CC BY
39
Тгр = Т1 -(Ті 8 Тг)5501 х0, ос. (36)
С+С
Откуда определим искомую температуру на границе
Т = 18 (18 +18)0,276/ 1,28 =
ф “ 0,276/ 1,28 + 0,474/ 2,2 “
= 18 -18 = 0о С.
Таким образом, оптимальная по экономическим и технологическим параметрам перемычка должна состоять из слоя бетона 0,28 м и слоя льда 0,47 м. Естественно, что если из технологических соображений по устойчивости, например, бетонный слой перемычки не может быть меньше 8тех= 0,3 м, то выбирается именно эта величина. А, так как 8тех > 8о, то условие (30) будет выполняться автоматически. ЕШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------
Галкин А. Ф. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
Рецензент д-р техн. наук, проф. горного факультета СПГГИ (ТУ) С.Г. Гендлер.
-------------------------------------------- © Ю.В. Шувалов, А.Ф. Галкин,
2008
УДК 536:24:622.413
Ю.В. Шувалов, А.Ф. Галкин
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ
Приведены основные теоретические и практические результаты исследований авторов в области горной теплофизики криолитозоны. В частности, результаты исследований по обоснованию нормативных параметров микроклимата, регулированию теплового режима, тепловой защите горных выработок.
^Исследованиям теплового режи- тоннелей, коллекторов, защитных со-
Жж. ма подземных сооружений зоны оружений специального назначения,
многолетней мерзлоты (криолитозоны) - подземных складов, холодильников и
россыпных и угольных шахт, рудников, других объектов, надежность, безопас-
ность и энергетическая эффективность эксплуатации которых напрямую определяется тепловым фактором, посвящены труды многих известных ученых -горных теплофизиков. Основополагающими трудами в этой области знаний по праву считаются работы, Ю.Д. Дядькина, А.Ф. Зильберборда, Чабана П.Д. Их основные научные идеи в последующем были развиты в работах В.Н. Скубы, М.А. Розенбаума, Е.А. Ельчанинова, С.Г. Гендлера, В.А. Шерстова, В.В. Журковича, В.П. Кима, Б.В. Шургина, Г.П. Кузьмина, Б.А. Красовицкого, В.Ю. Изаксона, Е.Е. Петрова, Е.Т. Воронова, О.Г. Щукина, и других ученых, которые решали как фундаментальные, так и прикладные задачи горной теплофизики. Общей целью исследований являлось обеспечение безопасности и повышение энергетической эффективности функционирования подземных сооружений криолитозоны. При этом в теоретическом плане использовались так называемые прогнозные модели физических процессов, в частности модель процесса теплообмена рудничного воздуха с массивом мерзлых пород при наличии нестационарных источников тепловыделений. Это давало возможность с достаточной для инженерной практики точностью прогнозировать климатические условия в горных выработках и температурный режим окружающего породного массива, но не позволяло уже на стадии проектирования определять оптимальные с энергетических и экономических позиций параметры теплового режима и систем его регулирования.
В конце 20 века, с развитием горнодобывающей отрасли, переходом горных работ на глубокие подмерзлотные горизонты и применением прогрессивной технологии с закладкой выработанного пространства, перед горной теплофизикой криолитозоны стали новые за-
дачи, которые ранее не рассматривались. Прежде всего, это комплексное кондиционирование рудничного воздуха
- подогрев на поверхности и охлаждение на рабочих горизонтах. Энергетические и экономические затраты при этом на создание безопасных нормативных параметров микроклимата кратно возрастают. Актуальным и экономически целесообразным становится использование природных и вторичных источников энергии, а также эффективной тепловой защиты горных выработок для снижения эксплуатационных затрат на кондиционирование рудничного воздуха. Не менее актуальной оставалась задача комплексного использования отработанных горных выработок криолито-зоны для целей как связанных, так и не связанных с горным производством, в том числе для укрытия населения и рабочих смен в период чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера.
