Температурный режим многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------- © Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев,

2009

УДК 622.45:536.244

Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛОГО ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ВЕДЕНИИ ПРОХОДЧЕСКИХ РАБОТ

Семинар № 16

7"Гобыча полезного ископаемого в /-*1 районах крайнего Севера имеет свои характерные особенности. Главными из которых являются наличие многолетней мерзлоты и крайне жесткие климатические условия (в зимний период температура воздуха опускается до -50 0С, а в летний доходит до +35 0С), и как следствие зависимость всех процессов горного производства от температурного фактора. В условиях криолито-зоны тепловой режим шахт и рудников напрямую влияет на безопасность и эффективность горных работ. Для обеспечения безопасности и эффективности горных работ при строительстве и эксплуатации шахт и рудников необходима разработка соответствующих методик, позволяющих прогнозировать тепловые процессы, происходящие в выработке и окружающих ее горных породах. Одной из основных задач горной теплофизики является обеспечение устойчивости подготовительных выработок шахт и рудников при их проходке в летний период эксплуатации, когда в забой для проветривания выработки с поверхности подается теплый атмосферный воздух.

Вопросам прогнозирования теплового режима в подготовительных выработках с тупиковым забоем, проветриваемых с помощью трубопроводов посвящены работы А.Н. Ягельского [1], А.Ф. Воропаева [2], А.Е. Величко [3],

А.Н. Щербаня, В.П. Черняка, Н.А. Брай-

чевой [4, 5], Э.Н. Малашенко, Л.Б. Зимина [6], А.Ф. Галкина [7, 8] и др. В основном при расчетах выработка рассматривалась с не изменяющимся во времени контуром, не учитывалось влияние скорости проходки на формируемый тепловой режим, а именно постоянное смещение груди забоя после каждого проходческого цикла и, соответственно, ежесуточное обнажение массива горных пород с естественной температурой, а так же регулярное наращивание вентиляционного трубопровода по мере продвижения забоя.

В работе [9] была рассмотрена задача по определению параметров температурного поля вокруг очистной выработки при камерно лавной системе разработки с учетом движения забоя и фазовых переходов влаги в массиве многолетнемерзлых горных пород, однако при этом не уточняются параметры воздушной струи поступающей в забой для проветривания выработки. Результаты расчетов показали, что продвижение забоя порождает асимметрию температурного поля вокруг выработки, а также отмечается, что чем сильнее отличаются параметры теплового режима при нарезных и очистных работах, тем асимметрия сильнее.

Поскольку в летний период эксплуатации в выработку для ее проветривания поступает теплый воздух, то это негативно сказывается на устойчивости ок-

Рис. 1. Расчетная область

ется осесимметричной, рассматривается двухмерная область в цилиндрических координатах.

Уравнения сохранения энергии в трубопроводе и в выработке соответственно имеют следующий вид:

СвРв

і + „і 1= Ю. (Т2 - Т,),

ді 1 Йг ) я v ’

ружающих её мерзлых горных пород и тем самым возникает необходимость в определении безопасных параметров вентиляционного режима, при которых бы обеспечивалась устойчивость горных выработок и соответственно безопасность ведения горных работ.

В этих целях была разработана математическая модель теплового режима многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ. При расчетах за основу взята модель, описанная в работе [10]. В отличие от данной модели при моделировании тепловых процессов учитывается теплообмен воздуха с поверхностью забоя, а также утечки через вентиляционную трубу. Разработанная модель позволяет рассчитать температурный режим вскрывающей тупиковой выработки при нагнетательном режиме проветривания с учетом скорости проходки выработки, а также теплообмена воздуха с забоем.

На рис. 1 приведена расчетная схема исследуемой области. Поперечное сечение выработки имеет форму окружности. Таким образом, горная выработка представляет собой область в виде полого цилиндра. Внутренний радиус соответствует радиусу выработки Я2, а внешний - радиусу теплового влияния Яг. Проветривание выработки осуществляется нагнетательным способом с подачей

воздуха по вентиляционному трубопроводу радиуса Я1. Поскольку задача явля-

0 < х < Ь, 'дТ„

С.Р.

