Бойко В.А., Бойко О.А. - Концепция нормализации тепловых условий горных выработок глубоких шахт.

Аннотация

Бойко В.А., Бойко О.А. Концепция нормализации тепловых условий горных выработок глубоких шахт. Концепция основана на изменении способа и средств доставки холода в горные выработки, схемы и способов предварительного и совмещенного с проведением горных выработок охлаждения горных пород и ускоренного формирования теплоуравнивающих оболочек вокруг выработок как средства уменьшения притока тепла в их пространство. Приведено их расчетное обоснование, показано, что программа нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких горизонтов должна решаться как составная часть проблемы создания шахты будущего – энергокомплекса, обеспечивающего, наряду с добычей угля, извлечение и использование тепла недр Земли.

Двадцатилетие своей независимости Украина встретила равным годовому национальному валовому продукту долгом Международному валютному фонду, сокращением численности населения страны и ухудшением уровня его жизни, прогрессирующим уровнем импорта товаров первой необходимости и продуктов питания. В значительной части причиной экономических трудностей страны является отсутствие достаточного количества энергоносителей и непрерывный рост их стоимости на мировом рынке. Украина не имеет необходимого ресурса разведанных запасов нефти и газа и за годы независимости в 2,4 раза сократила уровень добычи угля. Полученная в наследство при обретении независимости промышленность страны ориентирована на производство стали, чугуна, проката, добычу железной руды, которые являются главными предметами ее экспорта. В значительных количествах добывается марганцевая руда и производится ферромарганец, также идущие на экспорт. Промышленное производство Украины традиционно относится к энергоемким. Предпринятые в последние годы попытки сократить объемы потребления энергоносителей дали некоторые результаты, тем не менее практически половину потребляемого страной угля, 50% потребляемого газа и 90% нефти страна вынуждена покупать за рубежом. В последние полстолетия их разведка практически не велась, а в годы независимости полностью прекратилась в надежде на зарубежную помощь. Есть надежда, что возвратятся безрассудно предоставленные фирме Vanco для разведки перспективные на нефть и природный газ тысячи квадратных километров черноморского побережья и ситуация собственными силами сдвинется с места.

Что же касается добычи каменного угля, то здесь ситуация совершенно иная. По подсчетам ООН, на одного жителя Земли в ее недрах имеется примерно 800 тонн запасов каменного угля, а в Украине разведанные запасы угля только в ее части Донбасса в 2,5 раза превышают эту цифру. Имеющихся там 100 млрд. тонн угля достаточно, чтобы в течение пяти столетий добывать ежегодно необходимые стране 180 млн. тонн каменного угля. При таком уровне добычи каменного угля Украина может обеспечить нужды в энергоносителях и коксе энергоемкой металлургии, производство электроэнергии на действующих теплоэлектростанциях, коммунальные нужды населения страны и даже потребности страны в газе и топливе для двигателей внутреннего сгорания. Развитые страны, в преддверии полного исчерпания запасов нефти и газа, активно ведут научно–прикладные работы по энерготехнологической переработке угля, у нас в связи с непрерывным ростом цен на импортный природный газ практически прекратились работы по производству синтетического бензина в Днепродзержинске, а на очереди продажа припортового завода в Одессе.

