CC BY
14
- © Ю.В. Шувалов, Ю.М. Смирнов,
А.Н. Веденин, 2012
УЛК 622.8
Ю.В. Шувалов, Ю.М. Смирнов, А.Н. Веденин
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК РУДНИКОВ г.НОРИЛЬСКА
Приведены полученные зависимости для определения тепловыделений от работы машин, окислительных процессов и формулы для определения теплоприрашения воздуха в вентиляторах местного проветривания.
Ключевые слова: тепловой режим, вентилятор местного проветривания, аэродинамическое сопротивление, дизельный привод, теплотворная способность топлива, окисление, скорость сорбции.
Тепловой режим тупиковых выработок определяется тремя группами факторов: климатических, геолого-геотермических и горнотехнических.
К климатическим можно отнести температуру рудничного воздуха перед вентилятором местного проветривания (4к), его влажность в начале и конце выработки, а также барометрическое давление воздуха на глубине проведения выработки. В свою очередь 4к зависит, в основном, от глубины работ, определяющей естественную температуру горного массива Те, длины вентиляционной сети и схемы распределения воздуха.
Геолого-геотермические факторы определяются температурой горного массива на данном горизонте, минералогическим составом и тепловыми свойствами пород, а также связанными с ними тепловыделениями от окислительных процессов.
Горнотехнические факторы включают в себя: геометрические размеры выработки; суммарную мощность вентиляторных установок, используемых для проветривания выработки; суммарную мощность агрегатов погрузодоставочно-го комплекса, находящихся в одновременной работе; количество рудничного воздуха, поступающего в забой 0>3, минимальная величина которого определяется количеством воздуха необходимым для разжижения вредных продуктов выхлопа до санитарных норм; состав закладочных смесей, определяющий величину тепловыделений при их гидратации, для случаев прохождения выработки в зоне влияния закладочного массива.
Известно, что при работе вентиляторов местного проветривания (ВМП) имеют место тепловыделения, которые существенно влияют на тепловой режим подготовительных выработок. Приращение температуры поступающей в выработку вентиляционной струи (Д1:) происходит вследствие потерь мощности в ВПМ и сжатия воздуха под действием развиваемого вентилятором напора.
Как показывает практика, проветривание тупиковых выработок может осуществляться при помощи двух и более воздухопроводов, присоединенных к одному вентилятору. При подаче по параллельным воздуховодом, обладающим одинаковым аэродинамическим сопротивлением
п = ПТР
Побщ 2
п
где п — количество параллельных воздухопроводов, подсоединенных к одному вентилятору.
Значение М определяются по зависимостям, рекомендованным в работе [1]: Для определения приращения температуры воздуха при работе ВМП на гибкий воздухопровод:
При работе осевых вентиляторов
„0.562 4 -0.657ЛТ+1.037 г
Л?ос = 16,2 х 10-5 х 0
10
п2 х Л4Т2 (1 - 0.2 х 10-3 х 1) аТ при работе центробежных вентиляторов
Л? = 14,6х 10-5 х0
^0.562^2-0.657ЛТ +1.037 5 5
п2 хЛ42 (1 - 0.2 х 10-3 х I)4 ЛТ
(1)
(2)
При работе ВМП на металлические воздуховоды зависимости принимают вид: При работе осевых вентиляторов
Л? = 9,8х 10-4 хЩ 1 °,516х10" х1
ос.м ' 7 5
а5
/
1.5 +
2.21 х 10-5 13 , -хл —т +1
V ' Т у
\2
1.
при работе центробежных вентиляторов
Л? = 8,03х 10-4 х02 I 0,567х 10^ х 1
/
1.5 +
2.21 х 10-5 13 , -х I—+1
у 3 ' т у
2
+1}
+1}
(3)
(4)
Исследования, выполненные в порожняковом квершлаге горизонта -950 м рудника "Октябрьский", показали хорошее совпадение фактических и расчетных значений М Замерные приращения температуры воздуха от работы ВМП (ВМ-12) в обоих воздухопроводах диаметром ёт= 0,6 м были равны и в зависимости от температуры воздуха, поступающего в вентилятор, изменялись в пределах 3,6—4,4 °С. При производительности вентилятора 11 м3/с и его КПД пв = 0,5 составляет 4,5 °С. Если бы это количество воздуха подавалось по одному воздухопроводу диаметром 0,6 м, то расчетное значение прироста температуры от работы ВМП составило бы 15 °С.