ді

дТ 2 дх

-2Яа^(Т2 - Т ),

^ V 2 ст

= ^ (Т2 - Т,) + 0 < х < Ь,

(1)

(2)

где Тг и Т2 - соответственно температура воздуха в трубопроводе и выработке, °С; аг- коэффициент теплопередачи от воздуха внутри трубопровода к рудничному воздуху через стенку трубопровода, Вт/(м2 К); Бв - площадь выработки; Vг и у2 - соответственно скорость воздуха в трубопроводе и выработке, м/с; св -удельная теплоемкость воздуха (Дж/(кг-К)), рв - плотность воздуха (кг/м3), Тст - температура стенки выработки, °С.

Граничные условия для уравнений сохранений энергии имеют вид:

Т1 = Тв, х = 0. (3)

Т 2 = Т1, х = Ь. (4)

На границе выработки задается граничное условие III рода:

а(Тст -Тв) =1^ \п=Я2, (5)

дЯ

Т - температура горных пород, °С; 2 -коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(м-К); Я - радиальная координата, м.

Процесс распространения тепла в массиве горных пород с учетом фазовых переходов влаги описывается уравнением:

[с (Т) + ьф

дТ

■р-5(Т -T*)]— = -1 дг

[. дТ ] д [. дТ ]

ЦТ)- Я — ЦТ )—

дЯ дх _ дх _

1 д

Я дЯ

0<х<Ь, Я2<Я<Яг, Ь<х<Ь1, 0<Я<Яг [ср; Т < Т*;

[ср; Т > Т * Ц; Т <Т*; Ц; т > т *,

с =

Я =

(6)

(7)

(8)

2Я,

Ц

2Я

лопроводности материала трубы, Вт/(м • К), Яе2 - критерий Рейнольдса для воздуха в выработке.

Формула для расчета коэффициента теплообмена в выработке а2 с учетом шероховатости поверхности выработки имеет вид [11]:

0,02 -є-Я -Яе20-8

(14)

где сг, с2 - удельные теплоемкости мерзлых и талых пород, Дж/(кг • К); А4, Х2

- коэффициенты теплопроводности мерзлых и талых пород, Вт/(м • К); Ьф -скрытая теплота фазовых переходов, Дж/кг; со - весовая влажность пород (в долях единицы); Т* - температура фазовых переходов, °С; 8(Т-Т*) -дельтафункция Дирака,

В начальный момент времени задается распределение температур:

Т = ф1 (х), Т2 = ф2 (х), 0<х<Ь, (9)

Т = у>(х,Я), 0<х<Ь, Я2ЗК.г, (10)

На внешней границе области температура принимается равной естественной температуре пород: т/я=яг =Те. (11)

На боковых границах при х=0 и х=Ь принимается, что потоки тепла отсутствуют, т. е. получаем граничные условия

II рода:

— = 0, х=0, Яв<Я<Яг, дх

х=Ь, Яв<К.г. (12)

Коэффициент теплопередачи аг рассчитаем с учетом толщины и свойств материала трубы:

1 , (13)

2*Я2

где б - коэффициент шероховатости.

Температура воздуха в выработке при х = Ь рассчитывается по следующей формуле с учетом теплообмена с забоем выработки:

Т =сеРеОТ1 + а3 (пЯ2 + 2пЯ211 ) • х = Ь

2 св рв О + а3(пЯ2 + 2пЯ211) ’

(15)

где а3 - коэффициент теплообмена со стенкой забоя, Вт/(м2 К); О - расход воздуха, м3/с; - расстояние между концом

трубы и забоем; Тзаб - средняя температура стенки забоя, 0С.

Коэффициент теплопередачи а3 в забое определяется по формуле [12]:

а = 3,06Яе2°'5 Рг '.

-2-Яп

(16)

0,022в Ке",8 2тр 0,02еЛв Ке^8

где Лв - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К), Яе1 - критерий Рейнольдса для воздуха в трубе, 8тр - толщина трубы, м; ктр - коэффициент теп-

где Рг - критерий Прандтля, к =11/2Я2. Утечки через вентиляционную трубу могут быть оценены коэффициентом доставки п, который равен отношению П=Ок /Он (где Ок количество воздуха в конце трубопровода (у забоя), Он - количество воздуха в начале трубопровода). Коэффициент доставки п зависит от диаметра, длины и материала трубы, и определяется по таблице из работы [13]. Для разработанной модели были проведены численные эксперименты по расчету теплового режима тупиковой выработки в период проходки. Расчеты проводились при следующих исходных параметрах: забой за 1 смену (6 часов) продвигается на 1,5 м, при этом температурное поле, полученное для каждого

N

а

N

б

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

N

в

шага выемки становиться начальным распределением температуры для последующего шага.