В наследство Украина получила 266 шахт и угольных карьеров, которые в год обретения независимости еще обеспечивали добычу 174 млн. тонн угля. К сожалению, значительная часть этих предприятий имела устаревшие фонды. Начав переход на капиталистический путь развития экономики, по разным причинам страна растеряла даже то, что имела. В итоге теперь уровень добычи угля на одного жителя Украины составляет лишь 1.5 тонны вместо 4 тонн в 70–е годы прошлого столетия. Причин такого явления много, но инженерно–техническую общественность интересуют, прежде всего, причины технические. Донбасс достойно потрудился на индустриализацию Советского Союза, в результате горные работы достаточно быстро уходили на большие глубины. Сопряженные с этим рост газообильности шахт, повышение естественной температуры горных пород и увеличение горного давления существенно ухудшили условия труда шахтеров, снизили производительность труда и повысили энергоемкость добычи угля. Ухудшились показатели рентабельности шахт, и по совету зарубежных консультантов руководство страны начало проведение экономической реформы, ознаменовавшейся в угольной промышленности закрытием и консервацией шахт, в том числе и имеющих вскрытые запасы угля по 40–50 млн. тонн. Рост естественной температуры горных пород уже в советское время оказывал существенное влияние на тепловые условия горных выработок и требовал проведения дорогостоящих работ по кондиционированию воздуха в них. Но на момент обретения независимости 57 шахт Донбасса имели действующие системы центрального кондиционирования воздуха, обеспечивавшие приемлемые условия труда в горных выработках глубоких шахт. Теперь в числе действующих остались только 2 системы – на шахтах им. А. А. Скочинского и им. А. Ф Засядько, ведущих добычу угля на глубине 1400м, остальные бесследно исчезли. Температура горных пород на ряде действующих шахт достигает 40÷45°C и стала непреодолимым препятствием на пути ведения горных работ.

За годы независимости Украины уже несколько раз предпринимались попытки исправить ситуацию с развалом угольной промышленности. Программа Украинский уголь, утвержденная Постановлением Кабинета Министров Украины от 19.09.2001 №1205, предусматривала увеличение добычи угля до 110 млн. тонн в 2010 году и до 125 млн. тонн в 2030 году. О результатах выполнения этой программы свидетельствуют реальные цифры: в год утверждения программы добыча угля еще составляла 84,5 млн. тонн, а за последующее после ее утверждения десятилетие, вместо роста на 30 млн., упала на 16 млн. тонн и сейчас составляет лишь 50% от планировавшейся. Вынашиваемые в последнее время планы увеличения добычи угля в Донбассе пока рекламируются без раскрытия их сути, а ставшие достоянием общественности планируемые мероприятия по созданию ассоциации добытчиков угля носят странный характер. На месте разрушенных и законсервированных шахт, по официально не подтвержденным сведениям, действует в настоящее время около 6000 мелких копалень, обеспечивающих годовую добычу порядка 5 млн. тонн угля. Уголь, добытый на них остав- шимися без работы, вследствие закрытия угольных шахт, шахтерами по технологии двухсотлетней давности с помощью обушка, кайла и санок, имеет приличный кусковой вид, но низкую калорийность. Владельцами копалень являются чиновники местной власти различно- го ранга. Этот уголь всеми правдами и неправдами попадает в штабели близлежащих действующих шахт, включается в отчетные объемы их добычи и оплачивается государством с учетом дотаций на уровне порядка 700–800 гривен за тонну. Десятую часть этой стоимости получают добытчики–шахтеры, остальное – власники копалень (размеры отката руководству пригревших их шахт составляют коммерческую тайну). Добытый таким способом уголь оплачивается за счет налогоплательщиков и приносит новоявленным капиталистам ежегодную прибыль более 3 млрд. гривен. Теперь предпринимается попытка легализовать эти копальні. Приватизация угольной промышленности в развитых капиталистических странах проводилась и имела различные особенности. Например, в Великоборитании угольная промышленность по своим масштабам сравнима с таковой в Донбассе во времена СССР, и уже многие десятилетия производственная мощность шахт поддерживается на уровне 240–270 млн. тонн угля в год, хотя реальная потребность не выходит за пределы 180. млн тонн. Приход к власти консерваторов знаменуется неизбежным возвратом шахт их прежним владельцам, приход к власти лейбористов – национализацией угольной промышленности. Но при всех этих пертурбациях угольная промышленность является национальной оберегаемой собственностью, сохраняет свои мощности и фонды. Такого позорного шага, как организованное разграбление шахт мощного действовавшего угольного бассейна – Донбасса, не было ни в одной стране, кроме Украины.

