CC BY
70
------------------------------ © В.А. Шерстов, В.В. Киселев,
Ю.А. Хохолов, И.М. Ушницкий, 2007
УДК 622.4:522.817
В.А. Шерстов, В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов,
И.М. Ушницкий
ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА И ВЕНТИЛЯЦИИ ВЫСОКОМЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРУГЛОГОДИЧНЫХ РОССЫПНЫХ ШАХТ КРИОЛИТОЗОНЫ
меющийся многолетний опыт подземной разработки
.Ж-Ж- россыпей криолитозоны позволяет утверждать, что в целях обеспечения рентабельности отработки ряда глубокозалегаю-щих россыпных месторождений Северо-востока, вводимых в народно-хозяйственный оборот в настоящее время, необходима разработка нового подхода к решению ряда вопросов, как технологического плана, так и вентиляции и регулирования теплового режима (ТР), которые зачастую являются определяющими при оптимизации ряда технологических процессов. В связи с этим, анализ и систематизация имеющихся наработок в этих вопросах, накопленных рядом исследовательских организаций и производственников, имеет важное значение, позволит избежать технических ошибок и неоправданных затрат, выбрать основные направления исследований.
Как известно, отработка глубокозалегающих россыпных месторождений Севера с применением импортного самоходного оборудования в 70-80 гг. прошлого века потребовала разработки новых проектов строительства крупных круглогодичных шахт, выполнения большого объема горных работ, и, как следствие этого, совершенствования технологических схем, основанных на использовании современной техники, а также способов вентиляции и регулирования ТР. В частности, в связи с большим объемом проходческих работ ведение их пришлось вести круглый год, несмотря на значительные сложности их производства в летний период. В первую очередь это было связано с необходимостью выполнения в
значительных объемах дополнительных малопроизводительных ручных работ, в связи с необходимостью периодической очистки пневмосетей и вентиляционных рукавов от намерзшего конденсата; скалывания постоянно намерзающих наледей; организации водоотлива; тщательной теплоизоляции устьевых частей воздухоподающих выработок.
Необходимо отметить также тот факт, что вентилирование горных выработок (ГВ) значительной длины потребовало установки вентиляторов большой мощности, прокладки протяженных воздуховодов, существенного увеличения времени проветривания после взрывных работ и, как следствие этого, значительного роста затрат по этой статье.
Чтобы свести к минимуму неизбежное растепление устьевых частей вскрывающих выработок в летний период атмосферным теплом потребовалось вносить коррективы в организацию и календарный график ведения проходческих работ. В связи с этим в зимнее время в первую очередь проходились устьевые части вскрывающих выработок с выполнением всех необходимых крепежных и теплоизоляционных работ, что обеспечивало их устойчивость и пропускную способность. В летнее время проходка выработок продолжалась с минимальной подачей воздуха, а взрывные работы проводились в ночное время, когда температура воздуха имеет минимальное значение, на 6-8 оС ниже дневных температур.
В целях сокращения времени проветривания протяженных выработок по рекомендации ВНИИ-1 с поверхности на расстоянии 50 м друг от друга вдоль трасс ГВ в зимний период пробуривались вентиляционные скважины (ВС) диаметром 200 мм, расширяемые затем до 500-600 мм с помощью специально изготавливаемых рас-тепляющих устройств, работающих на дизельном топливе [1]. ВС поочередно подсекались в процессе проходки и на них устанавливались вентиляторы, работающие во всасывающем режиме, ненужные скважины консервировались. Выполнение вышеописанных мероприятий позволило стабилизировать вентиляционный и тепловой режим ГВ РШ в период их строительства, однако потребовалось значительное, как уже говорилось, увеличение затрат на вентиляцию и регулирование ТР.
Эксплуатация крупных РШ, характеризующимися большими размерами шахтных полей, со значительным (до 10) количеством одновременно работающих лав и протяженными вентиляционными
ветвями (до 800 м) в зимний период не вызывало особых затруднений в плане обеспечения устойчивости ГВ, проветривания и регулирования ТР, хотя санитарно-гигиени-ческие условия труда горнорабочих были достаточно жесткими; но с переходом на круглогодичную эксплуатацию в условиях естественного (нерегулируемого) ТР и способах проветривания по общепринятым схемам (за счет общешахтной депрессии) значительно усложнилась эксплуатация воздухоподающих выработок в летний период, т.к. поступление теплого воздуха в больших объемах, значительно превышающих во время проходки, вызывало быстрое растепление устьевых частей с потерей устойчивости, что нередко приводило к аварийным ситуациям. Кроме этого, значительно усилился приток воды, вытаиваемой из мерзлых дисперсных горных пород, что потребовало устройства водоотлива, периодического скалывания постоянно намерзающего льда в ГВ.