Режим проветривания разбивается на два этапа: 1) осуществляется деятельная вентиляция с использованием вентилятора местного проветривания (т1, час);

Рис. 2. Температурные изолинии на момент времени: а - 120 часов; б - 360 часов; в - 720 часов

2) вентиляция осуществляется за счет диффузии воздуха (т2, час). В качестве температур поступающего воздуха выбраны следующие значения +5 °С и +10 °С. Расходы воздуха равны 5 и 10 м3/с, а = 0,2, р =1800 кг/м3, Я = 2,0 Вт/(м-К), Я2 = 1,6 Вт/(м-К), удельная теплоемкость сухой породы С„=900,

Дж/(кг-К), естественная температура пород Те = -4°С. Площадь сечения выработки Sв = 6 м2, начальная длина выработки Ь=5 м. Параметры трубопровода: Ятр =0,3 м, Зтр=0,003 м и Ятр=0,14, Вт/(м-К). Рассмотрены три режима проветривания выработки: I) вентилятор работает 1,5 часа и 1,5 часа не работает; II) вентилятор работает 2 часа и 4 часа не работает; III) вентилятор работает 3 часа и 3 часа не работает.

Для наглядности на рис.2

- 4 представлены результаты расчетов (в виде изолиний) по одному из вариантов температурного режима породного массива в период проходки тупиковой выработки с учетом движения забоя при расходе воздуха 10 м3/с, температуре поступающего воздуха +10 °С и III режиме проветривания в разные моменты времени: через 120, 360 и 720 часов соответственно. На оси абсцисс лежит координата длины (в метрах), на оси ординат - радиальная координата (в

Тв, °С Режим проветривания Q, м3/с Максимальная глубина протаивания, м

Через промежуток времени, час

Ті, час Т2, час 12° 36° 72°

+5 1,5 1,5 5 - - -

2 4 - - -

3 3 - - -

1,5 1,5 10 0,03 0,09 0,09

2 4 - - -

3 3 0,01 0,08 0,09

+10 1,5 1,5 5 0,06 0,14 0,15

2 4 - 0,02 -

3 3 0,05 0,13 0,15

1,5 1,5 10 0,14 0,28 0,38

2 4 0,08 0,19 0,24

3 3 0,14 0,27 0,37

метрах). Радиус выработки Я2 = 1,38 м. Как видно из рисунков заданные параметры вентиляционной струи и режим проветривания приводят к интенсивному протаиванию окружающих выработку горных пород.

Результаты расчетов в виде максимальных глубин протаивания пород вокруг выработки через заданные интервалы времени приведены в таблице. Результаты расчетов выявили количественные показатели изменения температурного режима окружающих пород и ореолов протаивания вокруг выработки. Как видно из таблицы при температуре +5 °С и расходе воздуха 5 м3/с при всех трех режимах проветривания протаива-ние окружающего породного массива не происходит. При увеличении расхода воздуха до 10 м3/с происходит незначительное протаивание горных пород при I и

III режимах проветривания, в то время как при II режиме массив остается в мерзлом состоянии, что связано с относительно большим временем простоя вентилятора по сравнению с двумя другими режима проветривания.

Изменение температуры воздуха с +5 °С до +10 °С при расходе воздуха 5 м3/с вызывает протаивание породного массива для I и III режимов проветривания. При II режиме горные породы приустьевой части, через определенный проме-

жуток времени, начинают протаивать, затем по мере продвижения забоя скорость протаивания замедляется и растепление выработки прекращается, а в дальнейшем наблюдаем эффект «схло-пывания» мерзлой зоны. Причиной этого в данном случае является тот факт, что при увеличении длины проходимой выработки обнажаются все больше поверхностей выработки с естественной температурой пород, что приводит к постепенному поглощению тепла, вносимого вентиляционным потоком, всей площадью поверхности выработки и охлаждению исходящей вентиляционной струи. При варианте расчета с температурой воздуха +10 °С и расходе 10 м3/с наблюдается наиболее интенсивное протаивание мерзлых пород при всех трех режимах проветривания выработки.

