CC BY
81
© А.А. Мартынов, А.А. Мартынов,
2003
УЛК 622.413.4
А.А. Мартынов, А.А. Мартынов
К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ОХЛАЖЛЕНИЯ ВОЗЛУХА В ГЛУБОКИХ ШАХТАХ ЛОНБАССА С УЧЕТОМ ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА (ГЕРМАНИИ)
В Украинской части Донбасса глубина разработки угольных пластов на многих шахтах достигает 1000 м и более. Температура горного массива составляет 40-50 °С. Шахты характеризуются большой протяженностью и разветвленностью вентиляционных сетей горных выработок. При отработке глубоких горизонтов остро стоит проблема нормализации теплового режима в горных выработках.
Согласно требованиям Правил безопасности в угольных шахтах Украины температура рудничной атмосферы на рабочих местах в горных выработках с учетом скорости и относительной влажности воздуха не должна превышать 22-26 °С. Указанные параметры в условиях целого ряда действующих глубоких шахт Донбасса практически не могут быть обеспечены. Для глубоких шахт Донбасса требуется выполнение комплекса мер по применению искусственного охлаждения воздуха, охране труда горнорабочих в условиях повышенных температур рудничной атмосферы и дифференциация норм шахтного климата для горных выработок (рабочих зон) с тяжелыми тепловыми условиями труда.
Постановлением совместной коллегии Минтруда, Госнадзо-рохрантруда, Минздрава, Мин-углепрома, ЦК профсоюза работников угольной промышленности Украины №16/19/16 (1996 г.) на шахтах запрещена подготовка новых выемочных участков на глубинах ведения горных работ 1000 м и более без решения вопроса по норма-
лизации теплового состояния рудничной атмосферы.
Осуществляемая в последние годы реструктуризация угольной промышленности, заключающаяся в закрытии ряда старых нерентабельных шахт, практически не снизила остроту проблемы с нормализацией температурных условий в горных выработках. Из общего количества наиболее глубоких шахт в Украинском Донбассе выбыли из эксплуатации только единицы.
До последнего времени основным способом нормализации тепловых условий в выработках наиболее высокотемпературных глубоких шахт являлось искусственное охлаждение воздуха. С начала 60-х годов развитие искусственного охлаждения воздуха в глубоких шахтах Донбасса характеризовалось широким применением крупных стационарных холодильных установок. Стационарными холодильными установками было оборудовано 20 % шахт с повышенными температурами воздуха в горных выработках. Установки оборудовались преимущественно турбокомпрес-
сорными холодильными машинами ХТМФ-248-4000, ХТМФ-235М-2000, 20ТХМВ-4000-2,
размещаемыми на поверхности шахты. Мощность холодиль-ных станций составляла от 4 МВт до 20 МВт. Охлаждение воздуха осуществлялось в воздухоохладителях, установленных на выемочных участках и в тупиковых подготовительных выработках. При работе стационарной холодильной установки температура воздуха, поступающего через воздухоохлади-
тели, понижалась на 6-10 °С. Передача теплоты, отбираемой от рудничного воздуха в воздухоохладителях, к холодильной машине осуществлялась с помощью хладоносителей систем низкого и высокого давления, связанных между собой теплообменником высокого давления. Общая холодильная мощность сооруженных на глубоких шахтах Донбасса установок превышала 200 МВт.
К настоящему времени парк эксплуатировавшейся на шахтах стационарной холодильной техники морально и физически устарел. Практически все установленные крупные холодильные машины на шахтах имеют запредельный срок эксплуатации (более 20 лет). В связи с указанным существует острая необходимость их замены, поиска и выбора альтернативных решений, которые позволили бы в кратчайшие сроки обеспечить нормализацию тепловых условий в глубоких шахтах.
Для улучшения температурных условий в горных выработках шахтами выполняются в настоящее время в основном горнотехнические мероприятия по снижению нагрева воздуха, поступающего на проветривание лав и тупиковых подготовительных выработок [1, 2]. Однако осуществление горнотехнических мероприятий в условиях высоких температур горного массива не обеспечивает поддержание температурных условий в пределах допустимых значений.
