CC BY
33
СЕМИНАР 8
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
С.Г. Лунев, к.т.н., А.А. Мартынов, к.т.н., А.В. Аксенов, к.т.н.,
Телеуправление Госнадзорохрантруда по Донецкой обл., ГХК «Дзержинскуголь»
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГЛУБОКИХ ШАХТ ДОНБАССА И способы ЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ УГЛЕДОБЫЧИ
Современное развитие добычи угля в Донецком бассейне осуществляется в основном за счет освоения разведанных запасов на глубоких горизонтах действующих шахт. В настоящее время из 150 шахт в регионе глубиной более 600 м 60 ведут работы по добыче ценных коксующихся и энергетических углей на глубинах свыше 900 м. Значительный ряд шахт (“Шахтерская-Глубокая”, им.
А.А. Скочинского, им. А.Ф. Засядько, им. Ф.Э. Дзержинского, “Прогресс” и др.) работает на горизонтах 1100-1300 м. При значениях геотермического градиента для шахтных полей
0,029-0,032°С/м температура горного массива на достигнутых горными работами глубинах, например, в Донецко-Маке-евском и Красноармейском горнопромышленных районах бассейна составляет 43-48° С. В таких сложных горнотехнических и геотермических условиях разработки угольных пластов температура воздуха в очистных и подготовительных тупиковых забоях без принятия своевременных мер по нормализации теплового режима превышает регламентируемые Правилами безопасности нормы [1].
Высокие температуры воздуха в забоях отрицательно сказываются на здоровье и безопасности труда горнорабочих, способствуют развитию профессиональных заболеваний, снижению производительности труда и техникоэкономических показателей угледобычи. На отдельных шахтах тепловой фактор является основным сдерживающим при планировании развития горных работ на отрабатываемых глубоких горизонтах.
Наиболее остро вопрос регулирования температуры рудничной атмосферы в глубоких шахтах Донбасса, разрабатывающих преимущественно маломощные угольные пласты, стоит для выработок с интенсивным тепло приращением вентиляционной струи и относительно малым расходом воздуха, подаваемым на их проветривание. К таким объектам относятся подготовительные тупиковые выработки, проветриваемые вентиляторами местного проветривания, камеры с энергоемким электро-машинным оборудованием, очистные забои при разработке тонких (до 1,2 м) и весьма тонких (менее 0,8 м) пластов. К последним относятся прежде всего лавы при разработке крутых пластов, а также удаленные от воздухо-подаю-щих стволов очистные забои, суммарная протяженность воздухоподводящих выработок к которым превышает 3,5-4,0 км
Осуществляемая в последние годы реструктуризация угольной промышленности, заключающаяся в закрытии ряда старых нерентабельных шахт, происшедшее снижение добычи угля на большинстве эксплуатируемых практически не снизили остроту проблемы нормализации температурных условий труда в горных выработках. Из общего количества высокотемпературных шахт в регионе выбыли из эксплуатации только единицы.
До последнего времени основным способом нормализации тепловых условий труда в выработках наиболее высокотемпературных глубоких шахт являлось искусственное охлаждение воздуха. С начала 60-х годов развитие искусственного охлаждения воздуха в глубоких шахтах Донбасса харак-
теризовалось широким применением крупных стационарных холодильных установок, обеспечивающих возможность охлаждения воздуха в высокотемпературных выработках шахты, блока или крыла. Стационарными холодильными установками было оборудовано 20% шахт с повышенными температурами воздуха в горных выработках. В структуре энергопотребления глубоких шахт (по оценке для Центрального района) стационарные холодильные установки составляют значительную долю, достигающую 30% электроэнергии, расходуемой на добычу угля. В последние годы холодильная мощность глубоких шахт Донбасса наращивается преимущественно только за счет применения передвижных холодильных установок. В связи с этим основная роль в регулировании температуры воздуха в выработках глубоких горизонтов отводится сегодня горнотехническим способам. Перспективными из них, призванными в значительной мере противостоять формированию тяжелых климатических условий в выработках, являются: поэтапное
(блочное) развитие шахт, когда каждый последующий этап обеспечивает создание новой сети выработок с оптимальной планировкой и эффективной вентиляцией. При этом предусматривается схема вскрытия глубоких горизонтов вертикальными стволами и капитальными квершлагами с обеспечением обособленности проветривания выработок каждого блока шахты; применение фланговых, секционных схем проветривания шахт с подачей свежей струи воздуха и выводом исходящей на флангах шахтного поля по верти-
кальным стволам или скважинам большого диаметра; применение схем подготовки и систем разработки, обеспечивающих обособленное разбавление вредностей (тепло, газ, пыль) на выемочных участках; увеличение концентрации горных работ, способствующей сокращению общей протяженности шахтной вентиляционной сети, а также увеличению расхода воздуха, подаваемого на проветривание глубоких горизонтов; обособленное проветривание конвейерных стволов и общешахтных горизонтальных и наклонных выработок, оборудованных конвейерным транспортом; совершенствование схем проветривания выемочных участков в целях сокращения пути движения свежей струи воздуха к рабочим забоям, увеличения расхода воздуха на выемочных участках до соответствующего максимально допустимой скорости воздуха в лаве (4 м/с), устранения последовательного проветривания подготовительных тупиковых и очистных выработок.
