Прогноз теплового режима рудника с учетом динамики развития горных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев,

2013

УДК 622.45:536.244

Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев

ПРОГНОЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РУДНИКА С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

Описан программный комплекс, позволяющий рассчитать тепловой режима и воз-духораспределение в вентиляционной сети р с учетом динамики развития горных работ. В качестве примера приведен расчет теплового режима проектируемого алмазодобывающего рудника АК «Алроса» на Накынском месторождении. Ключевые слова: криолитозона, тепловой режим, программный комплекс, рудники и шахты.

При строительстве и эксплуатации рудников и шахт в условиях криолитозоны, прежде всего, необходимо учитывать тепловой режим, который в определяющей степени влияет на эффективность и безопасность ведения горных работ. Как известно, на температурный режим выработок рудника влияние оказывает ряд факторов, из которых наибольшее значение имеют природные климатические условия района, наличие многолетнемерзлых пород и параметры вентиляции.

Прогноз теплового режима рудника с учетом этих факторов, а также динамики развития горных работ является весьма сложной задачей, требующей разработки специальных программ для ЭВМ на основе современных численных методов. Для её решения в лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН разработан программный комплекс, позволяющий рассчитать воздухораспределение и тепловой режим сети горных выработок криолитозоны с учетом интенсивности теплообмена воздушной струи с окружающим массивом пород и фазовых переходов влаги в них, а также нестационарности сети горных выработок (изменчивости во времени числа выработок и их соединений).

В основу данного программного комплекса заложены следующие методики:

расчета воздухораспределения в вентиляционной сети с учетом напорных характеристик вентиляторов и геодезических отметок узлов сети, которая использует I и II законы Кирхгофа для вентиляционных сетей и основана на решении следующей системы уравнений [1, 2]:

т р

V а. - qJ Р = 0, 1 = 1,2,..., п -1, (1)

.=0 Рс

т р т р.

ЕЗ.. • —г. • q2 = V е.. -—к . + я V р.-Ьг.,

1. . ^ . в. о 1 1>

.=0 р .=1 рс

1= 1,2,..., т - п +1, (2)

ке = я= - ^,

^ (3)

ьв = а0 + а1Я1 + а2я2

расчета теплового режима в сети горных выработок криолитозоны, которая позволяет рассчитать температурный режим и ореолы протаивания во всех выработках сети, и учитывает нестационарное взаимовлияние процессов воздухораспределения и теплообмена в выработках сети с учетом фазовых переходов влаги в горных породах [3].

Алгоритм совместного решения задач заключается в следующем. Сна-

чала задается начальное распределение температур воздуха в выработках и в массиве вмещающих горных пород во всех ветвях вентиляционной системы. При заданных температурах воздуха решается задача воздухорас-пределения, т.е. определяются расходы воздуха в каждой выработке сети. Далее, исходя из топологической информации, определяется порядок расчета температуры воздуха по ветвям. Расчет начинается с воздухопо-дающих выработок сети. Температура воздуха на входе в выработку является уже известной величиной (т.е. входящие ветви в узел, с которого начинается выработка, уже прошли через процедуру расчета температуры воздуха). Согласно порядку проводится процедура расчета температуры воздуха в выработках сети. Температура воздуха на выходе из узла Тв рассчитывается с учетом расходов и температур воздуха всех входящих ветвей по формуле:

X Ъ'тч

Тв = ^-, (4)

№

д,, - соответственно, расход и температура воздуха на конце ]-й выработки, м3/с и °С; Р - множество входящих ветвей в заданный узел сети.

Далее, используя рассчитанное распределение температур воздуха в сети, уточняется перераспределение расхода воздуха в сети путем решения задачи воздухораспределения.

Таким образом, на каждом шаге по времени решаются последовательно 2 задачи: задача воздухораспределения и тепловая задача.

