Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время активно развивается калийная промышленность: существующие рудники увеличивают свои мощности, прирезаются новые участки, проводятся модернизация, техническое и технологическое перевооружение производства. Ведется проектирование и строительство новых рудников Верхнекамского месторождения калийных солей, рудника месторождения Сатимола в Казахстане, Декханабадского завода калийных удобрений в Узбекистане. Один из крупнейших в Европе горно-обогатительных комбинатов проектируется на базе Гремячинского месторождения калийных солей, глубина залегания продуктивной толщи которого составляет 1100 – 1300 м.
Высокие темпы развития калийной промышленности предъявляют особые требования к обеспечению эффективного и безопасного горного производства, важнейшим фактором которого являются климатические параметры рудничного воздуха. Растворимость калийных солей и связанная с ней опасность проникновения воды и рассолов в подземные выработки требуют тщательного обоснования тепло-влажностного режима горных выработок. В теплое время года в шахтных сетях калийных рудников происходит конденсация водяного пара на стенках горного массива. Влага, выпадающая в большом количестве, образует агрессивную среду, которая ухудшает условия труда, отрицательно воздействует на шахтное оборудование, транспорт, дорожное покрытие, ведет к затоплению выработок. Интенсивная коррозия и разрушение металлических конструкций, пробуксовка и возгорание сырых конвейерных лент на приводных барабанах создают опасную ситуацию на производстве. В целом в калийных рудниках наблюдается положительный годовой баланс конденсационной влаги, что в условиях повышенной гигроскопичности горных пород может привести к расслоению пород кровли и уменьшению несущей способности соляных целиков.
Как показывает практика, принятие тех или иных технических решений по осушению воздуха может не дать ожидаемого результата ввиду сложности объекта исследования – шахтной сети и сложности протекающих в ней взаимосвязанных процессов тепло- и массообмена. В то же время сооружение и эксплуатация теплотехнических систем подготовки атмосферного воздуха на горных предприятиях требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат. Необходимость прогноза последствий принимаемых технических решений по обработке воздуха делает актуальной задачу создания математической модели процесса конденсации влаги в шахтной сети калийного рудника.
Таким образом, исследование процессов тепломассопереноса в калийных рудниках и конденсации влаги в шахтной вентиляционной сети является актуальной научно-технической задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось установление новых и уточнение существующих закономерностей термодинамических процессов в массивах горных пород и горных выработках калийных рудников, обусловленных тепломассопереносом в рудничной атмосфере и вызывающих конденсацию влаги, для совершенствования методики прогнозирования параметров микроклимата горных выработок и количества выпадающей влаги, что повысит эффективность контроля условий труда и геомеханических мероприятий по сохранению несущей способности соляных целиков.
Идея работы заключается в том, что прогнозирование термодинамических процессов тепломассопереноса с учетом конденсации влаги в рудничном воздухе на основе адекватных математических моделей, учитывающих теплофизические свойства горного массива и рудничной атмосферы, позволяет повысить эффективность контроля условий труда в горных выработках калийных рудников и дать дополнительную информацию для обоснования геомеханических мероприятий по сохранению несущей способности соляных целиков.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Процесс тепломассопереноса при движении воздуха в шахтной сети представляет собой энерго-массообмен в рудничном воздухе и горном массиве, поэтому взаимное влияние этих процессов учитывается условиями сопряжения на границе «воздух – поверхность обнажения горного массива».
2. Конденсация влаги в рудничной атмосфере носит локальный характер и происходит в радиусе 2 – 2,5 км от околоствольного двора, при этом протяженность зоны конденсации составляет 50 - 100 м в течение переходного периода и увеличивается до 1780 м к середине теплого периода года.
3. Наиболее существенное влияние на процесс конденсации влаги в рудничной атмосфере оказывают расход воздуха и его среднегодовая температура на входе в вентиляционную сеть, глубина разрабатываемого горизонта, плотность теплового потока, идущего из недр Земли, и критическая относительная влажность воздуха, характеризующая гигроскопичность пород.
4. Незначительный отток массы водяного пара из потока воздуха приводит к скоплению большого количества влаги в выработках, что объясняется значительными площадями обнажения массива, гигроскопичностью горных пород и большими объемами подаваемого в рудник воздуха.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– адаптировано решение Лайона для задачи конвективного теплообмена в области стабилизированного турбулентного течения паровоздушной смеси на сопряженную задачу диффузии водяного пара с учетом процесса конденсации;
– получено общее решение задачи определения температуры горных пород в окрестности горной выработки круглого сечения при произвольном законе изменения температуры движущегося в ней воздуха;
– разработано теоретическое обоснование и метод решения задачи сопряженного тепломассообмена при конденсации водяного пара из бинарной смеси, в качестве которой рассматривается воздушный поток в горной выработке;
– установлены факторы, влияющие на формирование тепло-влажностного режима горных выработок калийных рудников;
– установлены закономерности изменения размеров зоны конденсации влаги, количества выпадающей влаги, среднемассовых температуры и массовой концентрации водяного пара по длине вентиляционного маршрута с учетом фактора времени.
Достоверность и обоснованность научных положений и практических рекомендаций подтверждается соответствием теоретических выводов фундаментальным законам физики; применением основных положений классической теории тепломассообмена и метода функций Грина для теоретического исследования процесса конденсации влаги в выработках калийного рудника; совпадением результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными.
Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований процессов тепломассопереноса и диффузии водяных паров в горных выработках и массивах горных пород, что позволило усовершенствовать методические положения прогнозирования тепло-влажностного режима рудничной атмосферы в калийных рудниках.
Практическое значение работы заключается в возможности определения количества выпадающей влаги и размеров зоны конденсации влаги в вентиляционных сетях калийных рудников. Математическая модель позволяет заменять дорогостоящие шахтные эксперименты численным экспериментом для обоснования целесообразности применения различных технологических схем подготовки воздуха. Разработан комплекс программных средств для автоматизации расчета процессов тепло- и массообмена при конденсации влаги в выработках калийных рудников.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, основные научные и практические рекомендации на основе предложенного метода расчета применены при разработке исходных данных для создания эффективной системы проветривания рудника шахтного поля Усть-Яйва (ООО НИВЦ «Ниамо»); разработке тепловой модели рудника Гремячинского месторождения калийных солей (тема 2009/370); разработке исходных данных для проектной документации на строительство Усольского калийного комбината (этап договора № 467-суб-3/2009/185). Основные научные результаты используются в курсе «Аэрология горных предприятий» на кафедре Г и СПС ТулГУ.
Апробация диссертации. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование физико-механических процессов» (Пермь, 1996, 1999 гг.); Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2000 г.); V Всероссийской школе-семинаре «Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа» (Пермь, 2000 г.); VШ Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001 г.); Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2003 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка – 2010» (Москва, 2010 г.); VI Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (Пермь, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010 г.); научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (Тула, 2009 – 2010 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, 2009 – 2010 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из 4 разделов, содержит 5 таблиц, 22 рисунка, 2 приложения, список литературы из 232 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Ю.И. Няшину и канд. физ.-мат. наук, доц. М.А. Осипенко, а также сотрудникам кафедры теоретической механики ПермГТУ за методическую помощь в проведении теоретических исследований и обсуждении полученных результатов.
