Методы прогноза и способы регулирования теплового режима вентиляционных горизонтов глубоких угольных шахт Кузин, Виктор Алексеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Добыча угля в Донецком бассейне, Закавказье, на месторождениях Сродней Азии и Дальнего Востока может осуществляться в основном за счет освоения глубоких горизонтов. Большинство шахт (55$) Донецкого бассейна ведут горные работы на глубинах G00-I3O0 м. Глубина горных работ половины шахт Закавказья составляет G00-TI00 м, отдельных шахт Дальнего Востока -700-900 м. На указанных глубинах (свыше 500 м) для нормализации тепловых условий в выработках применяют различные схемы и способы регулирования теплового родима.

Разнообразие горно-геологических, горно-технических и вентиляционных параметров шахт оказывает большое влияние на условия формирования теплового режима выработок вентиляционных горизонтов.Основные проблемы с обеспечением нормальных климатических условий на глубоких горизонтах зозникагот в лавах и выработках с исходящей вентиляционной струей, так как на формирование их теплового режима оказывают влияпзе теплопритоки из выработанного пространства. Например, ка шахтах Донбасса при глубине разработки до 1000 м теплопритоки из выработанного пространства выемочных участков составляют ss350 кВт и сравнимы по величине с тепло-приращением воздуха в лавах, а на шахтах ФРГ, сходных по геотермическим условиям разработки с Донецким бассейном, ка глубине 1200 и теплопритоки достигают 600-1000 кВт.

Исследования закономерностей формирования теплового режима в этих выработках, изучение влияния горно-технических параметров горнкх работ на тепловые условия в рабочих забоях, разработка методов прогноза тешюпритоков из выработанного пространства и рациональных способов регулирования климатических условий на выемочных участках практически не осуществлялись. Методы прогнозирования тепловых условий, разработанные для воздухоподавдих выработок, не учитывают специфические условия выработок вентиляционных горизонтов. Поэтому для расчета"систем кондиционирования воздуха с подземным отводом тепла конденсации холодильных машин

и для определения условий работы средств индивидуальной защиты рабочих, находящихся вне зоны общешахтного или участкового кондиционирования воздуха, необходима разработка надежных методов прогноза теплового режима вентиляционных горизонтов.

Диссертационная работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора по тематическим планам работ ЬїакНИИ, основная часть которых проводилась на основании работ ПСНТ по решению научно-технических проблем 0.О5.І75, ХУЛ, ПІ7І6І0.

Цольрэ габоты является разработка методов прогноза теплового режима вентиляционных горизонтов глубоких шахт и способов нормализации климатических условий на выемочных участках для обеспечения безопасных и здоровых условий труда горнорабочих.

1'дея работы состоит в едином методическом подходе к постановке и решении задач теплообмена ыекду горным массивом и воздухом на основе метода -коэффициента нестационарного теплообмена и дифференциальных уравнений теплового баланса подземных сооружений о учетом закономерностей воздухораспроделеиия при движении утечек воздуха через выработанное пространство и в выработках вентиляционных горизонтов.

Методы исследование. Исследования осуществлялись комплексно и включали в себя разработку теоретических положений и постановку краевых задач нестационарно!! теплопроводности и конвективного теплообмена мезду горным пассивом и воздушным потоком; математическое моделирование и решение краевых задач теплообмена; описание и анализ тепловых режимов выработок Методами технической термодинамики; лабораторные и натурные экспериментальные наблюдения для оценка достоверности разработанных методов прогноза температуры воздуха, зффективности способов и средств нормализации климатических условий в шахтах. Проводились тепловые и вентиляционные съемки по выработкам глубоких шахт с обработкоЛ результатов методами математической статистики и применением ОБИ, анализом и обобщением полученных результатов.

Основные иагчныо положения, выносимые на за-лдту. и, щ

новизна.

I. Закономерности формирования теплового режима выработок вентиляционных горизонтов глубоких пахт. Установлено существенное влияние теплопритоков воздуха из выработанного пространства дав д воздухоподадщих выработок на формирование теплового режима ¹ вентиляционных горизонтов. Впервые сделана количественная оценка

и установлена зависимость величины теплопритоков из выработанного пространства от способов управления горным давлением на выемочных участках, температуры горных пород, схемы проветривания, расхода воздуха, технических характеристик лавы и др.

1. Классификация выработок по влажностному состоянию, обоснование правомерности применения линейного закона изменения относительной влажности воздуха в дифференциальных уравнениях теплового баланса выработок. Установлено, что приращение_относительной" влажности воздуха в выработках зависит прежде всего от горнотехнических условий разработки и назначения выработок.