Идея авторов настоящей статьи заключалась в том, что оптимизацией параметров горнотехнических систем, способов и средств регулирования теплового режима при комплексном использовании природных и вторичных источников энергии, представляется возможным обеспечить нормативные параметры микроклимата в подземных сооружениях криолитозоны как в обычный период эксплуатации, так и в условиях чрезвычайных ситуаций, при минимуме энергетических и материальных затрат. Для научного обоснования и практической реализации идеи необходимо было сформулировать и решить следующие задачи:
- исследовать тепловое взаимодействие человека с окружающей средой в подземном сооружении зоны многолетней мерзлоты и определить зону теплового комфорта в горных выра-
ботках, а также предельно допустимые параметры микроклимата в период выполнения трудовых операций и периоды ожидания (отдыха);
- разработать методологию и теоре-
тические основы расчета и выбора оптимальных параметров горнотехнических систем регулирования теплового режима: обыкновенных, регенератив-
ных, рекуперативных, комбинированных;
- исследовать эффективность и обосновать целесообразность использования теплоизоляции горных выработок как комплексного средства, функциональное назначение которого складывается из нескольких составляющих: управление тепловым режимом горных пород и тепловым режимом внутри подземного сооружения; обеспечение функции крепи выработки; управление влажностным режимом и газовым составом в подземном сооружении;
- разработать теоретические основы расчета и выбора оптимальных параметров многофункциональных теплозащитных несущих покрытий и теплоизоляции горных выработок подземных сооружений различного назначения;
- исследовать процессы формирования микроклимата в горных выработках двойного назначения при использовании их в качестве защитных сооружений для укрытия населения и рабочих смен в условиях чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера;
- исследовать процессы теплообмена в подземных сооружениях при реверсии вентиляционной струи с переменным расходом воздуха и разработать методы оценки и выбора оптимальных параметров режимов проветривания горных выработок по критерию экономии энергии;
- исследовать влияние теплового фактора на выбор объёмно-планировочных и конструктивных решений
при проектировании подземных сооружений зоны многолетней мерзлоты с учетом комплексного использования горных выработок;
- обосновать и разработать новый подход к математическому моделированию тепловых процессов в горных выработках двойного назначения, основанный на выборе их оптимальных параметров при управлении процессами вентиляции по заданным критериям качества;
- разработать теоретические основы расчета и выбора оптимальных параметров теплового режима выработок в период строительства подземных сооружений в криолитозоне с целью удовлетворения следующим критериям качества: обеспечение нормативных условий эксплуатации машин и механизмов; устойчивости горных пород; комфортности и безопасности условий труда проходчиков;
- разработать новые эффективные системы, способы и средства регулирования теплового режима в горных выработках, обеспечивающие нормативные параметры микроклимата при минимуме энергетических и материальных затрат;
- разработать программный комплекс для решения прикладных задач горной теплофизики, реализующий идею выбора оптимальных параметров систем, способов и средств регулирования теплового режима при управлении процессами эксплуатации подземных сооружений по критерию экономии энергии;
- обосновать требования к проектным решениям и разработать нормы и правила проектирования и строительства подземных сооружений в зоне многолетней мерзлоты с учетом комплексного использования горных выработок и регулирования теплового режима.
Для решения поставленных задач был использован комплексный метод
исследований, включающий: научный анализ и обобщение опубликованных работ по изучаемой проблеме, патентный поиск; математическое моделирование теплофизических процессов, происходящих в горных выработках и окружающих их породах; методы экономико-математического моделирования и оптимизации функций многих переменных; численные и аналитические методы решения задач математической физики; методы планирования факторного эксперимента и регрессионного анализа; лабораторные и натурные эксперименты, опытные и опытно-промышленные испытания, долговременные наблюдения.
В результате многолетних исследований получены следующие новые научные результаты, которые могут рассматриваться как самостоятельный этап в развитии горной теплофизики.
Разработана и реализована математическая модель теплового взаимодействия человека с окружающей средой в подземных горных выработках, наиболее адекватно учитывающая уровень радиационного теплообмена, изменяющегося термического сопротивления комплекта одежды, теплоотдачи при дыхании, тяжести выполнения трудовых операций и других показателей, на основании которой определены зона теплового комфорта и предельно допустимые параметры микроклимата для подземных сооружений криолитозоны [1, 3, 6, 11, 12].
Разработаны теоретические основы расчета горнотехнических систем регулирования теплового режима на основе теплообменных выработок: обыкновенных, регенеративных, рекуперативных, комбинированных. При этом использованы оптимизационные математические модели, которые позволяют не только прогнозировать параметры микроклимата, но и выбирать оптимальные с энерге-
тических и экономических позиций технические и технологические параметры систем при различных эксплуатационных критериях качества [1, 3, 5, 9].
Научно обоснованы новые экономически и энергетически оптимальные системы комплексного тепло-
хладоснабжения глубоких рудников криолитозоны с использованием вторичных и природных источников энергии и эффективной тепловой защиты горных выработок [1, 2, 16].