В условиях имеющего место на шахтах Донбасса недостатка в высокопроизводительной стационарной и полустационарной холодильной технике, значительного сокращения в последние годы крайне необходимых объемов реконструкции шахт (проходка новых стволов, вентиляционных
скважин большого диаметра и др.) одним из наиболее реальных путей улучшения тепловых условий в выработках глубоких горизонтов является внедрение рациональных схем отработки выемочных полей с обеспечением интенсивного по тепловому фактору проветривания очистных забоев.
Основными критериями оценки технологических схем по тепловому фактору являются количественные тепловые параметры воздуха в выработках выемочных участков и холодопотребность очистных забоев. При этом рациональной по тепловому фактору является схема, обеспечивающая наименьший нагрев свежей струи воздуха, поступающего на провет-
ривание лавы при естественном формировании тепловых условий на выемочном участке и минимальную ее холодопотребность при применении искусственного охлаждения воздуха.
На основании аналитических и экспериментальных исследований установлено, что наиболее эффективными по тепловому фактору являются технологические схемы с разработкой по простиранию и восстанию пластов по столбовой системе, проветриванием выемочных участков с обособленным разбавлением вредностей по источникам их поступления в рудничную атмосферу, размещением участкового конвейерного транспорта и основного электрооборудования в выработке с подсве-жающей струей воздуха [2]. В сравнении со сплошной системой разработки температура воздуха в лавах при этих схемах на 1,8-2,3° С ниже на глубине 800 м и на 2,1-3,8° С - при глубине горных работ 1200 м. Холодопотребность лав составляет от 210 кВт до 390 кВт при разработке пластов мощностью 0,8 м и от 280 кВт до 510 кВт при мощности - 1,4 м. Указанные тепловые параметры распространяются на выемочные участки с глубиной разработки от 800 до 1400 м, естественной температурой горного массива от 35 до 45°С, мощностью разрабатываемых пластов от 0,8 до 1,4 м, нагрузкой на очистные забои от 400 до 1000 т/сут при максимально допустимой скорости воздуха в лавах.
Шахтные наблюдения, проведенные на выемочных участках ряда глубоких шахт, в полной мере подтвердили результаты аналитических исследований технологических схем по тепловому фактору.
По формированию тепловых условий наиболее неблагоприятной является сплошная система разработки со сбросом исходящего воздуха из опережающего лаву подготовительного тупикового забоя в свежую струю. При данной схеме температура воздуха на выходе из лав глубоких шахт составляет от 31,4 С до 36, 4° С
при разработке пластов мощностью 0,8 м и от 29,8 С до 33,2 °С -при мощности пластов - 1,4 м. Соответственно холодопотребность лав находится в диапазонах 340-580 кВт и 430-730 кВт. При температуре горного массива 45° С холо-допотребность выемочных участков изменяется от 730 до 910 кВт.
Из технологических схем разработки пластов определенные преимущества по формированию тепловых условий в выработках выемочного участка имеет схема с подсвежением исходящей из лавы вентиляционной струи воздуха, за счет чего достигается снижение температуры воздуха на вентиляционном штреке. Однако за счет размещения конвейерного транспорта и основного участкового электрооборудования в воздухоподающей выработке участка температура воздуха в лавах при использовании данной схемы остается достаточно высокой.
