Введение к работе
Актуальность темы. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера' требует больших материальных и эксплуатационных затрат. В последнее время в связи с постоянным удорожанием энергоносителей возникает проблема экономии " и поиска новых источников энергии. По мнению ряда исследователей одним из эффективных способов регулирования теплового режима шахт- и рудников Севера являются горнотехнические системи, основанные на тешюаккумулирующих ,выработках(TAB). Однако, недостаточная изученность формирования теплового режима, и вследствие этого отсутствие обоснованных рекомендаций по эксплуатации ТАВ, не позволяют максимально использовать данный способ. TAB эффективно работают в небольших шахтах и рудниках с малым расходом поступающего воздуха. С увеличением количества воздуха TAB теряют свою эффективность. Поэтому возникает проблема повышения эффективности ТАВ за счет дополнительных вторичных источников энергии. Наиболее доступным видом энергии является тепло исходящей вентиляционной струи.- К способам регулирования теплового режима на основе TAB с использованием энергии исходящей струи относятся регенеративные и рекуперативные системы. В настоящее время для них еще не разработаны методы теплового расчета, что является одной из главных причин медленного внедрения этих прогрессивных запатентованных систем в производство.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИГДС по теме " Разработать научные основы проектирования систем регулирования теплового режима шахт и рудников Севера"(N 01870096048 ) и хоздоговорной темы "Разработать рекомендации по управлению тепловыми и механическими процессами при строительстве и эксплуатации алмазных рудников" (N 01Я50063131)-
Идея работы состоит в том, что дальнейшее расширение области применения горнотехнических способов регулирования теплового режима на основе TAB возможно за счет оптимизации их параметров и режимов кондиционирования рудничного воздуха.
Цель работы - разработка и совершенствование методов расчета систем регулирования теплового режима шахт и рудников на основе ГАВ для обеспечения надежности проектных решений при выборе параметров систем регулирования- теплового режима.
Задачи исследований!
1. Обосновать и разработать математические модели
теплообмена в ТАВ, в том числе при рекуперации, и регенерации
энергии исходящей струи.
2. Разработать инженерные зависимости для определения
основных характеристик регенеративной и рекуперативной систем и
выбора их оптимальных параметров.
-
Обосновать рациональные параметры ТАВ для предупреждения эндогенных пожаров на угольных шахтах Севера.
-
Разработать пакет прикладных программ для расчета температурного режима систем кондиционирования воздуха на основе TAB.
Методы исследований - анализ и обобщение литературных данных, математическое моделирование тепловых процессов, планирование эксперимента, методы теории подобия, регрессионный анализ. Для решения задач были использованы аналитические и численные методы с применением ПЭВМ.
Основные научные положения, защищаемые автором:
- установлено, что для предупреждения возникновения
эндогенных пожаров возможно применение систем регулирования
теплового режима на основе TAB, которые позволяют охладить в
летний период воздух до нормативного уровня;
на основе математического моделирования установлено, что для рекуперативных систем регулирования теплового режима существует оптимальное соотношение скоростей в теплом и холодном каналах, которое для типичной системы составляет: v /v =5,5;
рекуперативные системы регулирования теплового режима наиболее целесообразно проектировать по принципу "разделительной стенки", а не "труба в трубе", что позволяет существенно (на 20-30) улучшить их экономические характеристики;
установлена неэффективность регенеративной системы при больших расходах воздуха из-за большого аэродинамического сопротивления выработок, при этом целесообразно разделить весь поток на две части и одну часть подать через регенеративную систему, а затем смешивать со второй (свежей) частью воздуха перед подачей в калориферную установку. Определено оптимальное соотношение расходов воздуха при разделении потока на две части.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью и строгостью постановки математических моделей
рассматриваемых задач, применением обоснованных математических методов к исследованию и решению задач, использованием современных методов математики и средств вычислительной техники, а также совпадением результатов расчета с данными .натурных наблюдений для условий шахты "Центральная"(Сангары), угольной шахты "Джебарики-Хая" и россыпной шахты Индигирки( шахта 43 прииска "Маршальский").
