ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В КАМЕРАХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ РАБОТЕ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Вопросы безопасности

Правильная ссылка на статью:

Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Фёдоров Я.В. — Изменение температуры в камерах подземных сооружений при работе дизельных установок // Вопросы безопасности. - 2022. - № 4. - С. 27 - 33. DOI: 10.25136/24097543.2022.4.38938 EDN: DUMHVO URL: https://nbpublish.com'llbrary_read_article.php?id=38938

Изменение температуры в камерах подземных сооружений при работе дизельных установок

Галкин Александр Фёдорович

ORCID: 0000-0002-5924-876Х доктор технических наук

профессор, главный научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И.Мзльникова СО РАН 677010, Россия, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН. Лаборатория геотермии криолитозоны

afgalkin@yandex.ru Панков Владимир Юрьевич

кандидат геолого-минералогических наук

доцент, кафедра "Автомобильные дороги и аэродромы", Северо-Восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова

677027, Россия, республика Саха(Якутия), г. Якутск, ул. Белинского, 58

pankov1956@gmail.ru

Фёдоров Ян Васильевич

студент, кафедра "Строительство автомобильных дорог и аэродромов", Северо-Восточный федеральный

университет им.МК.Аммосова

677000, Россия, г. Якутск, ул. Белинского, 58 pankov1956@inbox.ru

Статья из рубрики 'Технологии и методология в системах безопасности"

DOI:

10.25136/2409-7543.2022.4.38938

EDN:

DUMHVO

Дата направления статьи в редакцию:

13-10-2022

Дата публикации:

30-12-2022

Аннотамиа: Тепловой пежим полземных гоопуженмй кпмопмтозоны пазпмцного

назначения, как связанных , так и не связанных с горным производством, является важным фактором, определяющим их надежную и безопасную эксплуатацию. В связи с этим, прогноз теплового режима в горных выработках является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции подземных сооружений в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты. Одним из главных источников тепловыделений в выработках является работа дизельной техники, которая широко применяется, как при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, так и для обеспечения технологических процессов в подземных сооружениях не горного профиля. Целью исследований являлась количественная оценка влияния работы дизельных установок на тепловой режим в подземных сооружениях криолитозоны. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние дизельной техники на приращение температуры воздуха в подземном сооружении в зависимости от времени года и к.п.д. дизельной установки. Показано, в частности, что в наиболее вероятном диапазоне изменения к.п.д. дизельной установки, температура воздуха может изменяться от 3,2 до 6,3 °С, в зависимости от нормативных значений расхода вентиляционного воздуха. Установлено, что приращение температуры не зависит от количества одновременно работающих дизельных установок и определяется только удельным нормативным расходом воздуха (м3/с на 1кВт мощности установки).

Ключевые слова:

подземное сооружение, тепловой режим, дизельная установка, температура, криолитозона, расчет, мощность, эффективность, вентиляция, безопасность

Введение. Тепловой режим подземных сооружений криолитозоны различного назначения, как связанных (шахты, рудники), так и не связанных (склады, убежища) с горным производством является важным фактором, определяющим их надежную и

безопасную эксплуатацию [1,2,3,4]. Особенно негативное влияние теплового фактора сказывается при эксплуатации подземных сооружений, расположенных в дисперсных мерзлых породах, когда в зоне теплового влияния выработок находятся насыщенные льдом породы (льдогрунты) или ледяные включения в породном массиве. Даже при отрицательной температуре воздуха в выработках льдонасыщенные дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на безопасности

эксплуатации подземных сооружений в криолитозоне [5'6,7'8,9]. В связи с этим, прогноз теплового режима в горных выработках является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции подземных

сооружений в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты [4,10,11,12]. На формирование теплового режима подземных сооружений оказывают влияние множество факторов (источников тепла), которые условно можно разделить на относительные (мощность которых зависит от температуры воздуха в выработке) и абсолютных

(мощность которых не зависит от температуры воздуха) Во многих случаях, именно абсолютные источники являются основными и определяют тепловой режим в подземных

сооружениях [13'14'15'16'171. Одним их таких источников тепловыделений является работа дизельной техники, которая широко применяется, как при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, так и для обеспечения технологических процессов в подземных сооружениях не горного профиля.