Для выбора средств и способов регулирования теплового режима тупиковых выработок нами, выведены формулы общего вида.
При работе осевого вентилятора с прорезиненными воздуховодами
Л? = 0,771 х 10-
02 х 1 п2 х а.
(15 + Ку )2
х
Ку =
2,21 х 10-
т \2
2,96
1
Пв х Пэ
+102 (273 + ?0)
1 з 1 Лт
+1
(5)
где 1 и 13 — длина трубопровода и его звена соответственно, м. 80
Как показывают расчеты приращение температуры воздуха при работе центробежных ВМП на 8—10 % меньше, чем при работе осевых. Приращения температуры при работе ВМП с металлическим трубопроводом значительно ниже, чем с прорезиненным (18—20 %). Анализ полученных зависимостей показывает, что при прочих равных условиях приращение температуры воздуха от работы ВМП в большей степени зависит от количества воздуховодов, их диаметра и длины.
Для оценки величины тепловыделений от работы машин с дизельным приводом можно составить уравнение теплового баланса и получить зависимости, которые позволяют производить расчеты тепловыделений от работы машин с дизельным приводом с высокой степенью точностью, однако для этого необходимо иметь достоверные данные о расходе топлива (в расчете на каждую технологическую операцию).
где К3 — коэффициент загрузки дизеля во времени
Полагая = п имеем От= 0,28 К3 (1-пе ) в х q (8)
О х ч
Пе — эффективный коэффициент полезного действия.
Поэтому для приближенных инженерных расчетов тепловыделения от работы дизельного оборудования нами рекомендуется определять по зависимости
где С — средний фактический расход топлива, кг/ч; д — теплотворная способность топлива, ккал/кг.
Увеличение естественной температуры горного массива влечет за собой интенсификацию окислительных процессов. В горных выработках, где влажность воздуха, как правило, превышает 90 %, окислению подвергается все: полезное ископаемое (в массиве и отбитом состоянии), крепь, породы и т.д. Исследованиями угольных шахт Донбасса установлено, что окислительные процессы играют существенную роль в формировании теплового режима горных выработок и их удельный вес достигает 30 % в общем, тепловом балансе выработок.
Особенно интенсивно окислительные процессы протекают при разработке склонных к самовозгоранию углей и сульфидных руд. Интенсивность окислительных процессов при этом является сложной функцией температуры, пористости, трещиноватости и химического состава реагирующего вещества, а также температуры, влажности и скорости рудничного воздуха. Поэтому, несмотря на то, что изучением процессов окисления занимаются уже несколько десятилетий, корректной методики учета тепловыделений от данного фактора не разработано.
Имеются два основных направления исследований тепловыделений от окислительных процессов:
1. Экспериментальное исследование удельных тепловыделений от окисления в горных выработках.
2. Разработка физико-химических методов борьбы с рудничными пожарами.
Известно, что склонность материалов к окислению характеризуется скоростью
сорбции кислорода и, показывающей, какое количество кислорода поглощается измельченной навеской в единицу времени. Аналогичные исследования, прове-
£т= 0,28 Кз (вт х Я - О)
(7)
0Т= 0,28 * К3 * д
(9)
денные с сульфидными рудами Норильского ГМК, позволили установить, что зависимость скорости сорбции кислорода от времени для каждого типа руд при постоянной температуре и влажности может быть выражена уравнением. и = ^01 х е-пт (10)
где Со1 — скорость сорбции кислорода в начальный момент времени, кг/г х ч; п — темп скорости сорбции кислорода, 1/ч; т — время окисления, ч.