За годы независимости строительство новых шахт не ведется, единственная вступившая в строй действующих шахта Самсоновская-Западная в Молодогвардейске Луганской области строилась 27 лет при советской власти и 14 лет в годы независимости. В последние годы правительство выделяет ежегодно примерно 7–8 млрд. гривен на техническое перевооружение и реконструкцию шахт. К сожалению, никакие сдвиги к лучшему на оставшихся в собственности государства шахтах не происходят, поскольку выделенные из бюджета ассигнования уходят на арендованные и приватизированные шахты. Никакие проблемы глубоких шахт не решаются, финансирование на науку в угольной промышленности не выделяется, поэтому жизненно важные проблемы механизации и автоматизации производственных процессов, управления горным давлением, борьбы с шахтным метаном и его использованием, а также проблема нормализации условий труда в глубоких шахтах застыли на уровне 50–летней давности. У работников угольной промышленности сложилось убеждение, что приватизация угольной промышленности Украины равнозначна подписанию приговора о ее гибели, поскольку новоявленные владельцы, не вкладывая денег на переоснащение и строительство новых шахт, будут осуществлять добычу на действующих только до тех пор, пока шахты смогут выдавать уголь. К сожалению, такой период не может продолжаться долго. Без огромных капиталовложений на реконструкцию, техническое перевооружение и строительство новых шахт поднять уровень добычи пришедшего в развал Донбасса невозможно, а поскольку класс цивилизованных капиталистов в Украине еще не родился, то решать проблемы обеспечения страны углем, кроме государства, некому.

Не составляет секрета, что возрастающий дефицит энергоносителей ведет к сокращению валового национального продукта, снижению доходов от экспорта, дальнейшему падению жизненного уровня населения страны и представляет серьезную угрозу независимости страны. Выход из создавшегося положения кроется в необходимости нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких шахт как фактора, обеспечивающего возможность дальнейшей добычи угля, но затрудненного тем обстоятельством, что мощная украинская научная школа горной теплофизики практически исчезла из–за смерти и старения ее ведущих специалистов, выезда части из них за пределы страны, сокращения числа и ухудшения качества подготовки специалистов по шахтному строительству. Централизованное планирование и финансирование исследований по проблеме возрождения угольной промышленности отсутствует, лишь в немногих вузах и НИИ ведутся инициативные работы, связанные с подготовкой кадров высшей квалификации. В Национальном горном университете такие исследования ведутся как составная часть выполнявшейся еще в советские времена госбюджетной тематики по проблеме шахты будущего.

В процессе выполнения работ по упомянутой проблеме в НГУ разработаны основные по- ложения концепции нормализации микроклимата горных выработок глубоких шахт как необходимого условия обеспечения возможности ведения горных работ, учитывающие специфику сложившихся в Украине условий и ограниченных возможностей. Основные положения этой концепции приведены ниже.

Факторами, формирующими микроклимат горной выработки на любой глубине ведения горных работ, являются температура, влажность, атмосферное давление, скорость движения воздуха и инфракрасное излучение.

Температура воздуха в горных выработках является превалирующим по влиянию фактором, зависящим от температуры подаваемого в шахту воздуха, естественной температуры горных пород и температуры стенок горных выработок, по которым воздух движется к подготовительным и очистным забоям, глубины ведения горных работ, определяющей степень нагрева воздуха за счет адиабатического сжатия, степени обводненности горных выработок, вида энергии и мощности двигателей используемого в горных выработках технологического оборудования.

Влажность воздуха в горных выработках зависит от влажности воздуха на дневной поверхности, подаваемого в шахту, наличия водоносных горизонтов и степени обводненности горных пород по глубине горного массива, способа управления горным давлением, применяемого при выемке полезного ископаемого, вида крепи горных выработок, качества отвода воды и содержания водоотливных канавок горных выработок.

Атмосферное давление при современных глубинах ведения горных работ пока еще не оказывает существенного влияния на самочувствие допущенных по состоянию здоровья к работам в шахтах людей и косвенно оказывает положительное влияние на организм человека, повышая величину парциального давления кислорода при снижении его концентрации в горных выработках. Отрицательное влияние атмосферного давления на микроклимат горных выработок всегда проявляется в росте температуры воздуха за счет его адиабатического сжатия.