Сделано научное обоснование энергетической и экономической эффективности использования новых систем регулирования теплового режима с распределенными параметрами, характеристики которых не стационарны, и разработаны методы их тепловых расчетов для подземных сооружений криолито-зоны [3, 7].
Созданы методические основы выбора оптимальных объёмно-пла-
нировочных и конструктивных решений подземных сооружений по тепловому фактору, а также режимов вентиляции в период строительства и эксплуатации, обеспечивающих необходимый уровень безопасности при минимуме энергетических и материальных затрат на создание нормативных параметров микроклимата [3, 8].
Научно обоснованы, разработаны и прошли экспериментальную проверку новые способы и технологии крепления горных выработок с использованием набрызг-бетонных теплозащитных
многофункциональных несущих покрытий, которые позволяют, в сочетании с модульным принципом проектирования подземных сооружений, максимально эффективно использовать выработки двойного назначения, как в обычный, так и чрезвычайный периоды эксплуатации [3, 4].
Разработаны методические и теоретические основы выбора оптимальных параметров теплозащитных несущих покрытий и теплоизоляции подземных сооружений специального назначения сферической и цилиндрической симметрии, размещаемых в горных выработках криолитозоны, в том числе при эксплуатации в условиях чрезвычайных ситуаций [3, 4].
Разработаны и численно реализованы математические модели с распределенными параметрами для прогноза тепловых условий в горных выработках и окружающих их породах в период строительства и эксплуатации подземных сооружений криолитозоны, отличающиеся тем, что учитывают: суточные, декадные и сезонные колебания наружного воздуха; изменение расхода воздуха на входе и по длине выработки; изменение термического сопротивления крепи по координатам; наличие произвольного числа, в том числе движущихся, абсолютных (переменной мощности) и относительных источников энергии; наличие теплоаккумулирующих покрытий; изменение теплофизических характеристик талых и мерзлых пород по координатам и во времени; а также другие особенности, которые существующие модели не учитывали, что не позволяло в полной мере исследовать закономерности формирования теплового режима подземных сооружений различного назначения, в том числе при эксплуатации в условиях чрезвычайных ситуаций [3, 5, 7].
Исследованы процессы и установлены основные закономерности формирования теплового режима в горных выработках и окружающих их породах при наличии теплоаккумулирующих и теплоизоляционных покрытий, реверсии вентиляционной струи с переменным расходом воздуха, циклическом провет-
ривании, что позволило обосновать оптимальные вентиляционные режимы подземных сооружений по тепловому фактору в период строительства и эксплуатации [3, 14, 15].
Сформулирована новая концепция освоения подземного пространства криолитозоны, основанная на управлении тепловыми процессами по критерию экономии энергии и комплексном использовании горных выработок [3,
17].
Выполненные комплексные научные исследования имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение, а практическая ценность их заключается в следующем.
Разработаны и утверждены в качестве официального нормативного документа территориальные строительные нормы «Подземные объекты в горных выработках криолитозоны Якутии. ТСН-31-323-2002 Республики Саха (Якутия)», реализующие научную концепцию о комплексном использовании горных выработок зоны многолетней мерзлоты при управлении процессами эксплуатации по критерию экономии энергии [17].
Обоснованы оптимальные параметры технических решений и разработаны технологические регламенты на проектирование горнотехнических систем кондиционирования воздуха и защитных сооружений, размещаемых в горных выработках криолитозоны [1, 3, 13].
Обоснованы оптимальные объёмнопланировочные и конструктивные решения при проектировании, строительстве и реконструкции подземных складов, холодильников и защитных сооружений гражданской обороны в зоне многолетней мерзлоты [3].
Разработаны и внедрены на производстве новые конструкции и техноло-
гии возведения многофункциональных бетонных, набрызг-бетонных, а также пенополиуретановых теплоизоляционных покрытий для горных выработок криоли-тозоны [1, 3, 4, 16].
Разработан методический аппарат (совокупность методик) для выбора оптимальных параметров и оценки энергетической и экономической эффективности использования тепловой защиты в подземных сооружениях различного назначения [1, 3, 4].
Разработан программный комплекс для численного решения прикладных задач горной теплофизики применительно к подземным сооружениям различного назначения и горнотехническим системам кондиционирования воздуха, созданный на основе оптимального управления тепловым и вентиляционным режимами
в горных выработках по заданным критериям качества, в частности при управлении процессами по критерию
1. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера. - Л.: ЛГУ, 1988. - 196 с.
