Горнотехнические системы регулирования теплового режима

Комплексное освоение месторождений полезных ископаемых включает и вторичное использование горных выработок для нужд народного хозяйства, в том числе и несвязанных с горным производством. Однако доля вторично используемых выработок в нашей стране, особенно на шахтах и рудниках Севера, незначительна. В то же время проектируются и строятся специальные подземные хранилища, холодильники, убежища для которых вполне приемлемо использовать отработанные горные выработки, тем более что шахты и рудники Севера находятся в уникальных климатических и геокриологических условиях, которые позволяют обеспечивать сохранность выработок в течение длительного срока без существенных экономических затрат.

Анализ показал, что основной причиной низкого коэффициента вторичного использования выработок, является отсутствие заинтересованности горных предприятий в сохранении определенного объема выработок, которые в последующем могут быть использованы для целей не связанных с горным производством. На наш взгляд, успешное внедрение комплексной разработки месторождений, включающей вторичное использование горных выработок, может быть осуществлено, если отработанные горные выработки верхних горизонтов шахт и рудников будут включены в общую технологическую схему добычи полезных ископаемых. В этом случае выработки автоматически будут поддерживаться в рабочем состоянии и, по мере развития горных работ, часть из них может быть использовано для нужд народного хозяйства. Это обеспечит также оптимальное использование части выработок в качестве защитных сооружений в условиях чрезвычайных ситуаций.

Оптимальным вариантом реализации данного предложения является использование на шахтах и рудниках горнотехнических систем регулирование теплового режима, которые с одной стороны позволяют обеспечить экономию энергетических ресурсов на создание нормальных климатических условий на рабочих местах, а с другой стороны - обеспечить сохранность отработанных горных выработок, которые будут включены в общешахтную систему вентиляции. Следует отметить, что экономия энергетических ресурсов в целом по стране является не менее важной задачей, чем вторичное использование горных выработок.

По данным Международного института энергосбережения (IIEC), по энергоемкости ВВП Россия уступает промышлен-но развитым странам Запада в 3–3,6 раза, а, например, Японии – в 5 и более раз. Расход энергии на единицу промышленной продукции в России в 2,5–3 раза выше, чем в индустриально развитых странах мира. Расчеты российских экспертов говорят о том, что даже если учесть климатический фактор и протяженность наших дорог, то единица российской промышленной продукции съедает в 1,7 раза больше энергии, чем, например, в Канаде. Специалисты отмечают, что, несмотря на продолжавшийся до последнего времени спад объемов производства, энергоемкость и без того очень энергозатратной российской экономики выросла на 30 %.

Для шахт и рудников Севера проблема энергосбережения является одной из первостепенных задач. Вызвано это не только высокой стоимостью энергии, но и недостатком энергетических мощностей по ее производству. При наметившейся тенденции к росту стоимости тепловой энергии, которая и теперь уже на Северо-Востоке в 3–7 раз выше, чем средняя по стране, следует ожидать существенного увеличения долевого вклада затрат на создание нормативных параметров микроклимата в эксплуатационные расходы, как горных предприятий, так и подземных объектов, не связанных с горным производством.

Учитывая изложенное, можно делать вывод, что предполагаемая идея комплексного использования горных выработок путем включения их в горнотехнические системы регулирования теплового режима является актуальной, так как позволяет решать две задачи одновременно. Тем не менее, широкого распространения в нашей стране горнотехнические системы не получили. В настоящее время на Северо-Востоке работает всего одна угольная шахта, используемая для регулирования теплового режима теплоаккумулирующие выработки, но специально пройденные для этой цели, несколько небольших шахт по добычи россыпного золота, использующие отработанные камеры как теплообменники, и рудник средней мощности в районе Норильска, где также используются камеры-теплообменники.

Более широкое использование получили горнотехнические системы в Северном Китае, где они используются на восьми шахтах с расходом воздуха до 100 м³/с и дают солидную годовую экономию энергии и топлива [1].

