Full Text

Введение Ведение горных работ на залежах полезных ископаемых относительно неглубоких (с глубиной ведения горных работ до 500 метров), географически расположенных в районах с характерным теплым климатом, влечет за собой проблему выпадения избыточного количества влаги в главных воздухоподающих выработках. Поскольку для указанного интервала глубин температура горных пород невысока (15-18 °С), в теплый период времени теплый и влажный воздух, поступающий в горные выработки, охлаждается, и в выработках конденсируется значительное количество влаги. Особенно остро проблема выпадения влаги стоит в регионах с теплым и влажным климатом. Выпадение влаги в рудниках на главных воздухоподающих (транспортных) выработках влечет за собой целый ряд нежелательных последствий, среди которых можно выделить: 1) коррозию и аварийность оборудования и транспорта; 2) нарушение систем автоматики и энергоснабжения; 3) выпадение и накопление конденсационных рассолов в транспортных выработках создает трудности проезда автотранспорта, доставляющего горнорабочих до забоев. При этом если пренебрежение распределением влажностных показателей допустимо на угольных шахтах, металлических и полиметаллических рудниках, то в условиях калийных рудников указанные явления имеют особое значение, поскольку при этом в воздушной среде и на почве горных выработок образуются агрессивные компоненты, которые наносят значительный ущерб на всех участках рудника. Кроме того, насыщение влагой гигроскопичных горных пород, в особенности глинистых прослоек массива, снижает их физико-механические свойства и ведет к уменьшению устойчивости горных выработок и целиков, создает опасность ведения горных работ [1-3]. Наиболее наглядно указанный ущерб можно проследить при рассмотрении нарушения электроснабжения рудника, простоев транспорта и технологического оборудования. Ущерб, связанный с выходом из строя средств автоматики и нарушением электроснабжения рудника, заключается, прежде всего, в простоях отдельных участков или панелей при отключении электроэнергии. Расчет ущерба от выхода из строя средств автоматики, нарушения электроснабжения рудника, простоев технологического оборудования и транспорта проводился на основе статистической обработки данных дежурных диспетчеров калийных рудников в течение нескольких лет. Полученные численные данные указывают на резкое возрастание числа отключений энергии и простоев оборудования в период с мая по октябрь каждого года. В частности, результаты многолетних статистических исследований на калийных рудниках показывают [4], что выпадение влаги в теплый период времени приводит к увеличению в два раза количества простоев технологического оборудования и в 1,89 раза - к увеличению простоев самоходного транспорта на руднике. Количественное определение экономических убытков затруднительно по причине отсутствия для этого методической базы. Однако и при отсутствии расчетов понятно, что дополнительные простои горного производства и выход из строя дорогостоящего горного оборудования влекут за собой значительные материальные убытки. Проблемами осушения воздухоподающих горных выработок наиболее интенсивно занимались аэрологи и теплофизики калийных и каменносоляных рудников, среди которых можно выделить исследования И.И. Медведева, А.Е. Красноштейна [5], Б.П. Казакова [6], Н.Д. Лужецкой [7], Л.Ю. Левина [8] и других [9, 10]. Осушение воздуха, поступающего в горные выработки, как средство нормализации микроклиматических параметров в рабочих зонах рассмотрено в работe [11]. В исследовании [4] предложены комплексные схемы формирования и нормализации микроклимата калийных рудников, в том числе осушения воздухоподающих горных выработок. В частности, разработаны следующие технические решения: - многоступенчатая система обработки и регулирования микроклиматических параметров рудничного воздуха, включающая в себя технологические узлы обработки воздуха на поверхности, в околоствольных дворах и отдельных участках подземных горных выработок; - использование специальных тепломассообменных выработок с применением энергии и сорбционных свойств породного массива, энергетической емкости подземных рассолосборников; - использование рециркуляционного проветривания. При этом следует отметить, что реализация на практике систем кондиционирования (осушения) рудничного воздуха требует неоправданно больших капитальных затрат. Возможность использования рециркуляционного проветривания доказана с помощью полученных экспериментальных данных, однако детальных исследований, посвященных изучению механизмов осушения атмосферы горных выработок при использовании систем рециркуляции, не проводилось. В работах [12-14] отражены исследования производительности разного рода систем осушения шахтного