Скорость движения воздуха в горных выработках при температуре воздуха 20–26°C оказывает положительное влияние так как интенсифицирует конвективный теплообмен и испа рение влаги с поверхности кожи, но при высоких температурах вызывает опасность ускоренного перегрева организма. Повышенная скорость движения воздуха вызывает опасность взметывания пыли и роста ее концентрации во вдыхаемом воздухе. Рост скорости движения воздуха в горных выработках с повышенной естественной температурой горных пород всегда повышает коэффициент теплообмена воздуха с поверхностью стенок выработки и оказы- вает положительное влияние на ускоренное снижение температуры поверхности горных пород и формирование теплоизолирующей рубашки вокруг горной выработки. Это, в конечном итоге, приводит к росту термического сопротивления оболочки горных пород и снижению притока тепла в горную выработку.

Инфракрасное излучение проявляется в нагреве холодных тел за счет излучения энергии нагретых или горячих. Интенсивность инфракрасной радиации зависит от разности температур излучающего и поглощающего тел (поверхностей), а величина поглощенного количества тепла зависит от площади поглощающей поверхности, степени ее черноты и угла облучения. В длительно действующих выработках температура стенки равна температуре движущегося в ней воздуха и не должна превышать 26°C. В этих условиях горнорабочий сам является источником инфракрасного излучения и отдает в окружающее пространство тепловой поток мощностью около 100 Вт. При наличии нагретых поверхностей свежевскрытых горных пород, оболочек нагретого оборудования с температурой выше 36,6°C горнорабочий становится объектом облуче- ния и при температуре горных пород 70°C на предельных глубинах 1800 м будет облучаться гибельным для организма тепловым потоком мощностью 400 Вт.

Для защиты горнорабочего от инфракрасного излучения на глубоких горизонтах требуется исключить возможность появления свежеобнаженных поверхностей горных выработок или применить средства защиты от излучения. Обеспечение защиты горнорабочего от инфракрасного излучения может быть обеспечено за счет экранирования нагретых поверхностей или примене- ния специальной технологии ведения горных работ, обеспечивающей отвод тепла окружающих будущие выработки горных пород до их вскрытия. Защита горнорабочих от излучения в огра- ниченном по размеру призабойном пространстве может осуществляться за счет применения радиационного кондиционера Луч, разработанного в ДГИ и испытанного на шахтах Мария–Глубокая и 1–2 Горская еще в 70–е годы прошлого столетия, выполнявшего роль временной передвижной арочной крепи призабойного пространства выработки и обеспечивавшего перехват и отвод теплового потока горного массива в пространство горной выработки. Внутренняя поверхность экрана имеет температуру, близкую к таковой у потока текущей в полости кондиционера воды. Наличие охлаждаемого двойного металлического экрана кондиционера между стенками горной выработки и ее полостью позволяет осуществлять орошение нагретой поверхности пород стенки и отвод тепла горного массива стекающим по наружной поверхности экрана потоком воды. Длина экрана зависела от количества последовательно навешенных на двутавр–опору секций кондиционера и по условию обеспечения безопасности работ в призабойной зоне не превышала 2–3 секций (8–12 м).

Экранирование больших по площади поверхностей протяженных горных выработок, подверженных деформации за счет горного давления, при современной технологии ведения работ трудно осуществимо, но аналогичный эффект может быть получен за счет технологии ведения горных работ, обеспечивающей ускоренное формирование теплоуравнивающих оболочек (далее по тексту – ТО) вокруг будущих горных выработок.

Впервые влияние теплоуравнивающей оболочки на микроклимат горной выработки и зако- номерности ее формирования изучены в 60–е годы прошлого столетия учеными школы академика А. Н. Щербаня. Поскольку формирование теплоуравнивающих оболочек является длительным процессом, занимающим годы и десятилетия, то в разработанных школой научных основах нормализации тепловых условий в горных выработках вопросы практического использования теплоуравнивающих оболочек достаточного развития не получили. Попытки оценить их влияние на микроклимат горных выработок на основе разработанного школой математического аппарата затруднялись необходимостью осуществления тепловых расчетов с применением аналитических зависимостей, содержащих дифференциальные уравнения в частных производных. Производные по времени длящихся годы и десятилетия тепловых процессов имеют исчезающе малую величину, поэтому по умолчанию расчеты тепловых процессов теплоуравнивающих оболочек горных выработок рассматривались как протекающие в пространстве. Но и при таком упрощении тепловые расчеты оболочек оказались громоздкими и трудоемкими. Потребовалась разработка доступной для ИТР шахт инженерной методики расчетов по нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких шахт, базирующейся на применении современной компьютерной техники и доступных инженерных способов и средств снижения тепловых потоков в горные выработки глубоких горизонтов.

