Лекция Тепловой режим горных выработок

Тепловой режим горных выработок характеризуется изменением температуры воздуха t, относительной влажностью j, влагосодержанием (энтальпией) i по длине вентиляционного пути åL во времени t.

Характер изменения температуры воздуха зависит от интенсивности действия расположенных в горных выработках источников (стоков) теплоты. Эти источники обычно подразделяют на "абсолютные", т.е. не зависящие от температуры воздуха, и "относительные", являющиеся функцией разности температуры источника и температуры воздуха. К первой группе источников теплоты относятся: машины и механизмы, трансформаторы, кабели, системы освещения, люди, тепловой эффект работы сил горного давления, адиабатическое сжатие (расширение) воздуха при движении по наклонным горным выработкам, охлаждающий эффект дегазации горных пород, окисление угля и пород.

При работе машин и механизмов количество выделяемой теплоты определяется эквивалентной работой, не связанной с изменением потенциальной энергии работающего механизма DП. При заданной номинальной мощности машины или механизма N количество выделяемой в единицу времени теплоты определяется с учетом коэффициента загрузки К_з, равного отношению фактически затрачиваемой мощности к номинальной, и коэффициента использования К_и, рассчитываемого как отношение фактического времени работы к общей продолжительности рабочего периода:

Q_мм = К_зК_иN – DП. (4.1)

В зависимости от особенностей работы оборудования формула (4.1) принимает различный конкретный вид. Например, при работе электроосветительных приборов, когда практически вся потребляемая энергия переходит в теплоту

Q_эп = N_эп. (4.2)

Количество теплоты, выделяющееся при транспортировании полезного ископаемого или пород, зависит от вида транспорта, величина грузопотока G_тр и длины транспортирования L_тр:

Q_тр = q_эGL_тр, (4.3)

где q_э – количество теплоты, выделяющееся при транспортировании единицы массы груза на единицу длины, q_э измеряются в кДж/(т×м) и при использовании электровозной откатки, ленточного конвейера и скребкового конвейера составляет соответственно 0,9 кДж/(т×м), 2,5 кДж/(т×м) и 6,3 кДж/(т×м).

Количество теплоты, выделяющееся (поглощающееся) при адиабатическом сжатии (расширении) воздуха, составляет:

Q_сж = gG_вDН, (4.4)

где DН – разность высотных отметок начала и конца выработки, м; G_в – весовой расход воздуха, м³/с.

Тепловыделения от окисления углей и вмещающих пород вычисляются как произведение известной удельной величины тепловыделений q_уд.ок. и окисляемой поверхности пород F, м²:

Q_ок = q_уд.ок F. (4.5)

Величину q_уд.ок при окислении угля, угольной пыли и крепежного леса рекомендуется подсчитывать по формуле:

q_уд.ок = q¢_уд.ov^0,8, (4.6)

где q¢_уд.o – тепловыделения от окислительных процессов, приведенные к скорости движения воздуха v = 1м/с. Значения q¢_уд.o при средней величине 3,5-4,65 Вт/м² определяются типом угля.

Для сульфидных руд Талнахского месторождения при температуре руды 10-15°С q_уд.ок = 9,5-12 Вт/м²; при увеличении температуры на каждые 10°С q_уд.ок возрастает в 1,6 раза:

q_ок = (9,5-12)×1,6^0,1(Тп-15) (4.7)

Повышение температуры единицы объема целика угля DТ_уг в процессе его деформирования на величину Dh при работе сил горного давления составляет:

(4.8)

где Н – глубина горных работ, м; r_ср – средняя плотность толщи налегающих пород, кг/м³; m_пл – мощность пласта угля, м; l и b – соответственно ширина целика и расстояние между ними, м; c_у, r_у – удельная теплоемкость и плотность угля, Дж/кг×°С, кг/м³.

Основным относительным источником теплоты является горный массив, окружающий выработки. К другим относительным источникам относятся: трансформируемое полезное ископаемое или вмещающие породы; трубопроводы, расположенные в выработках; вода, движущаяся по канавкам и лоткам.