При различных температурах и степени увлажнения скорости сорбции кислорода, согласно, определяется по зависимости
и2= и х Ка хК°1(Т21 > (11)
где и2 и и1 — скорость сорбции кислорода при температурах Т2 и Т1 соответственно и весовой влажности и Кг температурный коэффициент, Кг =
= 1,4—1,6; Кн--коэффициент активации скорости сорбции кислорода при
увлажнении руды.
Тогда количество генерируемого тепла при окислении "навески" руды
О,к=103 х док х Со х и (12)
где дск —удельная теплота окисления, Дж/мл, док = 4—5 Дж/мл; С0 — концентрация кислорода, С0 = 0,206.
Сопоставляя количество тепла, выделяющееся при окислении единиц измельченной навески руды и трещиноватого горного массива (отбитой горной массы), легко получить выражения для определения интенсивностей источников тепловыделения, генерируемых в единице объема: для горного массива
- пТ-кх
®м = ®ом х е
х и ог х у
®ом = х С0 уд °г У (13)
5уд
отбитой рудной массы
®м = юон х е -п
хХхи
Юом = Яок х С0 " х К (14)
5уд х К р
где 5уд — удельная поверхность трещин и пор, м2/т; К — коэффициент затухания процессов окисления на глубине Ь от поверхности выработки, м;
, - соответственно удельные поверхности навески и отбитой горной массы, м2/т; Кр — коэффициент разрыхления; у — объемный вес горной породы, т/м3. Отметим, 5уд и К — определяются экспериментальным путем.
Для определения тепловыделений с поверхности массива и отбитой горной массы примем ряд допущений:
• задача одномерна;
• теплофизические свойства массивов не зависят от температуры. Теп-лофизические свойства отбитой горной массы определяются параметрами Лэк, аэк, (С у)эк;
• коэффициент теплоотдачи а постоянен;
• температуры горного массива и массива отбитой горной массы одинаковы по всему объему и соответственно равны Те и Тт;
• температура воздуха t в каждом расчетном сечении выработки постоянна во времени.
Решая при указанных допущениях дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье, получим выражения для определения тепловы-делений с поверхностей горного массива дм и отбитой горной массы дн соответственно:
дм =а[1 -/(*)]( -^ + Чк (15)
Рис. 1. График функции д(х)
Чок =
Ю„
1 + - К а
Р (г)
Р ( у)
а - п 1 п
— +—х— К + —х—
- а а п, а
Р(г) = 1 - /(г) - + - (х) а V п
Р (г) = 1 - / (г) - + Р -Я (х)
V п
Чн = « [1 - /(2Я )] (ТТ - ?) + ЧакЛ а х т
Чок .н
(Су)эк х (п + 2 х
^ эк х аэк )
1 - / (2н - е-
а 1а.
'(х)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
где /(г), /у), Дг„) — табулированные функции, 2 = —л/от ; У = К^/ат ; 2н = — л/аэк т
^ Ь эк
^(х) — табулированная функция (рис. 1); х = пт.
Переходя к коэффициентам нестационарного теплообмена, получим
Кгм = а [1 - / (2)] +
Кта = а [1 - / (2Н)] +
Чак
Т - Т
Чак .н
ТТ - Т
(21)
(22)
Для экспериментального определения тепловыделений от окисления горной породы в массиве и отбитом состоянии, а также для проверки предложенных расчетных моделей на рудниках "Маяк" (разрезной штрек 14/10) и "Комсо-
мольский" (разрезной штрек 7/4) Норильского ГМК были проведены натурные эксперименты.
