Введение к работе
-3-
Актуальность проблемы
Создание комфортных и безопасных условий труда горняков требует поддержания нормального теплового и пылевого режима. Затраты энергии на подогрев воздуха для единичных шахт и рудников Севера достигают десятков миллионов кВт ч в год и сопоставимы с затратами энергии на охлаждение воздуха в глубоких шахтах и рудниках (Донбасс, Рур). Объемы работ и суммарные затраты на борьбу с пылью по отдельным шахтам достигают значения сотен тысяч руб. в год (в ценах до 1991 г.), но не дают гарантии полной безопасности.
Решению проблем нормализации шахтного микроклимата посвящены работы А.Н.Щербаня, О.А.Кремнева, Ю.Д.Дядькина, Ю.В.Шувалова, В.Н.Скубы, Л.С.Тимофеевского, С.А.Гончарова, А.П.Дмитриева, Ф.С.Клебанова, И.В.Сергеева, В.П.Черняка, А.Т.Айруни, И.Г.Ищука, С.В.Сластунова, А.Е.Красноштейна, Ю.А.Цейтлина, ГЛА.Позднякова, Л.А.Пучкова, П.Д.Чабана, В.Я.Журавленко, В.Н.Андрющенко, А.Д.Вассермана, А.Ф.Знлъбер-борда, А.Ф.Воропаева, А.Н.Саламатина, А.Ф.Галкина, С.Г.Гендлера, Н.Н.Мохирева, Е.Т.Воронова, Г.П.Герасименко, Г.С.Забурдяева, В.Н.Ефремова, И.Фосса, Ф.Хайзе и др.
Регулирование теплового режима шахт и рудников осуществляется, как правило, путем использования традиционных калориферных установок и комплекса холодильных машин и оборудования. Однако, этот подход имеет ряд недостатков: высокая стоимость и сложность оборудования, значительные затраты энергии, трудности доставки и эксплуатации. Применяемые широко "мокрые" способы борьбы с пылью не всегда обеспечивают безопасность.
Системы безопасности и кондиционирования рудничной атмосферы могут быть основаны на использовании фазовых переходов воды. Это подогрев поступающего в шахту (рудник) воздуха за счет теплоты замерзания распыляемой воды, а также охлаждение воздуха на глубоких горизонтах путем использования атмосферного холода, накопленного в аккумуляторе холода на поверхности
-4-при замораживании воды и отдаваемого при плавлении льда. Представляется не менее перспективным способ подавления и связывания пыли при конденсации пара из воздуха на самих пылинках и на контуре выработки и заполняющих ее объектов.
Необходимо исследование и выявление закономерностей тепломассообменных процессов, протекающих в элементах систем кондиционирования и безопасности на основе фазовых переходов воды, определение параметров этих систем, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат по сравнению с традиционными системами.
Настоящая работа является продолжением и развитием исследований, выполненных академиками РАЕН, докторами техн.наук, проф.Ю.Д.Дядькиным и Ю.В.Шуваловым.
Цель работы
Снижение энергетических и материальных затрат на создание и эксплуатацию систем кондиционирования рудничной атмосферы и пылеподавлення.
Основная идея работы
При создании и эксплуатации систем кондиционирования рудничной атмосферы и пылеподавлення для энергообеспечения и интенсификации процессов тепломассообмена следует использовать фазовые переходы воды.
Основные задачи работы:
разработка физических основ фазовых переходов воды в системах безопасности и кондиционирования рудничной атмосферы;
разработка инженерных методик расчета теплового режима горного массива (массива твердеющей закладки) с целью прогнозирования микроклимата выработок;
разработка новых и выбор рациональных конструктивных решений систем на базе использования фазовых переходов воды,
-5-обоснование возможности обеспечения на их основе безопасности и кондиционирования рудничной атмосферы;
обоснование необходимости совместного исследования теплового и пылевого режимов (термопылевого режима) угольной шахты при создании систем пылевзрывозащиты, разработка методики шахтных исследований термопылевого режима;
экспериментальные исследования для определения технической возможности эксплуатации элементов систем безопасности и кондиционирования;
оценка экономической эффективности систем и практическая проверка результатов исследований.
Методы исследований
Исследования выполнены на базе теоретических и методологических основ классической теории тепло-массообмена, достижений горной теплофизики, применены аналитические методы математической физики, широко использовалась электронно-вычислительная техника. Для проверки теоретических концепций и гипотез использовались методы математического и физического моделирования, в больших объемах выполнялись лабораторные и натурные эксперименты (в том числе шахтные), для чего применена современная аппаратура. Использованы методы технико-экономического анализа.
Основные защищаемые положения
-
Тепло-хладоснабжение шахты или рудника может быть обеспечено путем использования низкопотенциальных источников тепла или холода с энергообеспечением и интенсификацией процессов теплообмена в результате фазовых переходов воды.
-
Для увлажнения пылеотложеиий в труднодоступных местах и повышения степени пылевзрывобезопасности горных выработок целесообразно использовать процесс конденсации избыточного водяного пара в рудничной атмосфере.