Количественным показателем тепловыделений от горного массива является введенный О.А. Кремневым коэффициент нестационарного теплообмена, численно равный количеству тепла, переданного воздушному потоку из глубины породного массива через 1 м² поверхности выработки в единицу времени при разности температур глубинных слоев и воздуха в 1°С. Значение коэффициента нестационарного теплообмена может быть получено либо определением температурного градиента у поверхности горного массива, либо непосредственно из уравнения для температуры поверхности массива Т(r_о, t).

(4.9)

Номограмма для определения k_t, была построена О.А.Кремневым по результатам расчетов температурного поля в горном массиве (рис. 4.1). На ее основе разработана методика приближенного определения К_t. Для выработок проветриваемых менее одного года, К_t можно рассчитать по формуле [ ].

(4.10)

где f(z) – табулированная функция; , а Bi и Fo – числа Био и Фурье (см. раздел III).

Значение f(z) можно вычислить по диаграмме:

(4.11)

При более длительных временах проветривания выработок К_t определяется по формуле:

(4.12)

При известном значении К_t количество теплоты, поступающее из горного массива в воздушный поток, составляет:

Q_п = К_tU(T_o – t)L. (4.13)

Оценка влияния источников теплоты, расположенных в выработках на температуру воздуха осуществляется в результате решения уравнения теплового баланса, которое является частным случаем уравнения сохранения энергии для потока воздуха. Для выработки, в которой действуют åQ_i источников теплоты, уравнение теплового баланса имеет вид:

G_в(i₂ – i₁) = åQ_i, (4.14)

где G_в весовой расход воздуха, кг/с; i₁, i₂ – соответственно удельное теплосодержание воздушной струи в начале и конце выработки длиной L, Дж/кг (см. I раздел).

Уравнение (4.14) обычно дополняется уравнением баланса влаги:

G_в (d₂ – d₁) = åJ_i, (4.15)

где d₁, d₂ – влагосодержания воздушной струи в начале и конце выработки, кг/кг (см. I раздел); åJ_i, – сумма всех источников (стоков) влаги, расположенных в выработке, кг/с.

Совместное решение уравнений (4.14) – (4.15) приводит к зависимости для расчета температуры t₂ и влагосодержания d₂ воздуха в конце выработки.

Уравнения типа (4.14), (4.15) получили названия интегральных уравнений теплового баланса и баланса влаги. Практика их использования показывает, что они приводят к удовлетворительной точности при расчете температур воздуха только при невысокой интенсивности выделения теплоты и влаги, а также сравнительно незначительной длине выработок (не более 300 м). Во всех остальных случаях более предпочтительным является выполнение расчетов на основе дифференциальных уравнений теплового баланса и баланса влаги. В наиболее простом случае, когда в выработке отсутствуют источники влаги, дифференциальное уравнение теплового баланса записывается в виде:

G_вС_в­dt = К_tU(T_п – t)dy + åQ_абс.idy. (4.16)

где åQ_абс.i – сумма "абсолютных" источников теплоты, расположенных в выработке.

При температуре воздуха в начале выработки, равной t₁, ее распределение по длине выработки у выразится зависимостью:

(4.17)

где с_в – теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг×°С)

Если теплообмен воздуха с различными источниками теплоты, находящимися в выработке, осложнен испарением влаги, то в уравнение (4.17) вместо теплоемкости сухого воздуха вводят значение эффективной теплоемкости с_эф, которая учитывает интенсивность тепло-массообменных процессов:

(4.18)

где j_ср – средняя относительная влажность воздуха в выработке j_ср = 0,5(j₁ + j₂); Р_н – барометрическое давление воздуха на глубине Н(МПа); r – удельная теплота испарения влаги (см. раздел I); n – коэффициент из аппроксимационной зависимости влагосодержания насыщенного воздуха от его температуры, зависящий от ожидаемого интервала изменения температуры воздуха в выработке. Относительная влажность воздуха в конце выработки j₂ или устанавливается на основе решения уравнения баланса влаги или задается в соответствии с данными измерений в натурных условиях.

При анализе теплового режима тупиковых выработок уравнение теплового баланса (4.16), описывающего теплообмен на сквозном участке проветривания (рис. 4.2), дополняется уравнениями теплового баланса для воздуховода и забоя выработки. Их решение приводит к зависимостям, характеризующим распределение температур воздуха не только по длине выработки, но и по длине воздуховода.