На шахтах, где технологические схемы со столбовыми системами разработки не могут быть реализованы, по условиям формирования теплового режима к рациональным относится технологическая схема с выемкой угля по сплошной системе с W - образной схемой проветривания выемочного участка. Исследованиями, выполненными на шахтах ш/у “Донбасс”, им. Челюскинцев и др., подтверждена целесообразность применения такой технологической схемы при отработке глубоких горизонтов. Сокращение пути движения свежего воздуха в призабойном пространстве, достигаемое разделением лавы на две части, способствует уменьшению прироста температуры воздуха. Так, при внедрении на шахте им. Челюскинцев вместо классической сплошной системы разработки пласта К8 технологической схемы с проведением на лаву трех штреков температура воздуха по длине 12-й восточной лавы стала на 3,5-5,2° С ниже, чем наблюдалась в выше отработанных ранее 11-х западной и восточной лавах.
Таблица
Фактические тепловлажностные параметры воздуха в лавах с восходящей и нисходящей схемами проветривания
Анализируемой технологической схеме присущи недостатки возвратноточных схем проветривания при сплошной системе разработки. Вместе с тем качественная характеристика тепловых условий в верхней части лавы, имеющей обычно большую длину, более благоприятна.
Таким образом, для глубоких горизонтов рациональными как по условиям формирования теплового режима, так и по возможности обеспечения допустимых температур воздуха в выработках при применении искусственного охла-
ждения воздуха являются технологические схемы разработки со столбовыми системами по простиранию и восстанию с прямоточными схемами проветривания выемочных участков и подсвежением по конвейерным выработкам.
При невозможности применения столбовых систем рациональной по тепловому фактору является технологическая схема разработки по сплошной системе с разделением лавы на две обособленно проветриваемые части (с уменьшенной длиной нижней части лавы) и выдачей исходящей струи
воздуха по среднему штреку, проводимому вслед за лавой в выработанном пространстве.
В результате выполненных исследований установлена также целесообразность применения в условиях глубоких шахт технологических схем очистной выемки с нисходящим проветриванием лав. Такие схемы соединяют в себе достоинства сонаправленного движения потоков воздуха и транспортируемого угля, а также преимущества подачи свежего воздуха в лаву по выработкам, свободным от конвейерного транспорта. Проведенные наблюдения на шахтах «Трудовская», им. Я.М. Свердлова, им. В. Володарского, им. Челюскинцев, им. А.Г. Стаханова и др. показали, что в каждой из лав с нисходящей схемой проветривания тепловые условия благоприятнее как в начале, так и вдоль всей длины очистного забоя, чем в аналогичных лавах с подачей воздуха на проветривание по конвейерным штрекам (таблица). Применение нисходящего проветривания лав облегчает выполнение работ по искусственному охлаждению воздуха на выемочных участках.
Для негазовых шахт рациональными являются схемы разработки особенно с нисходящим проветриванием и размещением конвейерного транспорта и основного участкового электрооборудования на исходящей струе.
На основании выполненных исследований для обоснованного выбора при проектировании и эксплуатации шахт рациональных с учетом теплового фактора технологических схем и параметров разработки угольных пластов на больших глубинах МакНИИ совместно с ДонУГИ разработано «Руковод-ство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт» [3].
В последние несколько лет рекомендуемые рациональные по тепловому фактору технологические схемы разработки пластов внедрены
с целью улучшения температурных условий труда в выработках выемочных участков на глубоких шахтах им. Челюскинцев, им. В.М. Ба-жанова, им. Я.М. Свердлова и др.
Из средств шахтной холодильной техники в настоящее время наибольшее применение находят передвижные кондиционеры типа КПШ [4]. Последние серийно выпускаются на Украине АНПО «Одесхолод»(с 1996 года изготавливается новая модификация кондиционера КПШ 130-2-0 на хла-доне 22). Холодопроизводитель-ность кондиционеров составляет 104,5-130 кВт и достаточна для создания нормального микроклимата в забоях тупиковых выработок в широком диапазоне условий ведения горных работ на шахтах Донецкого бассейна. При оптимальных параметрах технологических схем охлаждения применение кондиционеров обеспечивает снижение температуры подаваемого в призабойные рабочие зоны воздуха на 8-12° С и более /4/ Наряду с
преобладающим значением в решении проблемы нормализации тепловых условий в тупиковых выработках передвижных кондиционеров поиск, изыскание и разработка новых альтернативных видов шахтной мобильной холодильной техники не прекращаются. В послед нее время на Украине рядом специализированных организаций разработаны и доведены до экспериментальных образцов новые средства для местного кондиционирования воздуха рабочих зон в глубоких шахтах.