Прогноз температуры воздуха и холодопотребности выемочных участков и тупиковых подготовительных выработок ряда глубоких шахт (им. А.Ф. Засядько, им. А.А. Скочинско-го, «Шахтерская - Глубокая», «Прогресс» им. В.М. Бажанова, им. Я.М. Свердлова, «Красный Партизан» и др.) показывает, что температура воздуха в очистных и подготовительных тупиковых выработках этих шахт без принятия действенных мер по кондиционированию воздуха может составить 30-38 °С. Наиболее тяжелые температурные условия ожидаются в тупико-
вых подготовительных выработках большой протяженности (1000-2000 м) и в высокопроизводительных лавах при ведении горных работ в уклонных полях. Холодопотребность
только одного выемочного участка в соответствии с прогнозными тепловыми расчетами составляет от 520 кВт до 890 кВт. Холодопотребность призабойных зон тупиковых подготовительных выработок при буровзрывном способе проходки находится, в основном, в пределах 70-135 кВт, а при скоростной комбайновой проходке превышает 200 кВт.
Расчетная суммарная холодопотребность одновременно работающих лав и тупиковых подготовительных выработок в пределах одного блока, панели или крыла (две лавы и два-три тупиковых забоя) на рассмотренных выше действующих глубоких шахтах находится в пределах 1500-2300 кВт. Для поддержания в призабойных рабочих зонах лав и тупиковых подготовительных выработок регламентируемых Правилами
безопасности тепловых условий температура поступающего на проветривание воздуха должна поддерживаться в пределах 16,7-20,4 °С, для тупиковых выработок с комбайновым проведением - до 16,0 °С.
Номенклатура и объемы выпуска средств охлаждения воздуха для шахтных условий эксплуатации на предприятиях Украины ограничены. Взамен шахтных передвижных кондиционеров КПШ-90 и 20КПШ 115, использующих в качестве
рабочего вещества холодильный агент ^2, Одесским заводом ОАО «Холодмаш» с 1995 г. серийно выпускаются шахтные кондиционеры КПШ 130-2-0 холодильной мощностью 130 кВт. В качестве рабочего вещества в кондиционерах данного типа используется холодильный
агент R22. Кондиционеры используются в составе передвижных холодильных установок, предназначенных преимущественно для охлаждения воздуха, подаваемого на проветривание тупиковых подготовительных выработок [3].
Для нормализации тепловых условий в лавах глубоких шахт холодильная мощность кондиционера КПШ 130-2-0 недостаточна.
Для охлаждения воздуха на выемочных участках некоторых шахт в настоящее время применяются стационарные установки кондиционирования шахтного воздуха с подземным расположением холодильных машин. Положительный опыт охлаждения рудничного воздуха на основе использования подземных холодильных машин накоплен на шахте “Глубокая” шахтоуправления “Донбасс” ГХК “Донуголь”. Для охлаждения воздуха в лавах и горнопроходческих выработках на шахте используется подземная холодильная машина 21ШМКТ 820-2-0 с винтовым компрессором с холодильной мощностью 1000 кВт.
Холодильная машина 21ШМКТ 820-2-0 (изготовитель - Казанский компрессорный завод) выполнена в виде двух основных
блоков - винтового компрессорного агрегата и агрегата теплообменного, смонтированных на специальных рамах. При доставке в шахту и перемещении по горным выработкам каждый агрегат может транспортироваться отдельно.
В составе шахтной установки кондиционирования воздуха холодильная машина размещена в сбойке между конвейерным и вспомогательным уклонами и предназначена для охлаждения воздуха в двух лавах на глубине 900-990 м (рисунок).
Холодильная машина обеспечивает охлаждение хладоно-сителя (воды), подаваемого по трубопроводной сети к воздухоохладителям, размещаемым в непосредственной близости от лав и забоев горнопроходческих выработок. Охлаждение воздуха осуществляется с помощью агрегатированных воздухоохладителей АРВЭ-3-4. В каждом воздухоохладителе охлаждается 50-70% воздуха, поступающего по участковым воздухоподающим выработкам на проветривание лав. В воздухоохладителях температура охлаждаемого воздуха понижается на 6-8 °С. Отвод теплоты конденсации холодильного агента при работе машины осуществляется оборотной водой, охлаждаемой исходящей вентиляционной струей в подземном форсуночном во-доохладителе, расположенном в горной выработке вблизи вентиляционного ствола.