2. Кравченко В.Т., Шувалов В.Ю. Тепловой режим глубоких рудников. - М.: Недра. - 1993.
- 158 с.
3. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. - Новосибирск: ВО Наука, 2000. - 304 с.
4. Галкин А.Ф., Киселев В.В., Курилко А.С. Набрызг-бетонная теплозащитная крепь. -Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. - 164 с.
5. Галкин А. Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск:
Наука, 1992. - 133 с.
6. Скуба В.Н., Галкин А.Ф., Шувалов Ю.В. Методика определения зоны теплового комфорта шахтного микроклимата // Вентиляция шахт и рудников: Межвуз. сб., Л.: ЛГИ, 1981.Вып. 8. - С.43-46.
экономии энергии и материальных затрат [3, 5, 10].
Разработан программный комплекс для выбора энергетически и экономически оптимальных параметров многофункциональных набрызг-бетонных теплозащитных покрытий для горных выработок криолитозоны [3, 4].
Обоснованы и разработаны новые технические решения (способы и средства) для систем кондиционирования рудничного воздуха, вентиляции и тепловой защиты горных выработок, обеспечения нормативных параметров микроклимата и уровня безопасности при эксплуатации подземных сооружений криолитозоны в обычный период и в условиях чрезвычайных ситуаций [1, 3].
Основные результаты исследований вошли в нормативно-методи-ческие и рекомендательные документы отраслевого, регионального и федерального уровня, а также использовались при проектировании новых и реконструкции действующих подземных сооружений, как горнодобывающего профиля, так и не связанного с горным производством. --------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Galkin A.F. Calculation of Thermal Conditions in Working During Drivage // 4-th IBMT Session. May 1985, Papers Volume II, United Kingdom, Number 1-13.
8. Galkin A.F. Determination of comfort air temperature in mine working // 5-th IBMT Session. Technical Papers. February, 1988, New-Delhiy - India. pp. 406-414.
9. Галкин А.Ф. Горнотехнические системы регулирования теплового режима шахт и рудников // 24 Международная конференция НИИ по безопасности работ в горной промышленности. Доклады, ч. II. - Донецк, 1991. - C. 315322.
10. Galkin A.F., Hoholov Y.A., Romanova E.K. Programmer complex for deciding problems of mining thermal physics // CHMTYG Proceedings of the I nt. Conf. of Computational Heat and Mass Transfer. Eastern Mediterranean University, G. Magasa, April 26-29, Turkey, 1999. - pp. 153-157.
11. Гигиена труда и профилактика профессиональных заболеваний горнорабочих угольных шахт Северо-востока СССР. (На примере угольных шахт Якутской АССР). Рекомендации/ Е.Н. Чемезов, И.В. Петровская, Ю.В. Шувалов, А.Ф. Галкин и др. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1981. - 28 с.
12. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. - М.: Недра, 1986.- 447 с.
13. Технологические схемы очистных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты, учитывающие применение систем и средств регулирования теплового режима. М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1987.26с.
14. Галкин А.Ф. Прогноз и выбор оптимальных параметров теплового режима в очи-
стных выработках угольных шахт криолитозо-ны. Учебное пособие. - Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2005. - 33 с.
15. Галкин А.Ф. Тепловой режим горных выработок при реверсии вентиляционной струи./Доклады 10-й сессии Международного бюро по горной теплофизике. Гливице,14-18 февраля 2005 г., Польша, 2005. - С.321-329.
16. Ресурсосберегающие аппараты и системы / В. Д. Мерчанский, В. А. Рогалев, Ю.В. Шувалов, В.Н. Денисов. - СПб.: МАНЭБ.1999. -371 с.
17. Территориальные строительные нормы. Подземные объекты в горных выработках криолитозоны Якутии. ТСН-31-323-2002 Республики Саха (Якутия). Издание официальное.
- Якутск: Минстрой РС(Я). 2002. - 24 с. ЕШ
Shuvalov U. V., Galkin A.F.
In the article the theoretical and practical results of author’s studies in the field of mining thermophysics of the permafrost zone are given. In particular, the results of studies on a substantiation of normative parameters of a microclimate, on regulation of a thermal mode, on thermal protection of the underground excavations are presented.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Шувалов Ю.В. - доктор технических наук, профессор,
Галкин А. Ф. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
Рецензент д-р техн. наук, проф. горного факультета СПГГИ (ТУ). С.Г. Гендлер.
