Эффективные способы и средства регулирования теплового режима в глубоких железорудных шахтах

Рисунок 1 – 1. Изменение температуры воздуха Т (а) и его влажности d (б) в выработках шахты Родина в зависимости от их глубины (для ствола) или протяженности L (горизонтальные выработки расположены на гор. 1165 м);
2. соответсвенно в теплый и отопительный периоды года.

Из уравнения (1) можно найти, какое количество воздуха необходимо подавать в шахту для нормализации тепловых условий при заданной температуре рудничной атмосферы. Так, например, для улучшения тепловых условий в выработках при температуре 295–301 К количество воздуха, подаваемого в шахту, следует увеличить в 1,73–8,47 раза по сравнению с его расходом, определенным по минимальной скорости. Таким образом существенное увеличение скорости воздуха по всей шахте в целом, необходимое для регулирования теплового режима, можно достичь при значительном резерве мощности ГВУ. Это условие обычно может быть выполнено на стадии неполного освоения производственной мощности шахты, когда аэродинамическое сопротивление выработок вентиляционной сети минимально. В условиях же глубоких железорудных шахт этот запас мощности ГВУ, как правило, незначительный и, как свидетельствует практика, позволяет улучшить параметры шахтного микроклимата при температуре не выше 295–296 К. При большем значении температуры повысить теп- лорегулирующую способность общешахтного проветривания можно за счет исключения части выработок вентиляционной сети из зоны активного проветривания, управляя воздухораспределением в шахте. Исходя из этого, избыток воздуха, получаемый при аэродинамическом регулировании ГВУ, целесообразно направлять только в часть выработок шахтной вентиляционной сети. Характер изменения скорости воздуха в очистных, нарезных и подготовительных выработках при увеличении его подачи в шахту свидетельствует, что наиболее выгодно подавать избыток воздуха, создаваемый за счет резерва мощности ГВУ, в очистные и подготовительные выработки и наименее – в нарезные. Используя эти данные, можно рассчитать температуру рудничного воздуха, при которой достигается нормализация тепловых условий, если направить избыток воздуха за счет аэродинамического регулирования или наращивания мощностей ГВУ отдельно в очистные, нарезные и подготовительные выработки.

Интенсификация движения воздуха на ограниченных участках выработок позволяет создавать некоторые зоны, в пределах которых скорость перемещения воздушных масс больше минимальной (am;in) и меньше максимальной (Umax). Верхним пределом ограничения скорости воздуха (^тах) являются ее значения, при которых не происходит сдувания пыли со стенок выработок и исключаются простудные заболевания у горняков.

где v0 — начальная скорость, м/с; г – радиус патрубка вентилятора, м; kc – коэффициент структуры струи. Значение Umin можно найти в зависимости от температуры воздуха по формуле [2]

Теоретически характер изменения скорости воздуха в зонах действия ограниченных свободных струй описан в [4]. Исходя из этого, длину участка выработки с улучшенными тепловыми условиями (LK) можно определить по формуле где Тв – температура воздуха, К.

Значения Vq и Umax можно принимать равными соответственно 20 и 4,0 м/с. В соответствии с приведенной выше методикой проведены исследования протяженности технологических участков подземных выработок с нормализованными тепловыми условиями при местном увеличении скорости воздуха. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что интенсификация воздухообмена в выработках за счет применения свободных струй позволяет создавать участки протяженностью 40–110 м с нормализованными тепловыми условиями труда. Обеспеченность выработок по всей площади сечения требуемыми значениями скорости воздуха при этом составляет 60–80 %.

Так как при работе электрических вентиляторов в связи с переходом части энергии в тепловую вентиляционный воздух дополнительно нагревается на 2–3 К, а также с целью предупреждения тепловыделения в поток разработан ВМП с отводом тепла, выделяемого электроприводом (рис. 2).

Дальнейшее увеличение скорости воздуха при температуре свыше 301 К не приводит к нормализации терморегуляции организма. Повысить эффективность аэродуширования можно путем использования предварительно охлажденного в вихревых трубах сжатого воздуха [5]. Исходя из этого, были проведены исследования эффективности способа нормализации тепловых условий при аэродушировании выработок предварительно охлажденным воздухом и определены основные аэродинамические и тепловые характеристики воздухоохладителей, работающих на этом принципе. Конструктивно такие установки целесообразно выполнять в форме, сочетающей в себе эжектор и блок вихревых труб для охлаждения сжатого воздуха, который одновременно выполняет и функции эжектирующего элемента [6]. На этой основе разработан воздухоохладитель УВ-20, применение которого позволяет нормализовать тепловые условия труда в подземных выработках при температуре воздуха 301–305 К. Производство воздухоохладителей УВ-20 освоено ПО Кривбассэлектроремонт и Криворожским центральным рудоремонтным заводом (КЦРЗ). Протяженность технологических участков подземных выработок при аэродушировании предварительно охлажденным воздухом составляет 9–14 м, а обеспеченность выработок требуемыми значениями скорости по всей площади сечения равна 50–80 %.

При температуре свыше 305 К достичь нормализации тепловых условий можно, прибегая к искусственному охлаждению воздуха, применяя специальное холодильное оборудование.

