ряда исследователей о тепловых характеристиках пород. Расчеты выполнены для следующих исходных данных: общая длина ТАВ 1000м, площадь поперечного сечения 8 м2, расход воздуха 30 м3/с, Т5 = 225 К, Т4 = 293 К, материал сооружения - железобетон толщиной 0.2 м.
На рис. 2 приведены расчетные зависимости летней и зимней температур воздуха на выходе из системы ТАВ от плотности породы при суммарной весовой влажности ю =
0,2. По результатам расчета можно сделать вывод о том, что повышение плотности пород увеличивает их теплоаккумулирующую способность. При этом у песка теплоаккумулирующая способность выше, чем у других типов пород, которая объясняется тем, что за счет относительно высокой теплопроводности песок аккумулирует больше энергии, хотя объемные теплоемкости у 3-х видов пород почти одинаковы.
Влияние влажности пород на температурный режим системы ТАВ показано на рис. 3. За счет скрытой теплоты фазовых переходов в влагонасыщенных породах можно повысить эффективность работы в системе.
Конструкция из железобетона является дополнительным термическим сопротивлением при теплообмене вентиляционного воздуха с массивом пород. На рис. 4 показано влияние толщины конструкции на изменение температуры на выходе из системы ТАВ в течение года. Конструкция должна иметь только достаточную для прочности толщину и обеспечивать интенсивный теплообмен между воздухом и массивом пород.
Известно, что основную роль при формировании теплового режима играют длина ТАВ и расход воздуха [3,4]. На
Рис. 3. Влияние влажности горных пород на летнюю и зимнюю температуры воздуха на выходе из системы ТАВ:
1 - суглинок; 2 - супесь; 3 - песок
рис. 5 показаны распределения температур воздуха по длине ТАВ летом. Длина сооружения обычно выбирается с учетом всех приведенных затрат на сооружение в зависимости от проектируемого расхода воздуха.
Расстояние между выработками выбирается таким образом, чтобы исключить взаимное тепловое влияние между ними. Результаты расчетов, а также выводы отдельных авторов [10] показывают, что отношение радиуса влияния к радиусу протаивания равно 4,5-5. Радиус протаивания зависит от многих факторов и лежит в пределах от 1 до 2 м. Таким образом, расстояние между выработками должно составить не менее 10 м.
Рис. 4. Изменение в течение года наружной температуры и температуры воздуха на выходе из системы ТАВ при ее длине 1000 м при разной толщине затяжки крепи: 1 - наружная температура воздуха; 2 -температура воздуха на выходе из ТАВ при толщине затяжки 5 = 0.2 м; 3 - то же при толщине затяжки 5 = 0.05 м.
Рис. 5. Распределение летней температуры воздуха по длине ТАВ, расположенной в песке, при различных расходах воздуха: 1 - G = 50 м3/с; 2 - G = 30 м3/с; 3 - G = 20 м3/с; 4 - G = 10 м3/с
Глубина расположения ТАВ выбирается с учетом радиуса температурного влияния и сезонной глубины протаива-ния, которая, как правило, не превышает 2-2.5 м. Таким образом, ТАВ должны располагаться на глубине не менее 1012 м.
Выводы
1. Горные породы вокруг сооружения должны укладываться плотно.
2. Наиболее теплоаккумулирующей способностью обладает песок по сравнению с супесью, глиной и суглинком.
3. Увлажнение пород увеличивает их теплоаккумулирующую способность.
4. Конструкция крепи должна обладать наименьшей тепловой сопротивляемостью, которая достигается повышением теплопроводности материала или уменьшением толщины конструкции, но не в ущерб ее прочности.
Преимуществами данной технологии формирования вентиляционных выработок шахты являются:
• исключение потерь полезного ископаемого вокруг ТАВ;
• сравнительно низкая трудоемкость возведения крепи выработок и каналов вентиляционной сети;
• совмещение работ по формированию вентиляционной сети с подземными горными работами по вскрытию и подготовке шахты к эксплуатации;
• возможность возведения вокруг сети ТАВ контура с оптимальными теплофизическими свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комплекс мероприятий по созданию микроклиматических условий в шахтах Крайнего Севера, информационный листок Якутского ЦНТИ, - Якутск,
1976. - 4 с.
2 . Т ехнолог ич ески е схемы оч и ст-ных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты, учитывающие применение систем и средств регулирования теплового режима. - М., ИГД им. А.А. Скочинского, - 262 с.
3. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Тепло-аккумулирущие выработки. - Новосибирск: Наука, 1992. - 133 с.
4. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. -М.: Недра, 1968. - 255 с.
5. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1977. - 736 с.
6. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.
7. Самарский АА., Моисеенко БД. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана //Журнал вычислит. мат. и мат. физики. - 1965. - Т.5, №5. - С. 816827.
8. Щербань А.Н., Кремнев ОА., Жу-равленко В.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. - М.: Недра,
1977. - 359 с.
9. Общее мерзлотоведение. - Новосибирск: Наука, 1974. - 292 с.
10. Зильберборд А.Ф., Горская Г.С., Городецкая МА. Тепловой режим подземных сооружений и инженерногеологические условия их оптимального размещения. - М.: Недра, 1977. - 151 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Васильев Петр Назарович - старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера СО РАН (ИГДС СО РАН). Хохолов Юрий Аркадьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГДС СО РАН.
Ефремов Александр Петрович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ИГДС СО РАН.
Огнев Сергей Михайлович - научный сотрудник ИГДС СО РАН.