В НГУ разработана математическая модель и методика расчета притока тепла горного массива ТО в горную выработку и выполнен большой объем расчетов по определению величины извлечения тепла из горного массива в зоне ТО, величины термического сопротивления горного массива, суммарной величины термического сопротивления удельному тепловому потоку из горного массива в атмосферу выработки, позволяющих определить необходимое количество холода для формирования ТО заданного радиуса в породах соответствующего типа в период проходки выработки, а также подачу холода в выработку для поддержания постоянного температурного режима на протяжении всего срока ее службы при отработке запасов угля вскрытой части пласта.

В целом, для достижения поставленной задачи требуется исследовать функцию вида (1):

q = f ( λ , c , F , ε , G , w , tp , tv , R , d , a , ∆ ) (1)

Здесь: q – удельный тепловой поток, λ – коэффициент теплопроводности горной породы, c – теплоемкость породы, F – площадь поперечного сечения выработки,ε − коэффициент шероховатости стенки выработки, G – масса воздуха, проветривающего выработку, w – скорость движения воздуха, tp-естественная температура горной породы, tv – температура охлаждающей среды, R – эквивалентный радиус выработки, d – диаметр теплоуравнивающей оболочки, a – коэффициент температуропроводности, ∆ – толщина термоизоляции.

Для решения поставленной задачи нами используется система MathCAD 11 Enterprise Edition, в программу которой включены упомянутые выше исходные параметры и необходимые расчетные аналитические зависимости.

Результаты расчетов выдаются компьютером в табличной форме и в виде графиков. Ограниченный объем настоящей статьи исключает возможность изложить методику расчетов, формулы и графики, однако заинтересованные лица могут ознакомиться с ними по публикациям, приводимым ниже в списке опубликованных работ.

В процессе поисковых работ по шахте будущего, которая рассматривается как предприятие, предназначенное для добычи угля и извлечения и выноса тепла Земли на дневную поверхность, осуществлена проработка вариантов использования воды в системе без применения насосов. Принципы и схемы нормализации тепловых условий в горных выроботках глубоких шахт, базирующиеся на доставке холода в шахту, извлечении тепла горного массива и выносе его на дневную поверхность водой, достаточно полно изложены нами в докладе на Форуме горняков 2003.