Тепловой режим очистных выработок, например лав, зависит от технологических факторов, как выбранная система разработки, способ управления кровлей, схема проветривания. Эти факторы определяют не только особенности теплового взаимодействия воздушного потока с нетронутым массивом угля и породами в выработанном пространстве, но и величину фильтрационных утечек воздуха. Причем при одних схемах проветривания воздух из выработанного пространства попадает непосредственно в лаву и существенным образом влияет на термодинамические параметры вентиляционной струи, а при других схемах это влияние оказывается минимальным.

Регулирование теплового режима горных выработок осуществляется с целью создания безопасных, а также технологически и экономически наиболее рациональных условий их эксплуатации и ведения горных работ.

В зависимости от направленности изменения термодинамических параметров теплового режима различают способы подогрева, охлаждения, увлажнения, осушения и их комбинации (комплексное регулирование). Наиболее широко на шахтах и рудниках распространены способы подогрева и охлаждения.

По технологическим признакам способы регулирования делят на горнотехнические, осуществляемые путем направленного применения удельной или суммарной мощности источников тепла и влаги за счет регулирования технологических параметров самого объекта и теплотехнические, осуществляемые путем создания направленного процесса тепломассопереноса между источником и потребителем.

Горнотехнические способы технически и технологически являются наиболее простыми, не требующими значительных энергетических, капитальных и эксплуатационных затрат. Они находят широкое применение на практике, как самостоятельно в условиях переходного режима от нерегулируемого к регулируемому, так и при использовании теплотехнических способов. Их практическая реализация осуществляется технологическими приемами (изменение вентиляционных режимов, конструктивных параметров выработок, технических характеристик отдельных элементов и др.) и теплофизическими, связанными с учетом геометрических и климатических условий месторождения и района, изменением интенсивности протекания процессов тепло-массообмена в выработках.

Теплотехнические способы технически наиболее совершенны, обеспечивают регулирование любых параметров в широком диапазоне условий, но требуют значительных капитальных, эксплуатационных, энергетических и трудовых затрат. Они могут осуществляться путем свободного или вынужденного тепло-массообмена, соответственно, различают безэнергетические и энергетические способы. Первые реализуются на базе природных или вторичных ресурсов тепла и холода, вторые – с использованием трансформируемых внешних энергоресурсов.

Техническая реализация теплотехнических способов осуществляется с помощью средств и систем регулирования, представляющих собой инженерные конструкции, обеспечивающие изменение термодинамических параметров рабочего тела или регулируемого объекта в заданных пределах.

Средства и системы регулирования различают по нескольким факторам: по условиям эксплуатации – наземные и подземные, по обратимости физического воздействия на объект – обратимые и необратимые, по характеру применяемых средств – горно-физические и теплотехнические, по мобильности – стационарные и передвижные, по широте охвата – общешахтные, групповые, местные, локальные и индивидуальные.

На шахтах и рудниках нашли широкое применение теплотехнические системы подогрева (калориферные установки) и охлаждения (холодильные установки). Первые включают устройства для выработки тепловой энергии путем сжигания различных видов топлива или преобразования электрической энергии в тепловую, ее трансформации (котельные), доставки к источникам потребления (паро- и водопроводы) и передачи потребителю (калориферы). Системы охлаждения включают установки для передачи тепловой энергии от холодного источника к горячему (холодильные машины), устройства для отвода тепла в окружающую среду (градирни), доставки промежуточного холодоносителя (циркуляционные трубопроводы) и теплообменники (воздухо- и водоохладители).

Теплотехнические системы являются базовыми при оценке эффективности других способов и систем, например, горно-физических, в которых одним из основных элементов для аккумулирования тепла или холода является участок самого горного массива. Горно-физические системы позволяют успешно использовать природные и вторичные ресурсы теплоты и холода и в последние годы находят все более широкое применение на шахтах и рудниках.

Рекомендуемая литература

1. Гончаров С.А. Термодинамика. Учебник для вузов. – М.: Изд-во МГГУ, 1997.

2. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах. – М.: Недра, 1983, 312 с.

3. Кравченко В.Т., Шувалов Ю.В. Тепловой режим глубоких рудников. – М.: Недра, 1993.

4. Вукалович М. П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение,1972,670 с.

5. Лыков А.В. Теория теплопроводности, М.: Высшая школа, 1967. 596 с.

6. Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. М.: Недра, 1977, 359 с.