В Украине выпуск аналогичного комплекса холодильного оборудования для кондициони-
Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ААННЫЕ ХОЛОАИЛЬНЫХ МАШИН С ВИНТОВЫМИ КОМПРЕССОРАМИ АЛЯ ПОАЗЕМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ
Наименование показателей Тип машины фирмы GFW (Германия) Тип машины фирмы «Wende иЫ Маііег» (Германия)
КМ 1000 КМ 2000 КМ 3000 WKM 2 -1000 WKM 2 -2200
Холодильная мощность, кВт 925 1750 2600 1000 2150
Температура хладоносителя:
на входе в испаритель, °С 18,0 18,0 18,0 20,0 20,0
на выходе из испарителя, °С 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0
Температура охлаждающей воды:
на входе в конденсатор, °С 31,0 31,0 31,0 32,0 32,0
на выходе конденсатора, °С 40,0 40,0 40,0 42,0 42,0
Холодильный агент R22 R22 R22 R22 R22
Расход охлаждающей воды, м3/ч 117 220 290 120 230
Установленная мощность, кВт 275 500 790 260 545
рования шахтного воздуха (опытный образец), включающего водоохлаждающую холодильную машину мощностью 1GGG кВт холода с винтовым компрессором, воздухоохладители для размещения в непосредственной близости от охлаждаемых забоев и подземные водоохла-дители для отвода теплоты конденсации холодильного агента при работе машины по замкнутой оборотной схеме водоснабжения конденсатора, завершается в настоящее время ОАО “Xолодмаш” (г. Одесса).
Внедрение опытной установки кондиционирования шахтного воздуха, оборудованной холодильной машиной мощностью 1 МВт, предусмотрено на шахте им. А.А. Скочинского ^К «Дон-уголь» в соответствии с проектом, выполненным институтом «Донгипрошахт» (г. Донецк). В качестве холодильного агента в машине будет использоваться хладон R22.
В период до освоения серийного выпуска данного типа холодильных машин большой производительности для шахтных условий эксплуатации кондиционирование воздуха в действующих высокотемпературных шахтах Донбасса может осуществляться по проектам на основе применения шахтного холодильного оборудования, выпускаемого зарубежными фирмами.
Фирмами Германии для подземных условий эксплуатации выпускаются водоохлаждающие стационарные и полустационар-ные холодильные машины в широком диапазоне производительности.
Xолодильная мощность машин с винтовым компрессором, выпускаемых фирмой «Gesellschaft fur Warmetechnik” (GFW, Германия), для подземного размещения составляет 925-2б00 кВт (табл. 1). Сбалансированность винтового компрессора позволяет обходиться при монтаже холодильных машин без массивного фундамента, чем значительно упрощается и удешевляется установка таких машин в шахтах. Машины обеспечивают охлаждение воды до 3 °С, что позволяет передавать значительные холодильные мощ-
ности по трубопроводам хладо-носителя с небольшими диаметрами труб. Фирмой <^е^е и^ Макег» (Германия) для подземного размещения выпускаются водоохлаждающие холодильные машины холодильной мощностью 1000-2150 кВт (табл. 1).
Кроме рассмотренных выше холодильных машин фирмами Германии и Польши выпускаются водоохлаждающие холодильные машины типов EWDK, WK и WKM холодопроизводительностью от 290 кВт до 750 кВт. Машины снабжаются поршневым компрессором, компонуются в двух или трех агрегатах и размещаются на отдельных сварных рамах-салазках. Агрегаты не требуют строительства фундаментов при установке в горных выработках. Холодильные машины охлаждают воду до температуры 3-6 °С и рассчитаны для работы при температуре конденсации 53 °С. Холодная вода, получаемая при работе машин, подается к штрековым или лавным воздухоохладителям. Эта же вода может использоваться для охлаждения конденсаторов холодильных машин с непосредственным охлаждением воздуха. Конденсаторы водоохлаждающих машин охлаждаются оборотной водой. Основные технические данные водоохлаждающих холодильных машин с поршневым компрессором приведены в табл. 2.
Штрековые воздухоохладители, выпускаемые в Украине (типа АРВЭ), фирмами Германии и Польши, обеспечивают потребность выемочных участков и подготовительных выработок в широком диапазоне условий. Воздухоохладители отличаются материалом теплообменных трубок и элементов оребрения, видом оребрения и компоновочными решениями. Повышение эффективности воздухоохладителей достигается преимущественно за счет совершенствования теплообменных элементов. Для очистки загрязненных поверхностей теплообмена воздухоохладители снабжаются встроенными оросительными форсунками, которые обычно включаются через заданные промежутки времени.