Целью настоящих исследований являлась количественная оценка влияния работы дизельных установок на тепловой режим в подземных сооружениях криолитозоны.

Метод. Если рассматривать дизельную машину, как точечный абсолютный источник тепла, то основная расчетная формула будет иметь вид И81:

где

At

приращение температуры воздуха в выработке, ОС; N - мощность двигателя, кВт; ^ - к.п.д. двигателя, д.е.; Р- плотность воздуха, кг/м3; с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг 0С; <3 - расход воздуха в выработке, м3/с.

Расход воздуха в выработке при работе дизельной техники определяется по формуле: < = QoN (2)

где - <о нормативный расход воздуха на один кВт мощности двигателя (0.113 м3/с при нормативе 5.0 м3/мин. на 1 л.с. или 0.086 м3/с при нормативе 3.5 м3/мин. на 1 л.с.). Общая формула для перевода нормативного расхода воздуха в [(м3/мин)/(л.с.)] в [(м3/с)/(кВт)] имеет вид

<о (кВт) = 0,023 + 0,018< о (л.с.). (3)

Подставляя выражение (2) в (1), с учетом (3), получим:

Здесь <о - нормативный расход воздуха на одну л.с. мощности двигателя, м3/мин.

Результаты и обсуждение. Анализ выражения (4) показывает, что суммарная мощность дизельных установок (количество одновременно работающих машин в горной выработке) не оказывает влияния на приращение температуры воздуха в выработке, которое, главным образом, определяется средним значением к.п.д. дизельного двигателя. Причем, приращение температуры в летний период (при постоянном к.п.д.), естественно больше, чем в зимний (в среднем, на 10%), т.к. плотность воздуха зимой выше, а влагосодержание ниже.

На графиках (рис. 1) приведены зависимости приращения температуры от к.п.д. двигателя при различных нормативных расходах воздуха.

Рис. 1. Приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке

Примечания: 1-в зимний период (при нормативе 5м3/мин. на 1 л.с.); 2-в летний период

(при нормативе 5м3/мин. на 1 л.с.); 3-в зимний период (при нормативе 3.5 м3/мин. на 1

л.с.); 4-в летний период (при нормативе 3.5 м3/мин. на 1 л.с.); 5-в зимний период (при

нормативе 2.8 м3/мин. на 1 л.с.); 6-в летний период (при нормативе 2.8 м3/мин. на 1 л.с.).

Из графиков следует, что максимальное приращение температуры при нормативном

расходе 5м3/мин. на 1 л.с. может достигать для наиболее вероятного значения к.п.д. дизельного двигателя (0.4-0.5) 3,2-4,3 0С. При снижении нормативного расхода до 2.8

м3/мин. на 1 л.с. приращение температуры возрастает до 4.7- 6.3 0С.

На рисунке 2 представлены графики приращения температуры воздуха в подземной выработке (камере) при работе дизельной технике в диапазоне изменения расхода

воздуха от 2,0 до 5,0 м3/мин. на 1 л.с. при различных значениях к.п.д. двигателя. Как видно из графиков, с уменьшением нормативного расхода воздуха температура воздуха в выработке повышается. Причем, чем меньше к.п.д. двигателя, тем темп изменения выше. От количества машин, работающих в выработке одновременно, изменение температуры не зависит. Изменение в летний период незначительно больше, чем в зимний.

Рис. 2. Приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке в зависимости от величины нормативного расхода воздуха

Примечания: 1-в зимний период (при к.п.д. 0,5); 2-в летний период (при к.п.д. 0,5); 3-в зимний период (при к.п.д. 0,4); 4-в летний период (при к.п.д. 0,4); 5-в зимний период (при к.п.д. 0,3); 6-в летний период (при к.п.д. 0,3).