Принцип работы предложенных установок для создания локальных зон благоприятного микроклимата в выработках основан на использовании цикла воздушных холодильных машин. Установки могут работать от сжатого воздуха при избыточном давлении 1,0—5,0 кгс/см, поступающего либо от общешахтной пневмосети, либо от автономного воздушно-силового агрегата (воздуходувки).
Основные проектные теплотехнические характеристики разработанных холодильных установок подтверждены выполненными экспериментальными их исследованиями. К ним относятся: холо-допроизводительность - от 35 до 80 кВт; температура охлажденного воздуха - от -18,0 до + 5,0° С; расход сжатого воздуха - от 0,5 до 2,6 кг/с; расход охлаждающей воды - от 2,8 до 7,0 м3/ч. При шахтных испытаниях установок на глубинах 775 м и 1200 м температура воздуха при их работе в призабойных зонах тупиковых выработок была снижена соответственно на 3,0 и 6,8° С, а на выходе из вентиляционного трубопровода в призабойную зону на 6,1 и 9,2° С [5]. Холодильные агрегаты при испытаниях располагались на расстоянии 35-40 м от забоев проходимых тупиковых выработок. К положительным сторонам данных устано-вок относятся: отсутствие фреоносодержащих холодильных агентов, небольшой расход воды для отвода теплоты от работающего оборудования, отсутствие воздухоохлаждающего аппарата, вносимого аэродинамическое сопротивление в вентиляционный трубопровод, ком-пактность и мобильность, возможность размещения в выработках вблизи охлаждаемых зон с увеличением подвижности воздуха непосредственно на конкретных рабочих местах.
Аналогичную задачу по души-рованию рабочих мест охлажденной струей воздуха в высокотемпературных выработках шахт выполняет вновь спроектированная малогабаритная воздушная установка холодопроизводительно-стью 4-8 кВт. Масса такой установки не превышает 40 кг. В качестве рабочей среды используется сжатый воздух, температура которого в цикле расширения понижается до - 10 ° С и ниже. Установка в настоящее время доведена до этапа экспериментального опро-бывания в шахтных условиях непосредственно на рабочих местах.
Создание данного типа воздушных холодильных установок
является альтернативным решением по регулированию тепловых условий труда в горных выработках глубоких шахт и рудников, где применение существующей холодильной техники проблематично. При планируемой относительно невысокой холодопроизводитель-ности установки могут найти широкое применение для создания зон нормального микроклимата на рабочих местах.
Выводы. Обоснованный выбор и внедрение рациональных с учетом теплового фактора технологических схем и параметров разработки пластов является в настоящее время одним из реальных путей улучшения температурных условий в выработках выемочных участков шахт Донецкого бассейна. Преобладающими в примене-
нии из средств холодильной техники для нормализации микроклимата в забоях тупиковых выработок шахт остаются передвижные кондиционеры КПШ 130-2-0, работающие на хладоне - 22. Альтернативой последним являются разрабатываемые холодильные установки для местного кондиционирования воздуха в выработках, использующие в качестве рабочей среды сжатый воздух.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности в угольных шахтах. ДНАОП 1.1.30-1.01-96. Киев, 1996,-421 с.
2. Мартынов А.А., Яковенко Р.М., Саноцкий Р.М. Рациональные по тепловому фактору технологические схемы разработки пластов и компьютерная технология их выбора для конкретных условий глубоких шахт //
Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов МакНИИ, - 1996, - С. 107-116.
3. Руководство по выбору рациональных с учетом теплового фактора технологических схем разработки пологих пластов глубоких шахт. КД 12.5.012-94. - МакНИИ, 1994.-54 с.
4. Яковенко А.К., Мартынов А.А. Эффективность передвижных кондиционеров в глубоких шахтах Донбасса. Уголь Украины. - 1996, - N 5, -С. 18-22.
5. Мартынов А.А., Яковенко А.К., Петросянц В.А. Результаты шахтных испытаний экспериментальной установки турбодетандерного охлаждения воздуха в тупиковых выработках // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. трудов
МакНИИ, - 1995, - С. 144-151.
© С.Г. Лунев, А.А. Мартынов, А.В. Аксенов