Для передачи холода от холодильных машин до воздухоохладителей оборудуются протяженные и разветвленные сети трубопроводов хладоносителя. В связи с этим возникает проблема не только выработки холода в достаточном количестве, но и передачи хладоносителя к воздухоохладителям с низкой температурой. Поглощение тепла в неизолированном трубопроводе хладоносителя длиной 1000 м при диаметре 100 мм составляет в обычных условиях окружающей среды около 180 кВт и при рас-
Таблица 2
OCHOBHblE TEXHИЧECKИE ЛAHHЫE XOЛOЛИЛЬHЫX МAШИH TИПA EWDK (ГEPМAHИЯ)
Наименование показателей Тип холодильной машины
EWDK-280 EWDK-360 EWDK-490
Холодильная мощность, кВт 320 419 570
Температура испарения, °С 0,0 1,0 1,0
Температура конденсации, °С 53,0 53,0 53,0
Холодильный агент R22 R22 R22
Мощность электродвигателя, кВт 11б 130 170
Расход хладоносителя, м3/ч 30 40 55
Температура хладоносителя,°С:
на входе в испаритель 15,0 15,0 15,0
на выходе из испарителя 5,8 б,0 б,0
Расход охлаждающей воды, м3/ч 18 24 32
Величина нагрева воды в конденсаторе, °С 20,0 20,0 20,0
Габаритные размеры, мм: длина б000 б500 б900
ширина 800 800 800
высота 1400 1500 1б50
ходах хладоносителя 30 м3/ч ведет к повышению его температуры на 4-5 °С. Отсюда очевидна необходимость теплоизоляции трубопроводов хладоносителя. Применение надежной теплоизоляции подземных систем хладоносителя является одной из главных задач существенного повышения эффективности установок кондиционирования шахтного воздуха с водоохлаждающими холодильными машинами.
В настоящее время фирмами Германии разработаны теплогидроизоляционные конструкции для шахтных выработок различного назначения. Принимая во внимание, что на выемочных участках трубопроводы хладоносителя подвергаются значительно большим нагрузкам, более частому демонтажу и повторному монтажу, чем в других выработках, а также в целях исключения возможности повреждения теплогидроизоля-ции при эксплуатации и обеспечения безопасности при пожарах в связи с выделением токсичных газов принято следующее конструктивное решение теплогидроизолированного трубопровода с внутренней
изоляцией. Две стандартные трубы (внутренняя труба и труба оболочка) со стенками одинаковой толщины и с различными диаметрами вставляются одна в другую и фиксируются таким образом, что между ними образуется кольцевое пространство шириной порядка 50 мм. Кольцевое пространство специальным способом заполняется пенополиуретаном или другим изоляционным материалом, после чего наполнительные отверстия заделываются. Повышение температуры хладоносителя в трубопроводах с указанной конструкцией теплоизоляции не превышает 0,5 °С на каждые 1000 м длины трубопровода [4]. В связи с успешными результатами испытаний трубы с такой внутренней теплоизоляцией широко применяются в угольных шахтах Германии.
Отвод теплоты конденсации холодильного агента при работе подземных холодильных машин в зарубежной практике осуществляется с помощью бесконтактных водоохладителей - теплообменных аппаратов, внутри трубок которых циркулирует охлаждающая вода, а наружная
Принципиальная технологическая схема установки кондиционирования воздуха для глубокой шахты с подземным расположением холодильных машин: 1 - штрековый воздухоохла-
дитель; 2 - воздухоохладитель тупиковой выработки; 3 - трубопроводы хладоносителя; 4 - насос конденсаторной воды; 5 - насос хладоносителя; 6 - трубопроводы конденсаторной воды; 7 - водоохладитель; ХМ1 - холодильная машина № 1;
ХМ2 - холодильная машина № 2; КМ -винтовой компрессор; Д - электродвигатель; И - испаритель; К - конденсатор
поверхность обдувается потоком исходящего воздуха и орошается циркуляционной водой самостоятельной системы орошения. Такой способ отвода теплоты конденсации широко применяется в угольных шахтах Г ермании и Польши.
Большая удаленность смежных выемочных участков на действующих глубоких шахтах, а также значительная их холодопотребность могут повлечь за собой необходимость устройства подземных холодильных установок на каждом блоке или выемочном участке. Вопросы строительства и компоновки установок кондиционирования шахтного воздуха в конечном счете могут быть решены только на основе проектных проработок и технико-экономических обоснований. Принципиальная технологическая схема установки кондиционирования воздуха для глубокой шахты с подземным расположением холодильных машин и комплектующего воздухо- и водоохлаждающего оборудования приведена на рисунке.
Холодильная станция, оборудованная подземной холодильной машиной с винтовым компрессором, может размещаться в одной из сбоек между главными откаточными штреками, капитальными уклонами или в других выработках, удовлетворяющих требованиям по размещению холодильного оборудования.