Ситуация усложнилась с внедрением самоходной техники с дизельным приводом, что, с одной стороны, имело положительный эффект, т.к. значительно возросли объемы добычи песков, производительность труда, но в то же время существенно повысились расходы на вентиляцию в связи со значительным увеличением подачи воздуха в соответствии с требованиями ТБ (5 м3 на 1 л.с.). В летний период с прекращением действия естественной тяги венти-лируемость всех выработок резко ухудшалась, что приводило к их высокой загазованности. Все возникшие осложнения при эксплуатации РШ даже поставили под сомнение целесообразность их работы в летнее время при использовании самоходной техники. Стало ясно, что решение вопросов вентиляции и регулирования ТР является первостепенным [2, 3]. Необходимо также отметить, что использование существующих методик расчета параметров вентиляции и регулирования ТР, схем вентиляции, ранее разработанных для угольных шахт, без их адаптации к реальным условиям РШ оказалось невозможным по целому ряду причин [2, 3].
К решению вышеперечисленных проблем был подключен ряд исследовательских лабораторий различных организаций, благодаря усилиям которых были выявлены особенности формирования ТР ГВ в процессе проходки, а также при эксплуатации круглогодичных РШ. Были разработаны: эффективные способы проветривания и регулирования ТР; сохранности горных выработок; ряд инструктивных указаний, рекомендаций, методик расчета.
Исследованиями ВНИИ-1, например, были выявлены особенности формирования аэродинамической структуры воздушных потоков, поступающих в камеро-лаву РШ; было установлено, что в процессе ее отработки и, как следствие этого, увеличения пролета, входящая плоская вентиляционная струя, отражаясь от междука-мерных целиков, создает вторичные вентиляционные струи, которые и определяют интенсивность всего процесса проветривания. Результаты исследований позволили скорректировать методику расчета [4].
Этим же институтом были выявлены причины низкой эффективности на РШ нагнетательно-всасывающих схем проветривания с использованием вентиляторов большой мощности, применяемых на угольных шахтах и хорошо себя зарекомендовавших. Необходимость их использования была обусловлена в связи с резким ростом объемов добычи, что потребовало уве-личения площадей шахтных полей и количества одновременно работающих лав (до 10). В целях недопущения растепления и обеспечения устойчивости воздухоподающих стволов в летний период путем установки в них нулевого вентиляционного ре-жима, проветривание РШ производилось по секционной схеме нагнетательно-всасывающим способом с использованием ВС и вентиляторов большой мощности [5]. Однако, несмотря на это, устойчивый режим вентиляции не удавалось обеспечить, в РШ образовывалось большое количество застойных зон, даже не-смотря на значительное увеличение числа ВС, оборудованных вентиляторами местного проветривания.
Для выяснения причин низкой эффективности новых схем вентиляции, внедряемых на РШ, ВНИИ-1 были проведены специальные исследования на одной из шахт Магаданской об-ласти [5]. Выяснилось, что кроме различных организационных причин недостаточная эффективность обусловлена целым ря-дом факторов, в первую очередь - несоблюдением требований инструктивных указаний. Например, производственники зачас-тую вместо одной ВС большого диаметра пробуривали куст скважин малого диаметра, количество которых равнялось суммарному диаметру, что было (как выяснилось специалистами ВНИИ-1) грубой ошибкой. Впоследствии ими была выведена формула для расчета требуемого количества ВС в зависимости от их диаметра, разработана (для практических целей) номограмма, позволяющая определять геометрические и аэродинамические параметры ВС.
Не учитывался также тот факт, что диаметр ВС при эксплуатации ее в летний период в режиме нагнетания постепенно уменьшается (вплоть до полной закупорки) из-за выпадения конденсата при охлаждении вентиляционного потока и намерзания его на стенки, а также за счет намерзания вытаиваемой из грунтов воды. По этим причинам резко возрастает их аэродинамическое сопротивление со всеми вытекающими негативными последствиями, значительно ухудшающими вентилируемость РШ.