воздуха, выполненные зарубежными учеными. В исследовании [8] предлагается применение водяных калориферных установок рудника для охлаждения воздуха, поступающего в ствол, и его конденсационного осушения. Однако использование данного мероприятия на практике требует разработки калориферных установок и теплообменных аппаратов в ином исполнении, нежели существующие. Это связано с образованием значительного количества конденсационной влаги на элементах теплообменных аппаратов, что совместно с наличием соляной пыли создает агрессивную среду и приводит к их скорому разрушению и выходу из строя. Таким образом, для реализации данного мероприятия необходимо создание новых, двухсезонных калориферных установок в особом, влагоустойчивом исполнении, что также приведет к резкому возрастанию их стоимости. В настоящее время на калийных рудниках широкое применение нашли системы автоматического управления проветриванием (САУП), которые позволяют строить наиболее эффективные и надежные системы вентиляции. Разработка систем автоматического управления проветриванием имеет следующие концептуальные направленности: - повышение оперативности контроля и управления проветриванием подземных рабочих зон и, соответственно, повышение безопасности ведения горных работ; - снижение энергетических затрат на обеспечение вентиляции рудника. Разработке теоретических и технических основ построения САУП посвящены работы Ф.А. Абрамова [15], Л.А. Пучкова [16], С.В. Цоя [17], Б.П. Казакова, Ю.В. Круглова, Л.Ю. Левина [18-21] и других [22-24]. Концепция САУП и опыт применения системы на рудниках зарубежных горнодобывающих предприятий описаны в работах [25-29]. На сегодняшний день разработаны и опробованы на практике следующие технические средства САУП: 1) вентиляторные установки с частотным регулированием привода, позволяющие в широком диапазоне регулировать аэродинамические и мощностные параметры работы; 2) рециркуляционные установки с необходимой системой контроля аэродинамических и газодинамических параметров проветривания отдельных участков шахтного поля; 3) автоматические вентиляционные двери, обеспечивающие возможность плавного регулирования аэродинамического сопротивления. В цикле работ построена теория и алгоритмическая база, разработаны соответствующие программные модули, позволяющие регулировать работу элементов САУП и обеспечивать оптимальные режимы проветривания, характеризующиеся такими параметрами работы средств управления вентиляцией, что все рабочие зоны рудника получают необходимое количество воздуха при одновременной минимизации мощности, потребляемой вентиляторными установками вентиляционной сети [20]. Несмотря на то что средства САУП открывают широкие возможности управления аэродинамическими характеристиками движения воздушных потоков в горных выработках, возможность их использования для управления температурно-влажностными параметрами рудничного воздуха обычно не рассматривается. В то же время можно считать доказанным влияние аэродинамических характеристик проветривания на формирование термовлажностных параметров рудничной атмосферы [30-32]. В работах [33-35] описан опыт моделирования процессов теплообмена и управления термодинамическими процессами в горных выработках глубоких рудников зарубежных горных предприятий. В данном исследовании рассматриваются возможности использования средств САУП для управления термодинамическими процессами в атмосфере шахт и рудников и уменьшения количества конденсируемой влаги в калийных рудниках в теплый период времени года. На первом этапе исследована зависимость интенсивности выпадения влаги в выработке от расхода воздуха. Зависимость интенсивности выпадения влаги от расхода воздуха Скорость выпадения влаги зависит от расхода воздуха в горной выработке и изменения его влагосодержания: (1) где m - масса влаги, кг; d - влагосодержание воздуха, кг/кг, определятся по I-d диаграмме; T - температура воздуха, °С; φкр - критическая относительная влажность воздуха, %; P - абсолютное давление воздуха, Па; r - плотность воздуха, кг/м3; Q - расход воздуха в выработке, м3/с. Через изменение температуры данное выражение можно представить в виде (2) Входящую в выражение частную производную влагосодержания от температуры можно вычислить следующим образом: (3) Разница температуры между началом и концом участка горных выработок в установившемся режиме может быть определена при помощи выражения: (4) где T0 - температура воздуха в начале выработки, °С; Tm - температура стенок горной выработки, °С; P - периметр выработки, м; α - коэффициент теплоотдачи на стенке выработки, Вт/м2∙°С; L - длина выработки, м; c - удельная теплоемкость воздуха, Дж/м3∙°С; S - площадь сечения выработки, м2; v - скорость движения воздуха по выработке, м/с. В данном случае процесс