Охлаждение воздуха в лаве при расчетных значениях холо-допотребности должно осуществляться в участковой возду-
хоподающей выработке с использованием двух-трех воздухоохладителей. При этом один воздухоохладитель размещается непосредственно перед лавой и перемещается по мере подвига-ния очистного забоя с поддержанием предельного отставания 100-150 м. Расположение остальных воздухоохладителей определяется тепловым расчетом параметров воздуха в воздухоподающей выработке.
Для отвода теплоты конденсации холодильного агента при работе холодильной станции используется оборотная замкнутая схема водоснабжения. Теплота конденсации холодильного агента передается при этом исходящей вентиляционной струе с помощью бесконтактного водоохладителя, размещаемого в вентиляционной выработке. Расход воздуха, необходимый для отвода теплоты конденсации холодильного
агента от работы одной холодильной машины с винтовым компрессором производительностью 1 МВт холода, при температуре его 32 °С и относительной влажности 85% должен составлять 2500-2800 м3/мин. При более низких значениях температуры и относительной влажности воздуха величина необходимого расхода воздуха может быть меньшей.
Трубопроводы для циркуляции конденсаторной воды должны прокладываться по выработкам с исходящей вентиляционной струей. Теплоизоляция трубопроводов конденсаторной воды в этом случае не требуется. В качестве водоохладителей могут применяться также форсуночные водоохладители, размещаемые в выработках с исходящей вентиляционной струей. Теплота конденсации холодильного агента в таких водоохлади-телях передается от распыляемой отепленной воды непосредственно исходящей вентиляционной струе в результате тепломассообмена между ними. Вода затем собирается в поддоне и снова подается на конденсатор холодильной машины. Применение таких водоохладителй требует использования надежных фильтров для очистки циркуляционной воды от осаждающейся в ней пыли.
Рассмотренные варианты подземных установок кондиционирования шахтного воздуха, оборудованных холодильными машинами с винтовыми компрессорами, в настоящее время наиболее перспективны для применения в действующих глубоких шахтах Донбасса.
Проекты установок кондиционирования рудничного воздуха на основе холодильных машин с винтовым компрессо-
ром выполнены институтом “Донгипрошахт” ранее для шахты “Глубокая” шахтоуправления “Донбасс” ГХК «Донуголь» и в 1999 г. для шахты им. А.А. Ско-чинского ГХК “Донуголь”. На шахте “Глубокая” установка кондиционирования воздуха на основе холодильной машины с винтовым компрессором эксплуатируется уже на протяжении более 10 лет.
При резерве холодильной мощности водоохлаждающих холодильных машин, используемых для охлаждения воздуха на выемочных участках, охлаждение воздуха в тупиковых подготовительных выработках целесообразно осуществлять с помощью шахтных воздухоохладителей, встраиваемых в вентиляционные трубопроводы на расстоянии до 100 м от проходческого забоя.
В условиях дефицита шахтной холодильной техники и, в первую очередь, крупных холодильных машин для наземного размещения реализация рассмотренных систем и установок кондиционирования воздуха с подземным расположением холодильных машин позволит в короткие сроки нормализовать тепловые условия в высокотемпературных лавах и подготовительных тупиковых выработках действующих глубоких шахт.
1 .Мартынов А.А. Об улучшении температурного режима шахт. Уголь Украины.- 1999, № 1.- С.30-34
2. Мартынов А.А., Андреев ИМ, Большаков П.Я. Управление тепловым режимом глубоких шахт внедрением прогрессивных горнотехнических решений // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов МакНИИ
.-1995.-С.184-193.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3 .Яковенко А.К., Мартынов А.А. Эффективность передвижных кондиционеров в глубоких шахтах Донбасса. Уголь Украины.- 1996, № 5.- С.18-22.
4. Куглер У., Пинта А. Комбинированное производство холода, оптимизация трансформирования и передачи холода на шахте «Остерфельд». -Глюкауф, 1984, №21.- С. 3-13.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мартынов А.А. — кандидат технических наук, Теруправление Госнадзорохрантруда Украины, Донецк. Мартынов А.А. — студент, Высшая техническая школа Георг Агрикола, Германия, Бохум.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Ш
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания:
Число сохранений:
Дата сохранения:
Сохранил:
Полное время правки: 42 мин.
Дата печати: 08.11.2008 0:05:00
При последней печати страниц: 5
слов: 3 204 (прибл.)
знаков: 18 267 (прибл.)
МАРТЫНОВ
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB4_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do УДК 622 G_Operator_1
26.03.2003 12:14:00 8
07.11.2008 23:42:00 Таня