По результатам расчетов можно сделать вывод о том, что для заданной скорости движения забоя и температуры воздуха поступающего в вентиляционный трубопровод в пределах +5 °С все три рассмотренных режима проветривания выработки позволяют обеспечить мерзлое состояние вмещающих горных пород, либо их протаивание на незначительную глубину. При увеличении температуры воздуха до +10 °С только один из вариантов проветривания (вентилятор

работает 2 часа и 4 часа не работает) не приводит к протаиванию горных пород. Увеличение расхода воздуха на вентиляцию до 10 м3/с приводит к значительному увеличению глубины протаивания и соответственно снижению устойчивости окружающих выработку горных по-

1. Ягельский АН. Тепловые расчеты вентиляционного воздуха выработок с тупиковым забоем в глубоких угольных шахтах [Текст] / А.Н. Ягельский. - М.: Недра, 1960. - 143 с.

2. Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах [Текст] / А.Ф. Воропаев. - М.: Недра,

1977. - 359 с.

3. Величко А.Е. Тепловой расчет тупиковых выработок [Текст] /А.Е.Величко // Разработка месторождений полезных ископаемых. - Киев: Техника, 1978. - Вып. 49. - С. 40 - 44.

4. Щербань А.Н., Черняк В.П., Брайчева Н.А. Методы расчета температуры воздуха в строящихся горных выработках и воздухопроводах для их проветривания [Текст] / А.Н. Щербань,

В.П. Черняк, Н.А. Брайчева // ФТПРПИ. - 1977. -№5. - С. 69 - 76.

5. Брайчева Н.А. Методы расчета температуры вентиляционного воздуха подземных сооружений [Текст] / Н.А. Брайчева, В.П. Черняк, А.Н. Щербань. - Киев: Наукова думка, 1981. - 183 с.

6. Малашенко Э.Н. Методы тепловых расчетов тупиковых горных выработок [Текст] / Э.Н.Малашенко, Л.Б.Зимин // Тепловой режим глубоких угольных шахт и металлически рудников. -Киев: Наук. Думка, 1977. - С. 101-116.

род. Поэтому наиболее эффективным способом предотвращения растепления пород является регулирование температуры подаваемого в выработку воздуха, в частности, предварительное охлаждение вентиляционного потока в ледяных или грунтовых охладителях [14].

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

7. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера [Текст] / А.Ф. Галкин,

8. Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т горного дела Севера. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 2000. - 304 с.

9. Галкин А.Ф. Регулирование теплового режима при проходке выработок в мерзлых породах [Текст] / А.Ф. Галкин // Безопасность труда в промышленности. -2008. -№7. -С.28-31.

10. Изаксон В.Ю. Прогноз термомеханического состояния многолетнемерзлого массива [Текст] / В.Ю. Изаксон, Е.Е. Петров, И.И. Ковле-ков. - Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1989. - 108 с.

11. Шерстов В.А. Тепловой режим россыпных шахт криолитозоны [Текст] / В.А. Шерстов, В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2007. - 316 с.

12. Щербань А.Н. Руководство по регулированию теплового режима шахт [Текст] / А.Н. Щербань, О. А. Кремнев, В.Я. Журавленко. - М.: Недра, 1977. - 359 с.

13. Юдаев Б.Н. Теплопередача [Текст] / Б.НЮдаев. - М., «Высш. Школа», 1973. - 360 с.

14. Мустель П.И. Рудничная аэрология [Текст] / П.И.Мустель. - М.: Недра, 1970. -216 с.

15. Чабан П.Д. Расчет охлаждения рудничного воздуха в необсаженных ледяных каналах [Текст] / П. Д. Чабан, В.П. Афанасьев, В.В. Жур-кович//Колыма. - 1976. - №12. - С.39-42. ШИЗ

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

Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,

Соловьев Д.Е. - инженер,

Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН,

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 16 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.В. Мельник.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 24 мин.

Дата печати: 24.03.2009 0:05:00

При последней печати страниц: 6

слов: 2 240 (прибл.)

знаков: 12 774 (прибл.)

2_Хохолов-3

Н:\Новое по работе в универе\ГИАБ-2009\ГИАБ-4\09 С:\и8ег8\Таня\АррБа1а\Коатт§\М1сго80й\Шаблоны\Когта1.ёо УДК 622

12.02.2009 8:53:00 6

18.02.2009 10:57:00 Пользователь