-
При решении задач Стефана необходим учет взаимовлияния "холодных" источников, что позволяет упростить методику
расчета температурного поля с многими источниками тепла, заменив ее с помощью метода наложения применением решений задач для одиночных источников.
-
Процесс охлаждения капли воды в потоке подогреваемого в гидрокалорифере воздуха продолжается в зависимости от размеров, формы, свойств капли и условий теплообмена, а затем наступает процесс нагревания капли со скоростью роста температуры воздуха.
-
Технологические процессы связывания аэрогелей, увлажнения аэрозолей, формирования гранул и массивов льда на реальных участках систем кондиционирования воздуха эффективно реализуются за счет фазовых переходов воды в процессах конденсации и замерзания.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность обеспечивается применением современных методов исследований и всей совокупностью данных по лабораторным и натурным экспериментам, широким привлечением проектных и фактических материалов рудников Норильска, Зыряновского свинцового комбината, шахт Воркуты, а также хорошей сходимостью результатов математического моделирования н теоретических исследований с результатами экспериментальных исследований и положительными результатами использования разработок, предложенных автором диссертации.
Научная новизна результатов работы:
теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможности создания систем кондиционирования и безопасности рудничной атмосферы на основе широкого использования фазовых переходов воды;
выявлены закономерности, характеризующие тепломассо-обменные процессы в элементах систем кондиционирования и безопасности рудничной атмосферы на основе использования фазовых переходов воды.
Практическая значимость работы:
разработаны новые способы, системы и средства регулирования теплового режима и пылевзрывозащиты шахт и рудников на основе использования, фазовых переходов воды, а также выполнена оценка вариантов использования вторичных тепловых ресурсов, показавшая, что наиболее рационально использование тепла шахтной воды;
выполнена оценка степени влияния различных факторов на значение радиуса замораживания охлаждающих установок при создании запасов холода в АХ, а также разработаны методики расчета температурного поля массива для случая систем разработки с твердеющей закладкой;
подготовлены методики выбора параметров системы конденсационного увлажнения и связывания пыли и проведения шахтных исследований термопылевого режима горных выработок.
Реализация результатов работы
Результаты исследований включены в разработки и рекомендации по внедрению систем кондиционирования и безопасности рудников Зыряновского свинцового комбината, Норильска, шахт Воркуты. Экономический эффект от внедрения результатов работ составляет около 3,5 млрд.руб. в ценах середины 1995 г.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) и при выполнении научно-исследовательских работ в государственном институте ПечорНИИ-проект.
В целом внедрение научно обоснованных решений по созданию систем кондиционирования и безопасности на основе использования фазовых переходов воды вносит значительный вклад в ускорение научно-техничеС'Кого прогресса горнодобывающей промышленности.
-8-Личный вклад автора диссертационной работы:
постановка задач, разработка методик, организация и научное руководство исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;
обобщение результатов экспериментальных исследований и уточнение на их базе механизма тепло-массообменных процессов в элементах систем кондиционирования и безопасности на основе фазовых переходов воды;
математическая постановка и решение задач при изучении тепловых процессов в ледяном аккумуляторе холода, гидрокалорифере типа теплообменной галереи, а также при расчете температурных полей горного и массива твердеющей закладки;
разработка инженерных методик расчета физических и технических параметров ледяного аккумулятора холода, гидрокалорифера типа теплообменной галереи, системы конденсационного увлажнения и связывания пыли;
проведение лабораторных и натурных исследований наложения температурных полей взаимодействующих источников, процессов сушки и увлажнения угольной пыли, влияния влажности пыли на ее взрывчатость, термопылевого режима шахт Воркуты.
Апробация работы
Основные положения работы в целом и отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на VIII Всесоюзной научной конференции "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов", Москва, 1984, Республиканских конференциях "Совершенствование методов поисков и разведки, технологий добычи и переработки руд", Красноярск, 1985 и "Совершенствование технологии и механизации добычи полезных ископаемых", Тбилиси, 1986, Коми республиканских семинарах, проводимых НЦ Уральского отделения АН СССР (1988 - Ухта, 1989 - Сыктывкар, 1990 - Воркута), Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства, Санкт-Петербург, 1993, Всероссийском семинаре по борьбе с пылью и
пылевзрывозащите, Кемерово, 1995, заседаниях Ученого Совета института ПечорНИИпроект, 1995-96 и т.д.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 29 печатных работах, в том числе брошюра, инструкция и 8 изобретений.
В диссертации изложены результаты научных исследований, выполненных автором в 1985-96 гг. Большую научную и организационную помощь оказал проф., д.т.н. Ю.В.Шувалов (С.-Петербургский горный ин-т), которому автор выражает свою глубокую признательность и благодарность. Автор благодарит также профессоров, д.т.н. Ю.Д.Дядькина, Э.И.Богуславского за помощь и поддержку.
Исследования проводились по координационным планам важнейших задач Минцветмета и АН СССР, Минтопэнерго России.
Объем и структура работы