Научная новизна работы состоит в
- обосновании математической модели процесса теплообмена
вентиляционного воздуха в TAB с массивом горных пород
и разработке алгоритмов ее реализации для условий регенерации и
рекуперации энергии исходящей вентиляционной струи;
- разработке методик оптимизации систем регулирования
теплового режима и оптимизации параметров регенеративной и
рекуперативной систем по критерию минимума затрат;
- разработке модели регенеративной системы регулирования
теплового режима и получении регрессионной зависимости между
основными параметрами;
разработке модели рекуперативной системы, реализация которой позволила выбрать оптимальное соотношение скоростей воздуха в теплом и холодном каналах;
разработке комплекса програмі,; для решения задач теплообмена в обычных TAB, регенеративных и рекуперативных системах, а также для оптимизации их параметров.
Личный вклад автора состоит в
разработке алгоритмов численных реализаций математических моделей процессов теплообмена в TAB;
разработке комплекса программ:для расчета температурного режима в TAB, регенеративных и рекуперативных системах;
разработке способа защиты от обмерзания главного вентилятора при проветривании шахт и рудников Севера, который основан на принципе работы TAB;
обосновании параметров регенеративной системы регулирования теплового режима алмазных рудников;
разработке рекомендаций по выбору экономически эффективных параметров систем регулирования теплового режима рудников на основе TAB, переданных институту "Якутзолотопроект";
разработке рекомендаций по совершенствованию системы ре-
гулирования теплового режима на основе TAB шахты "Дже.барики-Хая".
Практическая значимость работы: __
определена длина ТАВ для угольных шахт по уровню охлаждения воздуха в летний период для предупреждения ендогенных пожаров;
разработана методика расчета температурного режима TAB с
помощью ЭВМ, а также метод определения оптимальных параметров
регенеративной и рекуперативной систем " регулирования теплового
л режима шахт и рудников;
- разработан и защищен авторским свидетельством способ за
щиты от обмерзания канала главного вентилятора при проветривании
шахт и рудников Севера, который основан на принципе работы TAB;
- установлены оптимальные значения расхода воздуха,
подаваемого в регенеративную систему, при которых использование
систем эффективно. .
Полученные результаты исследований могут быть использованы для оценки новых технических решений при проектировании систем регулирования теплового режима шахт и рудников Севера.
Реализация работы. Результаты исследований по TAB вошли составной частью в работу "Рекомендации по предупреждению эндогенных пожаров при отработке многолетнемерзлых угольных пластов( на примере угольных шахт Якутии) ( Якутск, 1989 г.), утвержденной ПО "Якутуголь".
Результаты работ по обоснованию регенеративной системы регулирования теплового режима алмазных рудников переданы проектным институтам "Якутнипроалмаз" и "Днепрогипрошахт".
Разработанная программа для ПЭВМ "Прогноз тепловых условий в регенеративных и рекуперативных системах кондиционирования рудничного воздуха" используется в- практике научных исследований Института технической теплофизики АН Украины и института МакНИИ.
Рекомендации по регулированию теплового режима на основе TAB переданы шахте "Джебарики-Хая" и использованы при эксплуатации системы вентиляции шахты с TAB.
Рекомендации по выбору экономически эффективных параметров систем регулирования теплового режима на основе TAB переданы институту "Якутзолотопроект" и использованы в практике проектирования подземных рудников области многолетней мерзлоты.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на сессиях Всесоюзного семинара по горной
теплофизике (г.Киев,1985 г., г.Якутск,1986 г., г.Киев, 1987 г., г. Житомир,1989 г.), Республиканских конференциях молодых ученых и специалистов (г.Якутск,1984,1986,1988 гг), Международной конференции по геотермальной энергетике(г. Санкт-Петербург, .1993 г.), Ученом совете МГДСевера (Якутск, 1995 г.), заседании кафедры физики горных пород и физических процессов МГТУ( Москва,1995 г.)
Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 1 монография и 2 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, 2 приложений и содержит 223 страницы машинописного текста, 13 таблиц, 25 рисунков, список литературы из 140 наименований.