По классификации Ю.Д. Дядькина [2] системы регулирования, использующие геотермический нагрев вентиляционной струи, относятся к безэнергетическим; системам, т.к. основные затраты энергии в них связаны с преодолением аэродинамического сопротивления выработок, а подогрев и охлаждение воздуха происходит за счет природных выработок (энергетический потенциал горных пород, атмосферного воздуха) и техногенных (энергетический потенциал исходящий вентиляционной струи) источников энергии. По способам подачи вентиляционной струи в горные выработки, рассматриваемые системы могут быть разделены на три класса: обыкновенные системы; рекуперативные системы; регенеративные системы.

Все указанные системы могут быть как прямоточными, так и противоточными. Основой всех трех систем является сеть теплообменных выработок, которые могут быть соединены последовательно, параллельно, либо по комбинированной схеме. Отличие заключается в том, что в системах второго и третьего класса дополнительно используется энергетический потенциал исходящей вентиляционной струи. Причем в рекуперативных системах теплообмен исходящей и свежей вентиляционных струй происходит через разделительную поверхность, которой в общем случае может быть и горный массив, разделяющий две параллельные выработки, а в регенеративных системах [3] горный массив вокруг единичной выработки служит промежуточным аккумулятором энергии, который при подаче ливает энергию, а при подаче свежей струи отдает ее, нагревая воздух до заданных значений. Очевидно, что рекуперативные системы могут работать в регенеративном режиме.

Для тепловых расчетов параметров вентиляционной струи в горнотехнических системах нельзя однозначно применить методы, используемые в теплотехнике для расчета подобных систем [4–7]. Принципиальным различием является то, что в теплотехнике рекуперативные и регенеративные системы обычно моделируются как системы с сосредоточенными параметрами, в то время как горнотехнические системы такого класса относятся к системам с распределенными параметрами, характеристики которых переменны по координатам и во времени. В связи с этим, сохраняя общую идеологию моделирования, принятую в теплотехнике, и учитывая особенности теплообмена, происходящего в горных выработках, был разработан комплекс программ по выбору оптимальных параметров горнотехнических систем всех трех классов [8–10], включающий численные методы прогноза теплового режима, методы оптимального планирования вычислительного эксперимента и поиска оптимума функций многих переменных. Для инженерных расчетов предложены регрессионные зависимости, позволяющие оперативно, не прибегая к численному моделированию, оценить эффективность использования горнотехнических систем, различного класса в конкретных условиях.

В основу расчетных моделей заложена методика прогноза температуры в горных выработках, включающая численное решение системы дифференциальных уравнений, а именно двухмерного уравнения энергий для воздуха и двух уравнений Фурье для описания теплового поля в теплой и мерзлой зоне, записанных в цилиндрических координатах, которые дополнены дифференциальным уравнением Стефана на движущейся границе раздела фаз и уравнением Ньютона на границе воздух – порода. Начальные условия предполагают произвольное распределение температур по координатам и во времени, причем функция изменения температуры воздуха на входе в выработку учитывает не только сезонные, но и суточные колебания, что позволяет более полно учесть особенности климата северных регионов.

В отличие от существующих методик, разработанная нами позволяет учесть также и изменения основных факторов, влияющих на интенсивность теплообмена во времени, а именно изменение влажности (льдистости) горных пород, и, как следствие, изменение теплофизических свойств – коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, плотности массива в пределах зоны теплового влияния. Модель позволяет учесть переменность термического сопротивления по длине выработки и наличие произвольно распределенных нестационарных абсолютных источников тепловыделений. Наличие подобной модели позволило впервые исследовать влияние иссушения горных пород на формирование тепловых условий в горных выработках шахт Севера и рекомендовать способы повышения теплоаккумулирующих свойств пород.