Рисунок 2 – Вентилятор с отводом тепла, выделяемого электродвигателем

1 – корпус вентилятора; 2 – рабочее колесо; 3 – электродвигатель; 4 – теплообменник; о – регулирующее устройство подачи воздуха

Исследования нормализации тепловых условий в подземных выработках были проведены в условиях шахты Эксплуатационная ЗЖРК-1 гор. 400 м. Из всех железорудных шахт страны тепловой режим здесь наиболее неблагоприятен. Динамика температуры и энтальпии воздуха определялась экспериментально путем проведения тепловоздушных съемок по ходу вентиляционной струи (рис. 3).

Рисунок 3 – Динамика температуры воздуха (1 – рудничного; 2 – охлажденного).

Исследования искусственного охлаждения рудничного воздуха были проведены с применением участковых холодильных установок, состоящих из двух кондиционеров типа WK120S производства ГДР, работающих в параллельном режиме. Общая холодопроизводительность такой установки 280 кВт, а количество охлажденного воздуха, выходящего из кондиционера, составляло 7,0 м³/с. Температура входящего воздуха 297,2 К, а относительная влажность — 95 %. На выходе из холодильной установки температура воздуха составляла 283,5 К при относительной влажности 100 %. Охлажденный вентиляционный воздух поступал в выработки приемного горизонта, а затем через вентиляционный восстающий выходил на подэтаж для проветривания буровых камер. Температура в буровых камерах – 294,6 и 295,4 К. Уровень снижения температуры рудничного воздуха соответственно составил 2,6 и 1,8 К. Для большего снижения температуры необходимо применение холодильных установок более высокой производительности.

Исследования позволили установить, что охлаждение рудничного воздуха, имеющего высокую относительную влажность (95–100 %), приводит к большим потерям холода в связи с конденсацией водяных паров, достигающим 50 % и более от общей холодопроизводительности установок. При повышении температуры эффективность искусственного охлаждения воздуха будет снижаться.

Поэтому, учитывая большую глубину современных железорудных шахт и высокие потери холода при движении охлажденного воздуха и выработках, по технико-экономическим условиям нецелесообразно размещать общешахтные охладительные установки на поверхности. Сравнительно высокая устойчивость горных пород лежачего бока железорудных месторождений, а также возможность использования шахтной воды для охлаждения конденсаторов позволяют размещать общешахтные холодильные установки в околоствольных выработках и откаточных квершлагах в местах разветвления вентиляционного потока.

Экспериментальные исследования искусственного охлаждения воздуха в железорудных шахтах показали, что этот способ нормализации тепловых условий в связи с большими потерями холода при конденсации водяных паров неэкономичен, и его применение должно ограничиваться только областью повышенных температур (Г305 К). Такая необходимость возникнет при вскрытии и отработке нижележащих горизонтов Белозерского, Яковлевского и других месторождений. Потребляемая мощность подземных стационарных холодильных установок в этом случае будет составлять 4–4,5 тыс.кВт. При вскрытии и отработке других железорудных месторождений нормализовать тепловые условия в шахтах представится возможным за счет повышения теплорегулирующей способности общешахтного проветривания, а также местного аэродуширования выработок обычным и предварительно охлажденным воздухом. Для этих целей разработаны вентиляторы с отводом тепла двигателя, высокопроизводительные пневматические эжекторы ДУШ-2М и ПЭ-2, воздухоохладители УВ-20 и охладители ЭДПС-2 [7, 8]. Производство их освоено рудоремонтными заводами РПО Укрруда. Опыт внедрения разработанных средств и способов улучшения тепловых условий на шахтах ЗЖРК, Горной Шории, Кривбасса, а также при строительстве Яковлевского рудника показал, что их практическое применение позволяет нормализовать параметры микроклимата в подземных выработках глубоких рудников.

Список использованной литературы

1. Янов А. П., Ващенко В. С. Защита рудничной атмосферы от загрязнения. М., Недра, 1977.

2. Определение оптимальных скоростей движения воздуха в подземных выработках по тепловому фактору / Н. Г Карнаух, В. П. Алферов, В. С. Ващенко и др. – Горный журнал. '1975, № 1, с. 76–78.

3. Исследование тепловых режимов железорудных месторождений и средств нормализации шахтного микроклимата / В. С. Ващенко, В. JI. Сахновский, В. М. Куроченко и др. – Горный журнал, 1979, No. 9, с. 54–56.

4. Воронин В. Н О свободных турбулентных струях, распространяющихся в ограниченных пространствах. – В кн.: Проблемы рудничной аэрологии и внезапных выбросов угля и газа. М., АН СССР, 1958, с. 63–66.

5. Сахновский В. JI. Воздухоохладитель УВ-20 для нормализации тепловых условий в горных выработках. – Шахтное строительство, 1982, № 6, с. 4–6.

6. А.с. 735876 [СССР]. Газоохладительный аппарат / ВНИИБТГ. Авт. изобрет. П. В. Дмитрийчук, В. Л. Сахновский. – Заявл. 12.12.77; № 2554271; Опубл. в Б. И., 1980, № 19; МКИ F25B9/02.