Введение к работе
Актуальность. Статистические данные за последние 10 лет по Подмосковному бассейну свидетельствуют об устойчивом снижении объемов добычи угля. Однако, хотя добыча угля в Подмосковном бассейне и составляет менее I млн т в год, фактический спрос на него (3-7 млн т в год) можно удовлетворить только за счет модернизации действующих и ввода в эксплуатацию новых предприятий.
Подземные камеры и помещения административно-бытовых комплексов надшахтных зданий разнятся по своему месторасположению, назначению и степени комфорта. Все они ограничены в пространстве либо угольными пластами, либо ограждающими конструкциями, отделанными различными строительными материалами.
Результаты исследований диффузионного переноса газов в пористых сорбирующих средах, выполненных Э.М. Соколовым, М.Б. Суллой, Е.И. Захаровым и др., показывают, что и уголь, и основная масса строительных материалов будут взаимодействовать с кислородом воздуха. Исследование причин и механизмов поглощения кислорода и выделения газов угольным веществом и веществом строительных и отделочных материалов показывает, что кислородопоглощение является непрерывным процессом, которым нельзя пренебречь ни на одном этапе функционирования шахты, и что в определенных условиях возможно образование газовых вредностей в строительных материалах и изделиях. При этом такие ситуации возможны как для материалов, полученных из отходов, так и для строительных изделий из традиционных (природных) материалов, которые принято считать безопасными по газовому фактору.
Практика проектирования и эксплуатации систем вентиляции подземных камер и помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий показывает, что до настоящего времени не прогнозируют возможные изменения газового состава в помещениях, обусловленные газообменом воздуха с веществом материалов стен.
Действующие нормативные документы, регламентируя концентрацию кислорода в подземных камерах шахт и в обслуживаемой зоне помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий, не содержат методических указании для прогноза интенсивности поглощения кислорода и выделения продуктов низкотемпературного окисления.
Поэтому необходимо совершенствовать исследование экологической безопасности помещений, где будут использоваться те или иные материалы и строительные изделия. При этом разработка мероприятий по защите среды обитания людей от вредных воздействий является обязательной. Такой подход к проблеме позволит обеспечить надежную защиту воздушной среды помещений средствами вентиляции за счет адекватной оценки изменений газового состава воздуха в помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и подземных камерах различного типа. Следовательно, тема диссертационной работы актуальна.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематических планов МНТП «Прогноз» и федеральной целевой программы «Интеграция».
Целью работы является совершенствование методики расчета воздухообмена & помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и в подземных камерах различного назначения.
Идея работы заключается в том, что методика расчета воздухообмена для подземных камер и помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий основывается на результатах математического моделирования диффузионного газообмена воздуха с источниками газовыделения и теплообмена, обусловленного инфильтрацией, позволивших обосновать параметры рециркуляционной системы воздушного отопления для блока административных помещений.
Основные научные положения, сформулированные в работе, сводятся к следующему:
-
Полученные зависимости, используемые при определении количества воздуха, необходимого для проветривания подземных камер различного типа, учитывают процессы диффузионного переноса газа.
-
Удельная активность воздуха по радону в подземной камере зависит от величины абсолютного радоновыделения, скорости радиоактивного распада радона, средней скорости движения воздуха и коэффициента турбулентной диффузии.
-
Для оценки состава возможных выделений газовых вредностей в воздух помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий целесообразно рассматривать схемы химических реакций в строительных материалах.
-
Система уравнений, описывающая процесс поглощения кислорода из воздуха помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и подземных камер различного типа поверхностями стен из материалов с микропористой структурой, представляет собой уравнение параболического типа для концентрации свободного кислорода и уравнение кинетики низкотемпературного окисления материала.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
предложены математические модели для прогноза динамики газового состава воздуха обслуживаемой зоны помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и подземных камер различного типа с учетом поглощения кислорода и возможного выделения газовых вредностей, обусловленного химическими реакциями в веществе строительных материалов;
усовершенствована методика расчета количества воздуха для помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и подземных камер различного типа;
получены аналитические закономерности тепломассопереноса в помещении в холодный период года, отличающиеся тем, что динамика температуры в наружных ограждениях и величина потерь тепла описываются с
учетом стохастических закономерностей локального изменения метеорологических факторов;
- разработана схема вентиляции, снижающая теплопотери в помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенная методика расчета количества воздуха для помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий и подземных камер различного типа позволяет обеспечить надежную защиту воздушной среды и повысить безопасность условий труда.
Установленные закономерности тепломассопереноса в помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий повышают достоверность прогноза теплопотерь и дают возможность предварительного анализа температурных ситуаций.
Разработана рециркуляционная система воздушного отопления блока помещений административно-бытовых комплексов надшахтных зданий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонения не превышают 20%) и большим объемом вычислительных экспериментов;
значительным объемом базы данных по натурным наблюдениям, а также по результатам анализа метеорологических параметров.
Реализация работы. Установленные и уточненные закономерности газообмена в подземных камерах различного типа и помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий позволили усовершенствовать существующую методику расчета воздухообмена и разработать алгоритмы расчета воздухообмена. Разработанные методические положения прогноза газовыделений и предложенная методика расчета воздухообмена, а также установленные закономерности тепломассопереноса в помещениях административно-бытовых комплексов надшахтных зданий внедрены в ОАО «Мосбассуголь» и Подмосковном региональном отделении академии горных наук. Основные научные и практические результаты были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по межрегиональным научно-техническим программам.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды и кафедры энергетических и санитарно-технических систем и оборудования ТулГУ (г. Тула, 1999-2005 гг.); ежегодных научно—практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1999-2004 гг.); 2-й Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1998 г.); 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические
проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 статей.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 5 глав, изложенных на 198 страницах машинописного текста, содержит 45 иллюстраций, 7 таблиц, список литературы из 220 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность докт. техн. наук, проф. Э.М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследований, а также всем преподавателям и сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды за большую организационную и методическую помощь. Автор выражает глубокую благодарность Ю.С. Паршину (Тульское отделение Роскомгидромета) и Л.В. Веденееву (АОО «Тула-уголь») за предоставленную информацию.