Для выбора оптимальных параметров горнотехнических систем минимизировалась целевая функция приведенных затрат, которая включала в себя затраты на проведение и крепление (реконструкцию для случая вторичного использования) выработок, затраты на вентиляцию и затраты на кондиционирование. Для минимизации полученной целевой функции многих переменных, использовался метод Хука и Дживса [11], который не требует знания производных функций, что очень удобно в рассматриваемом случае, так как температура воздуха определена не явно, а ищется из численного решения соответствующей системы дифференциальных уравнений. Результаты расчетов позволяют определить для конкретных условий эксплуатации обыкновенных горнотехнических систем такие параметры, как оптимальное сечение и длину выработок, оптимальное количество параллельных выработок и расход воздуха в них, годовой экономический эффект от использования системы и целесообразность строительства специальных теплоаккумулирующих выработок.

При проектировании горнотехнических систем важно правильно учесть и выбрать исходные данные, которые, как правило, являются неопределенными. Расчет характеристик системы по наихудшим, возможным значениям может привести к неоправданным затратам, либо к энергетически и экономически неэффективным вариантам. Для выбора варианта с заданной степенью надежности разработаны алгоритм и программа, позволяющая прогнозировать температуру воздуха в горных выработках при случайных исходных данных, распределенных по нормальному закону. В виду того, что расчеты требуют значительного времени, для практического использования получена регрессная зависимость среднеквадратического отклонения температуры от основных определяющих параметров и их дисперсий.

Для определения температуры с заданной степенью надежности вычисляется по правилу К-сигм (К = 1,2,3) с использованием регрессионной зависимости. Выполненный численный анализ показал, что точность прогноза зависит не только от дисперсии исходных данных, но и от вида модели, используемой для прогноза. Причем характерный уровень дисперсии исходных данных не оказывает столь существенного влияния, что даже уровни трех сигм при использовании, например численного (более адекватная модель) и аналитического (приближенная модель) метода, не пересекаются. Таким образом, главным является не столько учет стохастичности исходных данных при проектировании систем, сколько построение адекватных физическим процессам моделей теплообмена в горных выработках.

При переходе горных выработок на глубокие горизонты и применении технологии разработки с закладкой выработанного пространства на рудниках Севера, энергетический потенциал исходящей вентиляционной струи достаточно высок и последняя может рассматриваться как стабильный, вторичный источник энергии. Выполненные расчеты для строящегося глубокого алмазного рудника Севера показывают, что потенциал исходящей струи в среднем будет составлять 1,0–103 кДж/с. Затраты энергии на создание начального потенциала входящей вентиляционной струи составят в среднем 2,5–103 кДж/с. Очевидно, что использование даже половины энергетической мощности вторичного источника позволит на 20 % сократить первоначальные затраты энергии на обеспечение заданного потенциала вентиляционной струи. Эффективным средством использование энергии исходящей струи являются рекуперативные и регенеративные горнотехнические системы регулирования теплового режима.

Методы прогноза тепловых условий в горных выработках, используемые в горной теплофизике, не позволяют рассчитать параметры подобных систем, так как в основе своей предполагают усреднение ряда определяющих параметров, например теплового потока по длине выработки, что в некоторых случаях может привести не только к количественным, но и качественным неверным результатам [12]. Для моделирования тепловых процессов в рекуперативных и регенеративных системах нами использовался следующий методологический подход. В безразмерной форме составлялась общая система дифференциальных уравнений, описывающая процесс теплообмена, описывающая процесс теплоомена в системе (этап построения модели), которая решалась численным методом. Далее с помощью дробного факторного эксперимента оставлялся план статистических испытаний модели для характерных уровней изменения основных безразмерных комплексов и симплексов.

По анализу и критерию Фишера проверялись адекватность линейной модели и значимость регрессии. Для характерных случаев (предельных и средних) сравнивались результаты численных расчетов и с результатами, полученными по регрессионным зависимостям. Результаты сравнительного анализа показали приемлемость описанного подхода для инженерных целей. Аналогичным образом моделировались рекуперативные системы, работающие в регенеративном режиме. Оценку экономической эффективности систем проводили с помощью целевой функции приведенных затрат. Для характерных случаев определялись эффективные длина, сечение выработок и расход воздуха в них. А, для регенеративных систем также и длительность циклов проветривания выработок, которая является управляющим параметром.