В последнее время в зарубежной литературе появились сообщения, свидетельствующие о специфических трудностях решения задач охлаждения воздуха в глубоких шахтах. К ним относятся сведения о том, что рост естественной температуры горных пород в шахтах ФРГ с глубиной, несмотря на применение эффективных схем и средств охлаждения рудничного воздуха, приводит к росту температуры рудничного воздуха на 1°C при возрастании естественной температуры горных пород на 2°C. Германия выпускает и эксплуатирует мощные шахтные холодильные машины, обеспечивающие подачу 8÷10 МВт холода, но и при такой холодильной технике не всегда удается обеспечить надлежащие тепловые условия труда. Система нормирования микроклимата горных выработок глубоких шахт в Германии отличается от таковой в Украине. В §621 Правил безопасности в угольных шахтах указано, что температура воздуха во всех горных выработках при скорости движения его не менее 1 м/с должна быть не более 26°C. Заметим, что такая скорость движения воздуха в горных выработках в период их проходки обеспечивается лишь в редких случаях, обычно она нормируется требованием обеспечить скорость движения не менее 0.25 м/с, вытекающим из условий предотвращения опасных скоплений газа, а при такой скорости температура проветривающего горную выработку воздуха в соответствии с требованиями того же §621 не должна быть выше 24°C. В Германии нормируемая температура воздуха увязывается с длительностью пребывания горнорабочих в условиях повышенной температуры и может достигать 3°C. В Германии типовые сечения подготовительных выра- боток, как минимум, в 2÷2,5 раза превышают таковые для горных выработок в Донбассе, поэтому при том же дебите воздуха на проветривание выработки коэффициент теплоотдачи стенки выработки оказывается в 2 и более раз ниже, чем в подготовительной выработке шахты Донбасса. Сложная ситуация в угольных шахтах Германии сложилась уже при глубине ведения горных работ 1300 м. Геотермическая ступень здесь оказалась несколько меньше, чем в Донбассе, и температура горных пород на глубине 1300 м достигла 45° в то время, как такая величина естественной температуры в Донбассе имеет место на глубине 1400 м. Эти данные свидетельствуют о том, что традиционные применяемые схемы нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких шахт действительно исчерпали свои возможности. Этот факт многое меняет в стратегии нормализации тепловых условий в глубоких шахтах Украины. Из него следует, что даже в случае приобретения для глубоких шахт Донбасса новейшей зарубежной мощной холодильной техники ожидаемый эффект на глубине работ более 1400 м достигнут не будет, если не изменить средства и способ доставки воздуха. Беды с нормализацией тепловых условий150 в глубоких шахтах в значительной степени определены физическими свойствами используемого в качестве переносчика холода воздуха. Воздух обладает малой теплоемкостью, составляющей лишь 1000 Дж/(кг °). Это свойство не играло бы столь важной роли, если бы не другой весомый недостаток воздуха – нагрев вследствие адиабатического сжатия. Поскольку речь идет о глубоких шахтах, то в любом случае, при любой схеме вскрытия и подготовки угольных пластов на больших глубинах будет иметь место схема вентиляции с большими величинами геометрических высот столбов воздуха. Следствием этого является увеличение веса столба воздуха и рост его давления. На каждые 100 м глубины величина барометрического давления нарастает на 10 мм рт. ст., а температура сжатого воздуха возрастает на 1°C. При ведении работ на глубине 1000 м увеличение температуры воздуха за счет адиабатического сжатия произойдет на 10°C, а при работе на предельных глубинах 1800 м следует ожидать увеличения температуры воздуха на входе в околоствольный двор на 18°C.Эту истину теперь знают школьники, но пер- вая спроектированная и построенная на шахте Горловская–глубокая система кондициониро- вания воздуха с могучей по тем временам холодильной установкой с мощностью привода более 1500 кВт дала эффект снижения температуры в лавах менее 1°C.Больше в СССР таких систем не проектировали, но пока нигде в мире не научились бороться с нагревом воздуха за счет адиабатического сжатия, извлекать и использовать тепло адиабатического сжатия и холод адиабатического расширения воздуха, проветривающего шахту. Необходимость снизить нагрев за счет адиабатического сжатия подаваемого в сеть горных выработок воздуха заставила монтировать мощные холодильные установки в пределах руддворов глубоких горизонтов, но и в этом случае эффективность доставки холода основным потребителям – лавам и забоям проводимых выработок – оказалась низкой из–за нагрева воздуха при соприкосновении с нагретыми стенками длинных горных выработок. Потребовалось приближать источники холода к потребителям, создавать групповые и местные холодильные установки. Значительная часть недостатков систем нормализации параметров микроклимата горных выработок устраняется при отказе от использования рудничного воздуха в качестве основного средства доставки холода. При эксплуатации шахты в любом случае приходится иметь дело с применением воды и системой ее циркуляции. Воде необходимо передать функцию доставки холода на большие расстояния. Предположим, необходимо доставить10 МВт холода при температуре поступающей в шахту воды 5°C и выдаваемой нагора при температуре 25°C. Тепловая мощность такого потока составляет 8.6 Гкал, для переноса его при заданной разности температур 20°C потребуется насосная установка про- изводительностью 430 кубометров воды в час. Если подача такого количества воды в горные выработки будет осуществляться при использовании открытой системы циркуляции, то в шахте придется ставить высоконапорный насос (или каскад из 2 насосных установок), способный обеспечить суммарный перепад давления порядка 18 МПа. Применение таких насосных установок позволяет сравнительно просто решать вопрос доставки холода на горизонт околоствольного двора и последующего охлаждения воздуха. Но вариант неприемлем для глубоких шахт, так как воздух не несет потребителям требуемое количество холода и еще на пути от околоствольного двора к подготовительным и очистным забоям нагреется. Более сложным, но эффективным альтернативным решением в этом случае оказывается использование U–образного термоизолированного трубопровода с мокрыми теплообменниками на входе и выходе из околоствольного двора. Сравнительно небольшой дебит воды в трубопроводе позволяет расположить его подающую ветвь в стволе со свежей струей, а исходящую – в скиповом стволе. Такое решение позволяет снизить энергоемкость, исключить загрязнение воды, нежелательный нагрев в подающем в шахту и охлаждение в выдающем на-гора ставах трубопровода, т.е. обеспечить экономную подачу холода в шахту и вынос тепла горных пород из шахты на дневную поверхность