Исследования проводились с использованием методики вентиляционных балансовых съемок в выработках, пройденных по сплошной сульфидной руде, преимущественно пирротинового состава, в которых практически отсутствовали массообменные процессы и источники тепла, связанные с работой машин и механизмов. Тепловыделение от окисления руды в массиве
Чок = ^ - Ча (23)
выщ = От (/2 - /1) (24)
Ст — весовой расход воздуха, кг/ч; Д, /2 — энтальпия воздуха в начале и конце исследуемого участка, кдж/кг; 5 — поверхность выработки, м2; ца — тепловыделения от рудного массива (без учета тепловыделений от окисления), Вт/м2, определяются по данным изменения температуры рудного массива в шпурах, пробуренных в кровлю и стенки выработки. Тепловыделения от окисления отбитой рудной массы
Чн = 0общ - 0общ (25)
5Н= £ (26)
где £>обш — общее теплоприращение вентиляционной струи на исследуемом участке при отсутствии навала отбитой рудной массы, вт (определяется аналогично Собш); 5Н — полная поверхность навала отбитой рудной массы, м2; 5Г — проекция поверхности навала руды на горизонтальную плоскость, м2; Кф — коэффициент формы навала Кф = 3—4. Определяется экспериментально для данного типа руд и параметров буровзрывных работ.
Анализ показывает, что максимальные тепловыделения от окисления наблюдаются в начальный период времени (т = 3—4 ч), что вызвано интенсивным участием в процессе окисления верхнего слоя руды, где наблюдается наибольшее расхождение результатов эксперимента с расчетными величии-нами.
Последующий рост и уменьшение тепловыделений связаны с развитием и затуханием окислительных процессов в массиве отбитой рудной массы.
Тепловыделения от пород, транспортируемых по выработке, также тесно связаны с геотермическими факторами. Температура свежеотбитой породы при нормальном подвигании забоя обычно близка к первоначальной температуре горного массива на данной глубине. При транспортировании по выработке имеют место процессы нестационарного теплообмена с воздухом, движущемся по выработке, в результате этого порода, как правило, охлаждается, отдавая часть своего тепла рудничному воздуху. Нашими исследованиями [1, 2, 3, 4] установлено, что основными факторами, определяющими тепловой режим горных выработок являются: тепловыделения в вентиляторах местного проветривания; тепловыделения от горного и закладочного массивов; тепловыделения от окислительных процессов и тепловыделения от работы мощного комплекса погрузодоставочного оборудования.
Анализ расчетных значений температуры воздуха в различных пунктах выработки свидетельствуют о наличии максимума в области обратного движения струи. Это связано, в первую очередь, с равномерным распределением интенсивности тепловыделения такого мощного, в потенциале, источника, как дизельное и электрическое оборудование и обосновано изменением его положения (погрузочно-доставочные машины) по длине выработки в течение коротких отрезков времени.
Временное сосредоточение оборудования в забое выработки при погрузке породы может вызвать кратковременное смещение максимума температуры к забою и повышение, в нем температуры воздуха по отношению к расчетной примерно на величину М ~ 0,2 N/03. В таких случаях максимум температуры может быть характерен лишь для призабойной зоны или для незначительных отрезков выработки. Однако, во всех случаях его абсолютная величина будет близка к расчетной для выработки с распределенными по длине источниками.
1. Богинский П.Я., Вепров B.C., Смирнов Ю.М., Фисенко А.П. Приращение температуры воздуха при работе вентиляторов местного проветривания на параллельные воздуховоды. В сб. «Вентиляция шахт и рудников». — Л.: ЛГИ, 1978. Вып. 5. — С. 37—42.
2. Исследование тепловыделений при работе дизельного оборудования. В сб. «Физические процессы горного производства». — Л.: ЛГИ, 1976. Вып. 3. — С. 77—80.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Гендлер С.Г., Смирнов Ю.М., Пих-лак A.A., Кулинич С.С. Исследование тепловыделений от окислительных процессов. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 1976. — № 10. — С. 46—49.
4. Гендлер С.Г., Трофимов A.M., Смирнов Ю.М.. К вопросу учета теплового потока от твердеющей бетонной закладки. В сб. Вопросы технической теплофизики. К.: Наукова Лумка. Вып. 5. — С. 47—50. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шувалов Ю.В. — доктор технических наук, профессор кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород,
Веденин А.Н. — кандидат технических наук, доцент кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород,
Смирнов Ю.М. — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры Безопасности производств и разрушения горных пород,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет), bpirgp@spmi.ru.
А