теплообмена считается установившимся, то есть квазистационарным, и температура стенок массива локально во времени неизменна. Зависимость коэффициента теплоотдачи α от скорости движения воздуха определяется формулой Щербаня [30]: (5) Подставляя выражения (5) и (4) и находя из исходного выражения (3) разность влагосодержания Δd, выражение для него получаем в виде: (6) Из полученного выражения следует, что разность влагосодержания между началом и концом участка слабо зависит от скорости движения воздуха по горным выработкам, что физически эквивалентно утверждению о том, что увеличение/уменьшение времени теплообмена практически полностью компенсируется уменьшением/ увеличением его интенсивности. Таким образом, разница влагосодержания воздуха в начале и конце участка слабо зависит от расхода воздуха (увеличение времени теплообмена компенсируется уменьшением его интенсивности). На основании этого можно принять, что скорость выпадения влаги на участке горных выработок линейно зависит от расхода воздуха через участок: (7) где коэффициент K, равный количеству конденсируемой влаги в выработке, отнесенному к расходу воздуха в ней, в первом приближении можно считать не зависящим от расхода воздуха (в действительности в соответствии со всем вышеизложенным зависимость существует, но слабая). Данный коэффициент определяется только параметрами теплового режима рудника в теплый период времени года - температурой и влажностью воздуха, поступающего в рудник, и температурой горных пород. Способы осушения горных выработок с использованием средств систем автоматического управления проветриванием Во введении было показано, что существующая концепция применения САУП не ориентирована на их использование в качестве средства регулирования термовлажностных параметров в атмосфере горных выработок. В то же время, как уже было показано и рассмотрено, аэродинамические параметры, такие как распределение скоростей и давлений в рудничной вентиляционной сети, самым непосредственным образом влияют на формирование распределения тепла и влаги в горных выработках рудника. Таким образом, управляя аэродинамическими параметрами посредством возможностей САУП, можно влиять на формирование микроклиматических параметров атмосферы шахт и рудников. Поэтому рассмотрим возможности использования средств САУП для управления термодинамическими процессами, происходящими в рудничной атмосфере, на основе установленной зависимости количества влаги, выпадающего в единицу времени, в виде выражения (7). Согласно принятым техническим нормативам подачу воздуха осуществляют с некоторым запасом, определяемым на этапе расчета количества воздуха через коэффициенты утечек и неравномерности. Коэффициент неравномерности характеризует погрешность управления аэродинамическими параметрами средств системы вентиляции. Так, при известной относительной погрешности средств отрицательного регулирования εR необходимый коэффициент запаса будет определяться следующим образом: (8) В итоге в подземные выработки рудника будет подаваться избыточное количество воздуха ΔQ, равное: (9) где Qрасч - фактическое расчетное количество воздуха без учета коэффициента неравномерности. а б Рис. Традиционная схема (а) размещения средств рециркуляционного проветривания и зоны выпадения влаги в воздухоподающих выработках и предлагаемая схема (б) размещения средств рециркуляционного проветривания для осушения главных воздухоподающих выработок и камер служебного назначения Соответственно в рудник в каждый момент времени будет заноситься дополнительное количество влаги в объеме: (10) Согласно результатам последних исследований, традиционные средства отрицательного и положительного управления воздухораспределением создают фактические коэффициенты неравномерности в интервале от 1,3 до 1,6. Даже несмотря на этот факт, нормативные коэффициенты неравномерности на калийных рудниках колеблются в интервале от 1,1 до 1,25. На практике это приводит к выпадению от 10 до 25 % дополнительной влаги (от общей массы) в рудник в теплый период времени. Одна из основополагающих идей использования САУП заключается в том, что средства контроля и управления воздушными потоками позволяют в разы увеличить точность (соответственно снизить погрешность) регулирования. Погрешность регулирования воздухораспределения при помощи автоматических вентиляционных дверей (АВД) и рециркуляционных установок составляет от 8 до 10 %, что позволяет обеспечивать коэффициент запаса не более 1,05. Таким образом, использование САУП позволяет снижать подачу избыточного количества воздуха и, соответственно, выпадение конденсационной влаги в воздухоподающие выработки рудника. Важным компонентом современных САУП являются системы рециркуляционного проветривания для частичного повторного