Методика совместного расчета вентиляционного и теплового режимов сети горных выработок модифицирована для случая, когда в сеть добавляются новые ветви или из сети удаляются отдельные ветви, т.е. когда

имеет место нестационарность сети горных выработок. Добавление новых ветвей в корне изменяет состояние сети, количество ветвей, узлов и независимых циклов, в то же время необходимо «запомнить» температурное поле вокруг выработок сети. Весь период работы рудника разбит на этапы, каждый из которых включает отработку нового блока, в сеть включаются новые выработки, а в конце этапа выключаются отдельные выработки.

Программа реализованна на языке Object Pascal в визуальной среде программирования Delphi (рис. 1) и предоставляет пользователю следующие возможности: интерактивный ввод теплофизических характеристик горных пород, информации о топологии вентиляционной сети, просмотр рассчитанных данных в табличном виде и их распечатку в соответствующем виде на принтере, а также графический просмотр всей сети в двух и трехмерном режиме. Дружественный интерфейс программы позволяет быстро моделировать вентиляционные сети.

В качестве примера рассмотрим тепловой режим алмазодобывающего рудника Накынского поля. В пред-проектных проработках на вскрытие и отработку алмазных трубок «Нюр-бинская» и «Ботуобинская» Накынкого поля подземным способом рассмотрено несколько вариантов, где отмечено, что на различных стадиях строительства и последующей эксплуатации рудников, температурный режим будет различным.

Рассмотрим один из вариантов расчета температурного режима единого подземного рудника, со вскрытием двух месторождений с одной основной промплощадки, располагаемой посредине между двух месторождений. Схема вентиляции рудника приведена на рис. 2. Всего на место-

Рис. 1. Рабочее окно программы

рождениях тр. «Ботуобинская» и тр. «Нюрбинская» необходимо отработать 12 блоков, поэтому весь период работы единого рудника разбит на 12 этапов. В начале каждого этапа появляются новые ветви и узлы вентиляционной сети, а в конце этапа закрываются отдельные ветви, что приводит к прекращению движения воздуха по выработкам данного блока.

Проветривание горных работ будет осуществляться по центральной схеме проветривания. Свежий воздух (одновременно для 2-х месторождений) будет подаваться по клетевому стволу (КС) основной промплощадки рудника. Часть, подаваемого в рудник свежего воздуха будет распределяться в горные выработки тр. «Ботуобин-ская», с выдачей исходящей струи по скиповому стволу (СС) основной промплощадки рудника, а другая часть будет подаваться в горные выработки тр. «Нюрбинская», с выдачей исходящей струи через вспомогательный скиповой ствол (ВСС).

Вентиляционная сеть выработок рудника состоит из 111 ветвей и 64 узлов, следовательно, количество независимых циклов равно к=111-64+1=48. Выходы на поверхность соединены фиктивными ветвями с узлом 1 с нулевыми аэродинамическими сопротивлениями (ветви 13 и 27). Температура атмосферного воздуха задается периодической функцией по формуле:

Т - Т П720(М - 1) + г +1800]

Тв = -л ■ sin—------] +

2

4320

Т - Т

з_л

2

(5)

где Т3 - минимальная зимняя температура, 0С; Тл - максимальная летняя температура, 0С; М - порядковый номер месяца, М=1,2,...,12.

По проекту в руднике будет обеспечиваться постоянный положительный температурный режим (не менее +2 0С на воздухоподаче ствола КС), поэтому, как только наружная температура воздуха стане ниже +2 0С,

СС

|59 '76

Рис. 2. Схема вентиляции единого подземного рудника

включается калорифер, который поддержит температуру поступающего воздуха на заданном уровне.