Отсутствие финансирований пока не позволило реализовать предложения по шахте будущего, но подтверждение их правильности и возможности реализации появилось в майском номере журнала Глюкауф за 2004 год, где приведены интересные сведения о системе нормализации тепловых условий на шахте Ост компании ДСТ в Хамме. Шахта ведет горные работы на глубине 1500м на расщепляющемся на две пачки пласте Вильгельм, суммарная мощность которых составляет 2,1 м. На участке Вильгельм–741 пласт имеет мощность 1,2 м, безлюдная выемка ведется стругом, суточная добыча коксующегося угля 3000 тонн. Естественная температура горных пород на этой глубине составляет 53°C. Нормализация тепловых условий в лаве этого участка осуществлялась за счет охлаждения воздуха системой кондиционирования, состоящей из двух холодильных установок мощностью 8 и 10 МВт холода, расположенных в выработках околоствольного двора на глубине 1300м.

Подготовлен новый участок выемочный участок Вильгельм 751, где мощность пласта составляет 2,1м, выемка угля предусмотрена с применением комбайна со шнековым рабочим органом. Сумарная суточная производительность шахты про вводе этого участка составила 10000 тонн.

Предварительные расчеты по обеспечению температуры воздуха в лавах не более 32°C показали, что, несмотря на большие сечения подводящих воздух горных выработок (площадь сечения 28÷32 м 2 ), поток охлажденного воздуха при максимально допустимой скорости его движения не может обеспечить требуемую доставку холода. Поэтому принято решение осуществить подачу дополнительного количества холода в шахту охлажденной водой, применив подвод охлаждающей воды к теплообменникам, смонтированным в лаве, и схему охлаждения воздуха с дополнительной подсвежающей струей и частичной рециркуляцией. Для подачи дополнительного количества холода на горизонт околоствольного двора на дневной поверхности смонтировали еще две холодильные машины мощностью по 10 МВт и обеспечили доставку холода в шахту водой по трубопроводу диаметром 450 мм. Суммарная холодопроизводительность холодильных машин шахты составила 38 МВт.

Применение воды в качестве доставщика холода позволяет многократно, по сравнению с воздухом, увеличить темпы охлаждения горного массива и обеспечить нормальные тепловые условия в проводимой горной выработке. Для этого рекомендуется применить комплекс следующих мероприятий:

— охлаждение горного массива по трассе проходки выработки с помощью скважины, опережающей забой горной выработки;

— охлаждение горного массива вокруг проводимой горной выработки с целью формирования теплоуравнивающей оболочки;

— охлаждение призабойной части горной выработки методом орошения для отвода тепла взорванной горной массы;

— защиту горнорабочих от инфракрасного излучения с помощью радиационного кондиционера;

— термоизоляцию взорванной горной массы возобновляемым слоем пены.

Для осуществления комплекса перечисленных мероприятий нужна охлажденная вода. Источником холодной воды могут быть:

— в холодное время года водоем и градирня на дневной поверхности;

— артезианские скважины и водоносные пласты верхних горизонтов шахты;

— выпускаемые в Украине для нужд пищевой и химической промышленности холодильные установки любого типа, монтируемые на дневной поверхности;

— поверхностные хранилища льда;

— разработанные ООО Холодмаш шахтные водоохлаждающие установки МХРВ–1.

КОНЦЕПЦИЯ НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ

Аннотация