2. Математические модели теплооо'менных процессов между горным массивом и воздухом в выработанном пространстве и аналитические зависимости для определения коэффициентов нестационарного теплообмена, отличающиеся учетом аэродинамика выработанных пространств и способов управления горным давлением в лавах.

. 4. Аналитические зависимости для расчета коэффициента нестационарного теплообмена между горным массивом и воздушным потоком при скачкообразном изменении температуры воздуха в выработке, полученные из уравнения теплопроводности неограниченного массива о цилиндрической полостью при произвольном изменении температуры воздушного потока во времени на основе использования функций Грина.

5. Методы расчета температуры утечек воздуха в выработанном пространстве и в выработках вентиляционных горизонтов, отличающиеся заданием линейного закона изменения относительной влажности воздуха по длине выработок при различном расходе воздуха.

6. Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов, позволяющая на стадиях проектирования и эксплуатации оценивать различные технические решения по нормализации климатических условий в выработках глубоких шахт; классификация схем проветривания выемочных участков и технологических схем горных работ по тепловому фактору, в основу которой положены величина и направление двияения утечек воздуха, направления поступающей и исходящей струй воздуха на выемочном участке, расположение местных источников тепловыделений в выработках.

7. Новые способы кондиционирования воздуха в выработках выемочных участков глубоких шахт, основанные на принципе предотвращения поступления утечек" воздуха из выработанного пространства в лаву и па вентиляционный штрек.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием основных положений теории теплообмена, аэродинамики выработок и выработанных пространств; достаточным объемом экспериментальных исследований в широком диапазоне горно-геологических и горно-технических условий разработки; хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов в широком диапазоне горно-технических условий с данными натурных наблюдений (ошибка не превышает і 1,0 С); многолетней проверкой разработанных методов исследований теплового режима глубоких шахт и методик прогноза температуры воздуха в условиях шахт Донбасса, Грузии, рудных месторождений Венгрии и Болгэрпи; положительными результатами проектирования и внедрения разработанных горно-технических и специальных способов улучшения и нормализации тепловых условий на глубоких шахтах производственных объединений Украины и России.

Научное значение работы заключается в обобщении и развитии теория горного тепло- и массообмена, позволяющей на основе разработанных методов прогноза и установленных закономерностей формирования теплового режима выработок вентиляционных горизонтов с единых позиций подойти к построении тепловой модели глубокой шахты, как объекта регулирования с распределенными параметрами. Выполненные исследования вносят существенный вклад в изучение физических процессов горного производства, позволяют определить пути и способы решения проблемы обеспечения нормальных климатических условий в глубоких шахтах.

Практическое значение работы состоит в том, что:

1. Разработано и внедрено руководство по проведении тепловых съемок в глубоких шахтах, позволяющее производить опенку основных факторов, влияющих на тепловой режим выработок, определять основные данные для прогноза температуры воздуха в разработка мер по улучшению и нормализации теплового реяима выработок.

2. Разработаны и внодрепы методики по прогнозированию температурных условий в выработках» проветриваемых за счет общвшагг-ной депрессии и вентиляторами местного проветривания, и комплекс программ по методикам для ПЭВМ и ЕС ЭВМ подсистемы "Вентиляция, дегазация, кондиционирование воздуха", включенных в САПРуголь. Методики и ШШ внедрены во всех проектных организациях отрасли.

3. Разработана г внедрена на угольных предприятиях вкспреос-методико прогноза тепловых условий, которая даот возможность выполнять расчеты выемочных участков, располагая только основными 4

известными данными: естественной температурой горных пород, от
носительной влажностью воздуха в выработках, расходом воздуха,
суточной нагрузкой на лаву, мощностью установленного оборудова
ния, _сечением_и.длиной_выработок.

4. Выполнена классификация технологических схем горных работ и схем проветривания выемочных участков по тепловому фактору; определены области их эффективного применения.

5. Разработаны, прошли промышленные испытания и рекомендованы для внедрения на глубоких горизонтах воздухоохладители для ступенчатого охлаждения непосредственно в лавах.

6. Разработаны новые способы кондиционирования воздуха в выработках выемочных участков глубоких шахт, основанные на принципе іірадотвращеная поступления тепловрйтокоа воздуха из выработанного пространства в лазу и з вентиляционную выработку ігри различных горно-технических параметрах разработки.