Установлено, что при сокращении длительности цикла проветривания выработок в регенеративной системе (суммарное время проветривания одной выработки свежей (холодной) и исходящей (теплой) струей с 216 до 48 часов энергетическая эффективность системы возрастает почти в три раза. Например, система, состоящая из двух выработок длиной по 800 м. при температуре исходящей струи 15°С повышает температуру наружного воздуха в зимний период при расходе 100 м³/с на 3–6°С при длительности периода прогрева 4,5 суток и на 10–16°С при уменьшении периода прогрева до 1 суток. Поскольку длительность цикла проветривания во многом определяется технологически возможностями, то в случаях, когда величина цикла задана, управляющим параметром может служить расход воздуха, подаваемый в рудник через систему.

В результате обработки данных численных расчетов получено выражение для определения оптимального (в смысле достижения максимального экономического эффекта) расхода свежего воздуха, которое целесообразно пропускать через регенеративную систему. Например, для глубоких рудников эта величина колеблется от 70 до 120 м³/с, уменьшаясь при увеличении длительности цикла проветривания.

Для оценки целесообразности использования рекуперативных систем различного класса: типа труба в трубе и с разделительной стенкой, были проведены расчеты энергетической и экономической эффективности, которые показали, что полная энергетическая эффективность систем почти одинакова [8]. При этом энергетическая эффективность еплого канала, характеризующая передачу энергии от исходящей к входящей вентиляционной струе, у систем первого типа почти в 1, 6 раза ниже, чем у систем второго типа.

Более того, с экономической точки зрения наличие теплого канала в выработке ведет к дополнительным затратам, т.е. приносит убыток, в то время как у систем второго типа дает прибыль, в среднем на 25 % больше, чем убыток в системах первого типа. Это определяет и общую экономическую эффективность систем, которая у теплообменников с разделительной стенкой в 1,7 раза выше, чем у теплообменников типа труба в трубе. Таким образом, из двух типов рекуперативных систем для подогрева рудничного воздуха, горнотехнические системы, использующие теплообменники с разделительной стенкой, более эффективны, а их применение для регулирования теплового режима, в частности глубоких алмазных рудников, экономически оправдано.

Проведенные исследования позволяет сделать следующие выводы: 1. Использование горнотехнических систем регулирования позволяет комплексно использовать подземное пространство путем сохранения в рабочем состоянии достаточного объема отработанных горных выработок для целей как связанных, так и не связанных с горным производством. 2. Горнотехнические системы являются эффективным средством регулирования теплового режима на шахтах и рудниках Севера и при правильном проектировании их параметров могут существенно сократить энергозатраты на кондиционирование рудничного воздуха.

Список использованной литературы

1. Geothermal preheating of mine intake air. Min Wang Ying Yi Chu.Trans. Inst. Mining and mit., 1985, A 94, Oct,рр.189–194.

2. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики. М.: Недра,1968.–256 с.

3. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей / Под ред. Б.Ф. Братченко.–М.:Недра,1985.–494 с.

4. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем.–М.: Энергоиздат,1985.–384 с.

5. Dynamic of transient states of the counter flown heat regenerator. Wozniak Z. Numer. Heat transfer, 1985,8, № 6, 751–760

6. Mathematical modeling of heat transfer in single duct and double pipe exchangers. Mihailov M.D. Low Reynolds number flow meat exch. Proc.4. NATO ASI Meat transfer, Ankara. July13–24,1981, Washington e.a.1983,137–169

7. Промышленные теплообменные процессы и установки / Под ред. А.М. Бакластова.–М.: Энергоатомиздат, 1986.–328 с.

8. ГалкинА.Ф., ХохоловЮА. Теплоаккумулирующие выработки. Новосибирск:Наука, 1992.–133 с.

9. Галкин. А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. Новосибирск: ВО Наука, 2000.–304 с.

10. Шувалов Ю.В., Галкин А.Ф. Теоретические основы расчета горнотехнических систем регулирования теплового режима. //Записки горного института. т.172./ СПб.: СПГГИ( ТУ ).–2007.–с.138–142.

11. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.: Пер. С англ.– М.: Мир, 1983.–583 с.

12. 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.