Регулирование теплового режима рудников Севера на базе использования локального подогрева шахтного воздуха Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

д___________

-------- © Е.Т. Воронов, Д.Е. Воронов,

И.А. Бондарь, 2007

УДК 622.272

Е. Т. Воронов, Д.Е. Воронов, И.А. Бондарь

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РУДНИКОВ СЕВЕРА НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ПОДОГРЕВА ШАХТНОГО ВОЗДУХА

Опыт подземной разработки месторождений в районах северо-востока России показывает [1, 2, 3], что вопросы безопасного проведения подземных горных работ в криолитозоне могут быть успешно решены при регулировании теплового режима подземных горных выработок.

Анализ микроклиматических условий и аэродинамических параметров проветривания показывает, что на подземных горных работах в зоне многолетней мерзлоты в 30-40 % всех проходческих забоев при использовании обеспыливающего проветривания создаются дискомфортные по температурному фактору условия труда горнорабочих. При этом на 15-20 % возрастает трудоемкость процессов из-за дополнительных затрат энергии, идущей на преодоление сопротивления громоздкой теплой спецодежды, увеличивается утомляемость, затрудняется применение средств гидрообеспыливания.

Для создания нормальных условий труда горнорабочих в сложных геокриологических условиях авторами рекомендован и испытан локальный подогрев шахтного воздуха непосредственно в зоне призабойного пространства с использованием переносных забойных электрокалориферов.

С учетом имеющегося опыта использования локального подогрева шахтного воздуха на угольных шахтах Крайнего Севера и по комфортным условиям рекомендуемая температура воздуха в зоне призабойного пространства должна быть в пределах 2-4 °С.

Рассмотрим теплообменные процессы в проходческом забое. Тепловой баланс при локальном подогреве воздуха (комбиниро-

ванном способе проветривания, рис. 1) можно представить уравнением

$о-тм

У 4

Уу/////у//////у/////////////^

Рис. 1. Схема вентиляции тупиковой горноразведочной выработки с локальным подогревом воздуха: 1 - нагнетательный вентилятор; 2 - нагнетательный трубопровод; 3 - электрокалорифер; 4 - отсасывающий вентилятор; 5 - отсасывающий трубопровод;

-----► свежая струя; ----использованная струя

Ц_кап + Цвент Цтр Цперф Цзаб (!)

где чкап - количество тепла, выделяемое калорифером, кДж/ч; чвент

- количество тепла, выделяемое при работе вентилятора, кДж/ч; чтр

- потери тепла в нагнетательном трубопроводе, кДж/ч; чзаб - потери тепла в результате теплообмена шахтного воздуха со стенками проходческого забоя, кДж/ч; чперф - количество холода, выделяющееся при работе пневматических машин, кДж/ч; Qв - производительность вентилятора, кг/с; С - теплоемкость воздуха, кДж-кг-°С; Аґ - приращение температуры воздуха в забое, °С.

Количество выделяющегося тепла при работе электрокалорифера составит

Чкал = 860 Мэл, (2)

где Ыэл - мощность электрокалорифера, кВт.

Количество тепла, выделяемое при работе вентилятора

Чвент И^Ув^э^вент, (3)

где G - количество воздуха, проходящее в течение 1 ч через вентилятор, кг; ув - объемная масса воздуха, кг/м3; И - полная депрессия, раз-

виваемая вентилятором, даПа; п - к. п. д. электродвигателя; гівент -к. п. д. вентилятора.

При комбинированном способе проветривания подогретый в калорифере воздух движется к забою по нагнетательному трубопроводу, длина которого колеблется от 40 до 100 м. Через стенки гибкого трубопровода происходит теплообмен между движущимся воздухом по трубопроводу и движущимся воздухом от забоя к отсасывающему вентилятору.

Количество тепла, проходящее через стенки забойного нагнетательного трубопровода в течение 1 ч, составит

Ятр ^трктр(їкал ' - ¿пр), (4)

где Бтр - общая площадь стенок трубопровода, м2.

^тр ^^тр'^тр, (5)

где dтр - диаметр трубопровода, м; 1тр - длина трубопровода, м; ктр

- коэффициент теплопередачи стенок трубопровода, кДж/м2- ч - °С; їтр

- температура воздуха на выходе из трубопровода, °С; їкал - температура воздуха в трубопроводе за калорифером, °С.

Коэффициент теплопередачи стенок трубопровода

ктр = Уґ ї ї сЛ , (6)

где а1 - коэффициент теплоотдачи на поверхности трубопровода с наружной стороны его, кДж/м2-ч-°С; а2 - то же, с внутренней стороны, кДж/м2-ч-°С; 5- толщина стенок трубопровода, м; Л - коэффициент теплопроводности материала трубопровода, кДж/м2-ч-°С.

Для шахтных прорезиненных трубопроводов (5= 0,003 м, Л = 0,58 кДж/м2-ч-°С)

ктр = У? 1 1 0 003 л = 10,9 кДж/м2-ч-°С. (7)

------1---1— ----I

3,27 20 0,14 )

Для металлического трубопровода ктр = 11,7 кДж/м2-ч-°С [21]. Использование теплоизоляции снижает коэффициент теплопередачи до 3,5-4 кДж/м2-ч-°С.