Приоритет технических решений по нормализации климатических условий в выработках выемочных участков глубоких шахт, выполненных под руководством и при участии автора, защищен авторскими свидетельствами на новые способы. За работу "Комплекс исследований в области прогноза и регулирования теплового режима угольных тахт, направленных на обеспечение нормальных тепловых условий при высокопроизводительно^ выемке Пластов на большой глубине" автору з 1982 г. присуждена премия им.академика А.А.Скочпкского.

Реализация работы. Основные результати ьшолношшх исследований попользованы при составлении руководящих и нормативно-технических документов: "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах", "Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт", "Руководства по проведению теплових съемок 2 угольных захтах", "Икструкцпв по безопасному приме не неп установо!: кондиционирования рудничного воздуха", "Ерзмеашх иэтодпчесхлх указаний по составлению отчетов о тепловых съемках шахт", "Методики измерения температурі: породного массива в угольных ;;:ахтах", "Единой методика прогнозирования телпторатур'щх условии в угольных шахтах" _s "Руководства по применению установок кондацнониро- ' ванпя воздуха в глубоких шахтах", "Методики прогнозирования температурных условий з выработках, проветриваемых с помощь» вентиляторов местного проветривания", Методики прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт", "Экспресс-методики прогнозирования температуры воздуха в выработках глубоких шахт Донбасса", "Методики прибли-

конного прогноза температури воздуха в выработках глубоких шахт Донбасса", "Технологических схем разработки плаотов на угольных шахтах", комплекса задач и программных средств "Тепловые расчеты подсистемы "Вентиляция, дегазация, кондиционирование воздуха" САПРуголь для ЕС ЭВМ. С 1980 г. разделы проектов реконструкции и строительства глубоких горизонтов и шахт Донбасса по нормализации климатических условий выполняются с использованием разработанных автором методических и нормативных документов.

Ооновные научные положения и практические рекомендации диссертационной работы используются при чтении курсов по технике безопасности в МакЮШ, НІЖ и его филиалах и при выполнении научно-исследовательских работ отраслевыми и учебными институтами.

Аггообагом работы. Основные научные положения выполненных исследовании докладывались в получили одобрение на: сессиях Всесоюзного семинара по горной теплофизике в 1982-1992 гг. (г.Стаханов, г.Днепропетровск, г.Донецк, г.Киев, г.Житомир, г.Орджоники-дзе, г.Сланцы, г.Владивосток, г.Путивль), Всесоюзном, научно-техническом совещании 'по борьбе с высокими температурами в глубоких тахтах и рудниках (г.Донецк, 1974 г.), научно-технической конференции по охране труда и технике безопасности в угольной промышленности (г.Ворошиловірад, 1979 г.). Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вскрытие, подготовка з системы разработки для глубоких шахт" (г.Донецк, 1977 г.). Международном симпозиуме "Тепловой реяпм глубоких угольных шахт и металлических рудников" (г.Киев, 1976 г.), 2-й Всесовзной научно-технической конференции по проблемам горной топлофизаки (г.Ленинград, 1981 г.), 7-Й Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР с участием НИИ "Комплексные исследования физических свойств горних пород я процессов" (г.Ыосква, 1981 г.), Республиканских научно-техндческвх конференциях "Проблемы совершенствования безопасности горных работ на угольных шахтах" (г.Ыояеевка, 1988 г., г.Донецк, 1991 г.), І-, 3- в 5-й пленарных заседаниях Моадународного бюро по горной теплофизике (г.Катовицо (Польша), 1981 г.; г.Пловдив (Болгария), 1983 г.; г.Дели (Индия), І9В8 г.).

Отдельные результаты исследований экспонировалась на ВПОПХ УССР в ВДНХ СССР в получили две серебряные а одну бронзовую медали.

Публикации. По теые диссертации автором опубликовано самостоятельно или в соавторстве 92 печатные работы, основное ее

. 6

содержание изложено в 63 работах, включая 6 монографий; получено

7 авторских свидетельств на изобретения.

Автор выражает искреннюю и глубокую признательность соавторам ~ и ""сотрудникам" отдела """кондиіпюнированиХ"рудіїч~ног6^—воздуха МакНШ за многолетнюю помощь в проведении шахтных экспериментов, реализации научных идей автора, их проверке я внедрении на шахтах и в проектных организациях угольной отрасли, а такяе всем, содействовавши.! выполнению настоящей работа.

Автор считает своим пріїлтни.м долгом выразить глубокую благодарность проф., докт.техн.наук 'Л.В.Сергееву за консультативную помощь при представлении работы, а также специалистам ИГД имени А.А.Скочтшского за внимание к работе.