использования воздуха. В работах [36-39] рециркуляция рассматривается как потенциальный метод энергосбережения за счет уменьшения внешнего притока воздуха. Кроме того, системы рециркуляционного проветривания могут быть рассмотрены в качестве средства осушения горных выработок. В работах [4, 40, 41] показано, что воздушный поток, двигаясь по выработкам в гигроскопичных горных породах, осушается вследствие массообменных процессов между воздухом и породами. Таким образом, воздух естественным образом осушается и может быть использован для осушения воздухоподающих выработок. Существующие схемы частичного повторного использования воздуха предполагают установку рециркуляционных вентиляторов за пределами околоствольных дворов и камер служебного назначения так, как это приведено на рисунке. Это вызвано двумя причинами: - неблагоприятным режимом работы рециркуляционных установок в условиях высоких общешахтных депрессий, характерных для околоствольных дворов верхних горизонтов; - возможностью улучшения вентиляции удаленных участков шахтного поля. Основная задача рециркуляционных установок - обеспечить возможность снижения количества воздуха, подаваемого в рудник, за счет работы главной вентиляторной установки. Однако при таком их размещении в контур не попадают участки главных воздухоподающих выработок и камеры служебного назначения, расположенные в околоствольном дворе, а именно с ними связаны основные проблемы выпадения влаги в теплый период времени года. Таким образом, в теплый период времени года все эти участки обводнены так, как это показано на рисунке, а. Поэтому учет фактора возможности осушения данных выработок позволяет иметь в виду вероятность переноса места размещения рециркуляционной установки с целью вовлечения максимально возможного объема выработок в рециркуляционный контур. При этом установка автоматических средств отрицательного регулирования в главных вентиляционных выработках в районе их сопряжения с вентиляционным стволом создает возможность управления величиной общешахтной депрессии околоствольного двора и отдельных направлений. Это позволяет нивелировать сложности обеспечения работы рециркуляционных установок в зоне со значительной величиной общешахтной депрессии. На рисунке, б, представлена усовершенствованная схема рециркуляционного проветривания с использованием средств САУП для осушения воздухоподающих выработок и камер служебного назначения. К вопросу о работе рециркуляционных установок в зоне с большей депрессией главной вентиляторной установки, направленной против работы рециркуляционного вентилятора. Для обеспечения устойчивости его работы требуется обязательное размещение АВД вблизи рециркуляционной установки, вне контура для регулирования воздухораспределения между направлениями рудника, и снижение нагрузки на рециркуляционную установку. При этом изменение сопротивления АВД эквивалентно изменению приведенной эквивалентной напорной характеристики главной вентиляторной установки на направлении, на котором работает рециркуляционная установка. Таким образом, использование средств САУП позволяет значительным образом расширить объем горных выработок, задействованных в рециркуляционном проветривании в пределах шахтного поля, и область изменения его параметров, подбирая наиболее эффективные для осушения камер служебного назначения и транспортных выработок рудника. Заключение На основании результатов исследований использования средств САУП для управления термодинамическими процессами в рудничной атмосфере можно сделать следующие выводы: - количество конденсируемой влаги в горной выработке в единицу времени в теплый период времени года в основном определяется расходом воздуха, начальными микроклиматическими параметрами воздуха и температурой массива горных пород; - применение САУП на калийных рудниках позволит снизить нормативные коэффициенты неравномерности, что приводит к снижению количества влаги на главных воздухоподающих выработках; - установка автоматических вентиляционных дверей на главных вентиляционных выработках в районе их сопряжения с вентиляционным стволом создает благоприятные условия работы рециркуляционных установок, осушающих комплекс камер служебного назначения. На основании полученных результатов разработаны и внедрены системы осушения выработок околоствольного двора и главных воздухоподающих штреков с использованием средств систем автоматического управления проветриванием для всех рудников ОАО «Беларуськалий».

About the authors

Artem V. Zaitsev

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Ksenya M. Ageeva

Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

References

Statistics

Views

Abstract - 331

PDF (Russian) - 162

PDF (English) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.