Необходимо отметить, что, учитывая сложность изучения интенсивности течения массообменных (конденсационных) процессов в ВС в натурных условиях, в виду их небольшого диаметра, эти исследования были проведены с использованием специально разработанных математических моделей лабораторией горной теплофизики ИГДС СО РАН [6,7]. Результаты исследований легли в основу разработанной впоследствии методики расчета, позволяющей определить минимальный расход воздуха, при котором закупорка ВС в летний период использования в нагнетательном режиме не происходит, а также определить рациональные режимы их эксплуатации, позволяющие избежать образования манжет и ледяных пробок. Результаты исследований обобщены в методических рекомендациях [8], которые включают ряд требований проходки, обустройства и эксплуатации ВС, выполнение которых позволит стабилизировать вентиляционный режим РШ.
В определенной мере этому может способствовать реализация последних наработок ИГДС в области математического моделирования теплообмена вентиляционных потоков, движущихся по сети горных выработок РШ с окружающими дисперсными горными породами с учетом количественных показателей воздухораспределения, направления и интенсивности естественной тяги, режима работы вентиляторов, наличия фазовых переходов влаги в породах [9]. Эффективность и достоверность разработанной (по результатам НИР) методики расчета подтверждается результатами натурных наблюдений, проведенных на алмазодобывающих рудниках РС(Я).
По-нашему мнению, не исключено также, что совершенствованию секционного проветривания круглогодичных РШ Севера и регулирования ТР будет способствовать внедрение более совершенных схем вентиляции и технических устройств подачи воздуха через скважины, разработанных ДонУГИ и МакНИИ для угольных шахт, которые, в частности, обеспечивают значительное увеличение (в 2-3
раза) их пропускной способности. Исследования в этом направлении с целью возможной адаптации и внедрения на РШ являются первоочередными в перспективном плане НИР ИГДС в области совершенствования способов вентиляции и регулирования ТР.
Наличие большого количества отработанных РШ и сохраняющийся в них практически стабильный в течение года отрицательный температурный режим исходящей вентиляционной струи натолкнул на мысль о возможности использования выработанного пространства для регулирования ТР действующих круглогодичных РШ в летнее время. Исследованиями ВНИИ-1, ИФТПС, ИГДС были выявлены перспективы использования этого способа в различных модификациях и разработаны методики расчета [10].
При отсутствии отработанных РШ, камеры теплообменники могут быть пройдены в центре шахтного поля действующей РШ. Для интенсификации охлаждения поступающего воздуха в летнее время ВНИИ-1 было предложено загружать или намораживать в них лед в зимнее время. В этом случае свежая струя получала как бы первичную тепловую обработку, охлаждаясь до естественной температуры пород, а затем охлажденный воздух вентилятором местного проветривания, установленным в регенеративной камере, нагнетался по воздуховоду в устье воздухоподающей выработки, где смешивался с поступающим, охлаждая его и очищая от пыли, которая связывалась выпадающим радиационным инеем. В этом случае существенно охлаждалась устьевая часть выработки, как известно, наиболее подверженная растеплению, тем самым значительно повышалась ее устойчивость и она находилась в рабочем состоянии весь летний период.
В целях предотвращения растепления воздухоподающих ГВ, ИГДС был предложен сравнительно простой и дешевый, но достаточно эффективный способ их теплоизоляции полимерными пленками [1], прошедший опытно-промышленную проверку на РШ Индигирки и Аллах-Юня.
Специалистами ВНИИ-1 была разработана конструкция поверхностного охладителя воздуха, представляющего собой систему каналов в искусственно намораживаемом (в зимнее время) ледяном массиве. В этом случае в летнее время воздух, проходя по каналам, охлаждается перед поступлением в РШ. Требуемые геометрические параметры искусственно намораживаемого ледяного массива, количество, диаметр и длина вентиляционных каналов рассчитывается по разработанной институтом методике.