Выходящий из трубопровода подогретый воздух попадает в призабойное пространство, где происходит теплообмен с горными

породами. Во влажных выработках происходит интенсивное вла-гоприращение.

Количество тепла, теряемое вентиляционной струей, омывающей забой, составит

АЦзаб ^забаз(^1 ^п,), (8)

где Бзаб - площадь стенок призабойного пространства, м2.

53аб = 4л/5 • !тр + 5, (9)

где 4л/5 - периметр выработки, м; 1тр - отставание трубопровода от груди забоя, м; а3 - коэффициент теплоотдачи, кДж/м2-ч-°С; 11 - температура воздуха у поверхности массива мерзлых пород, °С (согласно экспериментальным данным принимается 11 = тр + иаб/2); Iзаб -температура воздуха на выходе из забоя, °С; tп - температура свежеобнаженного многолетнемерзлого массива, °С.

Температуру воздуха непосредственно в рабочем забое после теплообмена для практических расчетов рекомендуется определять по формуле

а5

каб=т-777^ - к), (10)

й'СУ

где ^аб - температура воздуха в забое после теплообмена, °С; QВ -производительность нагнетательного вентилятора, кг/с; С - теплоемкость воздуха, кДж/м2-ч-°С; у- плотность воздуха, кг/м3.

Необходимая мощность электрокалорифера определяется по формуле

Ыэл = [0,24аврксш - ^ач)3600-1,2]/860, (11)

где Qв - производительность вентилятора, м3/с; tнач - температура шахтного воздуха перед всасом вентилятора (принимается равной температуре многолетнемерзлых пород), °С; tкал - расчетная температура подогрева шахтного воздуха за калорифером, °С.

Подогрев воздуха осуществлялся электрокалорифером типа СФО с трубчатыми оребренными нагревателями, сблокированными с работой забойного вентилятора.

Теплофизическая обстановка при локальном подогреве воздуха при температуре шахтного воздуха минус 4 °С приведена на рис. 2.

Как видно из рис. 2, зона положительных температур в призабойном пространстве распространяется на длину 40-60 м.

„ '^Уу\ \У/А \ \УУ/4\ \УУу\

О

-4

Ч//7Ч А XV у/\\ \у// чЧЧ//7ЧЧ Ч//АЧЧ/ /AЧV//

/ /

/

- / <

Г / Л

'/ 1 / ч

8 - ""Ч •V. _

1_

б)

20 40 60 80 100 120 НС

Расстояние от забоя, м

Рис. 2. Изменение температуры вентиляционной струи при локальном подогреве шахтного воздуха: а) схема расположения электрокалориферов: 1 - электрокалорифер СФО-20; 2 - вентилятор ВМ-6; 3 - нагнетательный вентилятор ВМ-5; 4 - шпуры для замера ореола оттаивания мерзлых пород; б) график изменения температуры воздуха в забое: 5 - за калорифером; 6 - в нагнетательном трубопроводе; 7 - в призабойной зоне; 8 - при естественном тепловом режиме (без подогрева)

Для установления степени влияния положительной температуры на устойчивость мерзлого массива были проведены измерения температуры пород и ореола оттаивания в опытных забоях. Измерение температуры пород осуществлялось в специально пробуренных шпурах глубиной 1,5 м при помощи термоэлектрических датчиков. Датчики закладывались в шпуры через каждые 25 см (по три датчика в шпуре). Шпуры располагались на призабойном участке выработки в зоне положительных температур (+2 °С).

Измерение температуры многолетнемерзлого массива в проходческих забоях показали, что ореол оттаивания горных пород при температуре +2 °С не превышает 0,2-0,3 м за период проветри-

вания 20-30 сут., т.е. за период полного перемещения зоны положительных температур на свежеобнаженный массив. Локальный подогрев по данной схеме повышает температуру рудничного воздуха только в месте производства работ. В остальных выработках температура воздуха остается отрицательной, что обеспечивает необходимую устойчивость выработок без дополнительного крепления. Снижение опасности оттайки мерзлого массива в забоях осуществляется периодической переноской забойных вентиляторов местного проветривания, предусмотренной технологией проходки выработок.

Опыт применения локального подогрева воздуха показал его эффективность как для улучшения микроклиматических условий труда, так и для снижения технологических осложнений в рабочих забоях.

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера / Ю.Д. Дядькин. - М.: Недра, 1968. - 256 с.

2. Петров И.П. Опыт применения локального подогрева воздуха на шахте Джебарики-Хая объединения Якутуголь / И.П. Петров // Колыма, 1976. - № 10

3. Воронов Е.Т. Повышение эффективности и безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя в криолитозоне / Е.Т. Воронов, Д.Е. Воронов, И. А. Бондарь. - Чита: ЧитГУ, 2006. - 241 с.

4. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера. / Ю.В. Шувалов. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. -196 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Воронов Е. Т. - Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Читинский государственный университет,

Воронов Д.Е. - кандидат технических наук, доцент, Читинский государственный университет,

Бондарь И.А. - кандидат технических наук Читинский государственный университет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