Были так же рассчитаны глубины протаивания пород вокруг выработок, температуры воздуха в каждой выработке. Отдельные результаты расчета приведены на рис. 3 - 5. Поскольку в выработках поддерживается положительный температурный режим и расходы воздуха достаточно большие, происходит прогрессирующее протаивание окружающих мерзлых горных пород. Значения глубины протаивания зависят от периода эксплуатации выработок, так за 23 года максимальная глубина протаивания вокруг КС на отметке (+254 -+70 м) составляет 11 м, на отметке (-230 -330 м) - 10,5 м, на отметке (-330 -430 м) - 9 м, на отметке (-430 - 530 м) - 7,5 м. Наиболее интенсивное про-таивание происходит в первые годы. Значения глубины протаивания во-

круг СС и ВСС ниже, чем глубины протаивания вокруг КС.

При вскрытии новых горизонтов происходит охлаждение вентиляционного воздуха из-за теплообмена с окружающими горными породами, а поскольку исходящая струя воздуха выдается на поверхность через СС и ВСС, то это приводит к замедлению темпов протаивания пород вокруг них и характерному волнообразному виду графиков глубины протаивания на различных горизонтах (см. рис. 4 и 5).

На рис. 6 приведены расчетные значения изменения температур воздуха в выработках рудника на 5 год эксплуатации. Из графиков видно, что в зимний период температура воздуха равна примерно +2 °С, т.к. стабильность температуры обеспечивается калорифером, а в летний период за счет поступления атмосферного тепла воздух нагревается до +18 °С.

—•— отм.+254 +70

—■— отм.+70 -30

- - - х- - ■ отм.-30 -130

—ж— отм.-130 -230

отм.-230 -330

—1— отм.-330 -430

-отм.-430 -530

Рис. 3. Динамика глубины протаивания КС

Время, год

отм.+254 +170

—■— отм. + 170 +70

-■■х-- ■ отм.+70 -30

—ж— отм.-30 -130

—•— отм.-130 -230

—1— отм.-230 -330

-отм.-330 -430

Рис. 4. Динамика глубины протаивания СС

Время, год

—♦— -отм -254 -30

—■— отм -30 -130

X ■ отм -130 -230

—ж— отм -230 -330

—•— отм -330 -430

Рис. 5. Динамика глубины протаивания ВСС

Рис. 6. Динамика температур воздуха в выработках в 5 год эксплуатации

Поддержание круглогодичного положительного температурного режима в выработках рудника позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих, а также обеспечить приемлемые условия для работы машин механизмов. В тоже время положительная температура воздуха в горных выработках приводит к интенсивному протаиванию мерзлых пород вокруг выработок, что отрицательно сказывается на их устойчивости.

Следует отметить, что при нерегулируемом тепловом режиме рудника в выработках температура воздуха в зимний период будет отрицательной, и протаивание горных пород происходит только в устьевых частях воздухоподающих выработок в летний период. С позиций геомеханики их мерзлое со-

1. Абрамов Ф.А. Воздухораспределе-ние в вентиляционных сетях шахт / Ф.А. Абрамов, Р.Б. Тян, В.Я. Потемкин. - Киев: Наукова думка, 1971. - 136 с.

2. Ушаков К.З. Аэрология горных предприятий / К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, Л.А. Пучков, И.И. Медведев; под ред.

стояние повышает устойчивость, однако отрицательная температура воздуха ухудшает условия труда рабочих и создает определенные трудности при эксплуатации машин и механизмов.

Результаты проведенных исследований позволили сделать прогноз теплового режима рудника, который необходим для оценки геомеханического состояния горных выработок и обоснования основных параметров производственных процессов. Таким образом, разработанный программный комплекс обеспечивает объективную оценку состояния вентиляционного и теплового режимов во всех выработках сети рудника с учетом ее нестационарности, что важно для повышения эффективности и безопасности ведения горных работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

К.З.Ушакова.-Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 421 с.

3. Хохолов Ю.А. Совместное решение задач воздухораспределения и теплового режима в сети горных выработок криолитозоны / Ю.А. Хохолов // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2003. - № 7. - С. 70-72. ТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Хохолов Юрий Аркадьевич - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, [email protected],

Соловьев Дмитрий Егорович - кандидат технических наук, младший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН, [email protected]

А