На рисунке 3 представлен 3D график приращения температуры воздуха в выработке (камере) при работе дизельной технике в различных диапазонах изменения нормативных расходов воздуха на 1 л.с. и к.п.д. дизельного двигателя.

Рис. 3. Приращение температуры воздуха (Т, 0С) при работе дизельной техники в

выработке:

1- в зимний и 2- в летний период года

Анализ графиков на рисунке подтверждает ранее сделанные вводы о роли дизельной техники в формировании теплового режима камер подземного сооружения. Для

рассматриваемых условий приращение температуры воздуха не превысит 6,50С. Причем, как в зимний, так и летний периоды года это улучшит климатические условия в горных выработках.

Заключение. Выполнена оценка влияния работы дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений при различных нормативных значениях расхода воздуха. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и 3D графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние дизельной техники на приращение температуры воздуха в подземном сооружении в зависимости от времени года и к.п.д. дизельной установки. Показано, в частности, что в наиболее вероятном диапазоне изменения к.п.д. дизельной установки, температура воздуха может изменяться от 3,2 до 6,3 0С, в зависимости от нормативных значений расхода вентиляционного воздуха. Эти приращения являются значительными и могут оказать существенное влияние на выбор параметров крепи в подземном сооружении. Установлено, что приращение температуры не зависит от количества одновременно работающих дизельных установок и определяется только удельным нормативным

расходом воздуха (м3/с на 1кВт мощности установки).

Статья имеет прежде всего методическое значение и позволяет на конкретном примере детально проследить пути качественного и количественного анализа ожидаемого влияния дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений криолитозоны. Статья может быть полезна как инженерам-проектировщикам и практикам горного строительства, так и научным работникам в области горной теплофизики и рудничной аэрологиии. В методическом плане статья может представлять интерес для аспирантов, обучающимся по различным специализациям направления 2.6.8 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» а также студентам, обучающимся по горным и строительным специальностям данного направления. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку формирования теплового режима в камерах подземных сооружений при непостоянной (периодической) работе дизельных установок и, соответственно, различном режиме вентиляции камер.

Библиография

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики. М.:Недра.1968. 256с.

2. Скуба В.Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1974. 118 с.

3. Шерстов В.А. Повышение устойчивости выработок россыпных шахт Севера. Новосибирск : Наука, 1980. 56 с.

4. Кузьмин Г.П. Подземные сооружения в криолитозоне. Новосибирск: Наука, 2002.176 с.

5. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Новосибирск: Наука, 1975. 176 с.

6. Teng J, Shan F, He Z, Zhang S, Sheng D (2018) Experimental study of ice accumulation

in unsaturated clean sand. Géotechnique. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208

7. Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature Effect on the Compressive Strength of Frozen Soils: A Review. Recent Advances in Geotechnical Research, Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 2019, 227-236.

8. Вялов С.С. Реологические основы механики мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1978. 447 с.

9. Цытович Н.А. Механика мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973. 448 с.

10. Галкин А.Ф. Тепловой режим рудников криолитозоны//Записки Горного института. 2016. Т.219. С. 377-381.

11. Вернигор В.М., Морозов К.В., Бобровников В.Н. О подходах к проектированию теплового режима рудников в условиях многолетнемерзлых пород// Записки Горного института. 2013. Т. 205. С. 139-140.

12. Шувалов Ю.В., Галкин А.Ф. Теория и практика оптимального управления тепловым режимом подземных сооружений криолитозоны//Горный информационно-аналитический бюллетень(научно-технический журнал).2010. № 8. С.365-370.

13. Sh. Zhu, Sh. Wu , J. Cheng , S. Li and M. Li. An Underground Air-Route Temperature Prediction Model for Ultra-Deep Coal Mines. Minerals, 2015, 5, 527-545; doi:10.3390/min5030508

14. Лашин А.А. Влияние твердеющей закладки в очистных камерах на микроклимат глубоких шахт//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2014. №10(68). С.3-11.