Для РШ Заполярья, четвертичные отложения которых отличаются высокой льдистостью, ВНИИ-1 было предложено теплоаккумулирующие выработки проходить в зоне минимальных температур на небольшой глубине. Было установлено, что при температуре пород -7-100С и расходе воздуха в пределах <20м3/сек. с температурой, не превышающей +2 0С, время запаздывания на-чала протаивания пород превышает продолжительность теплого периода года (июнь-август). Этот температурный предел должен в идеале обеспечивать применяемые системы регулирования ТР для обеспечения безаварийной работы РШ в летнее время.
Для расчета параметров теплоаккумулирующих выработок ИГДС была разработана более совершенная методика расчета [10]. Различные модификации этого способа регулирования ТР прошли опытно-промышленную проверку на угольных и РШ Северо-Востока.
Вышеизложенные материалы позволяют сделать вывод, что в области вентиляции и регулирования ТР крупных круглогодичных высокомеханизированных РШ еще много нерешенных вопросов. В то же время решение их крайне необходимо для успешного развития подземной разработки россыпных месторождений криолитозоны. В связи с этим, необходимо в качестве первоочередной задачи определить главные направления возможного совершенствования способов вентиляции и регулирования ТР РШ применительно к различным горногеологическим условиям и уровням оснащенности техникой с дизельным приводом. Последний фактор становится главенствующим, т.к. в перспективе предполагается широкое использование самоходной техники вплоть до самосвалов. Таким образом, наличие выхлопных газов будет обычным явлением во всех выработках РШ, также как метана в угольных шахтах, что потребует их усиленной вентиляции. Кроме этого, движение высокоскоростных крупногабаритных транспортных средств по ГВ будет вызывать поршневые эффекты и завихрения воздуха, таким образом непредсказуемо изменяя их вентиляционный режим. Таким образом, не исключено, что потребуется обновление традиционных представлений об аэрогазодинамических процессах, происходящих в выработках РШ, которые будут неадекватными существующим ранее. Это, в свою очередь, потребует проведения специальных разноплановых исследований с привлечением научного потенциала различных организаций.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шерстов В.А. и др. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии.- Якутск: Кн. изд-во ЯФ СО АН СССР, 1981.- 180 с.
2. Шерстов В.А., Киселев В.В., Хохолов Ю.А. Проблемы регулирования теплового режима в условиях круглогодичной работы высокомеханизированных россыпных шахт Севера// Колыма.- 2002.- №1.- С.23-29.
3. Киселев В.В., Хохолов Ю.А., Шерстов В.А. Проблемы вентиляции высокомеханизированных россыпных шах криолитозоны// Колыма.- 2003.- №4.- С.52-57.
4. Афанасьев В.П. Расчет количества воздуха для проветривания россыпных шахт при камеро-лавной системе разработки// Колыма.- 1984.- №5.- С.32-35.
5. Афанасьев В.П., Шерстов В.А. Некоторые особенности проветривания россыпных шахт Якутии// Колыма.- 1981.- №11.- С.19-23.
6. Хохолов Ю.А., Киселев В.В., Шерстов В.А., Каймонов М.В. Особенности теплообмена и льдообразования в вентиляционных скважинах россыпных шахт Заполярья в летний период// Колыма.- 2002.- №3.- С.16-19.
7. Киселев В.В., Хохолов Ю.А., Шерстов В.А. Об особенностях эксплуатации вентиляционных скважин на россыпных шахтах Заполярья в летний период// Горный информ.-аналит. Бюллетень. Региональное приложение «Якутия».- 2005.-Вып.1.- С.299-307.
8. Киселев В.В., Спицын А.В., Хохолов Ю.А., Шерстов В.А. Временные инструктивные указания по выбору рациональных режимов эксплуатации вентиляционных скважин на россыпных шахтах криолитозоны.- Якутск: Изд-во ИМЗ, 2004.18 с.
9. Хохолов Ю.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в подземных выработках криолитозоны// Горный информ.-аналит. Бюллетень. Тематическое приложение «Аэрология».- 2005.- С. 101-110.
10. Хохолов Ю.А., Каймонов М.В. Выбор оптимальных систем кондиционирования на основе теплоаккумулирующих выработок.- М.: ВНТИЦ, 2004.-№50200400016.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Шерстов Валерий Андреевич - доктор технических наук, профессор, Киселев Валерий Васильевич - кандидат технических наук,
Хохолов Юрий Аркадьевич - доктор технических наук,
Ушницкий Игорь Михайлович - инженер,
ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.