15. Казаков Б. П., Шалимов А.В., Зайцев А.В. Влияние закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках в условиях рудников ОАО «Норильский никель» //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2012. № 2. С. 110-114.

16. Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Соловьев Д.Е. Особенности формирования теплового режима россыпных шахт криолитозоны при ведении добычных работ с применением самоходной техники// Горный журнал. 2015. №4. С.29-32.

17. Казаков Б.П., Зайцев А.В. Исследование процессов формирования теплового режима глубоких шахт и рудников//Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014. № 10.С. 91-97.

18. Галкин А.Ф., Дормидонтов А.В., Курта И.В., Короткова К.Б. Влияние дизельных машин на температурный режим горных выработок // Естественные и технические науки. 2018. №5. С.84-86.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.

Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

В представленной на рецензирование статье исследуется изменение температуры в камерах подземных сооружений при работе дизельных установок в контексте обеспечения безопасности.

Методология исследования базируется на рассмотрении дизельной машины в качестве точечного абсолютного источника тепла, применении метода математического моделирования теплового режима и визуализации результатов расчетов. Актуальность работы авторы связывают с негативным влиянием теплового фактора при эксплуатации подземных сооружений, расположенных в дисперсных мерзлых породах,

когда в зоне теплового влияния выработок находятся насыщенные льдом породы (льдогрунты) или ледяные включения в породном массиве, отмечают, что даже при отрицательной температуре воздуха в выработках льдонасыщенные дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на безопасности эксплуатации подземных сооружений в криолитозоне.

Научная новизна рецензируемого исследования, по мнению рецензента состоит в проведенной оценке влияния работы дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений при различных нормативных значениях расхода воздуха.

В тексте статьи структурно выделены следующие смысловые разделы: Введение, Цель, Метод, Результаты и обсуждение, Заключение и Библиография.

Авторы приводят расчетные формулы для оценки приращения температуры воздуха в выработке, расхода воздуха в выработке при работе дизельной техники, перерасчета (перевода) нормативного расхода воздуха из одних единиц измерения в другие. На основе проведенных вычислений делается вывод о том, что суммарная мощность одновременно работающих машин в горной выработке не оказывает влияния на приращение температуры воздуха в выработке, которое, главным образом, определяется средним значением коэффициента полезного действия дизельного двигателя; отмечают, что приращение температуры в летний период в среднем на 10 % больше, чем в зимний, поскольку плотность воздуха зимой выше, а влагосодержание ниже. Текст иллюстрирован тремя рисунками, на которых показано приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке, ее зависимости от величины нормативного расхода воздуха, изменение температуры в зимний и летний периоды года. В Заключении подведены итоги исследования, показаны возможности практического использования полученных результатов и перспективы дальнейших разработок по оценке формирования теплового режима в камерах подземных сооружений при непостоянной (периодической) работе дизельных установок и, соответственно, различных режимах вентиляции камер.

Библиографический список включает 18 источников - публикации отечественных и зарубежных ученых теме статьи за период с 1968 по 2019 годы. В тексте имеются адресные ссылки на литературные источники, подтверждающие наличие апелляции к оппонентам.

В качестве замечаний следует отметить следующие моменты. Во-первых, представляется целесообразным расширить библиографический список за счет публикаций, изданных в последние годы. Во-вторых, для облегчения восприятия представленной на рисунке 2 информации его стоит увеличить.

Рецензируемый материал соответствует направлению журнала «Вопросы безопасности», подготовлен на актуальную тему, содержит теоретические обоснования, элементы научной новизны и практической значимости, отражает результаты проведенных автором статьи расчетов, которые могут вызвать интерес у читателей. Статья рекомендуется к опубликованию после некоторой доработки в соответствие с высказанными замечаниями.