Полный текст

Введение На всех подземных горно-добывающих предприятиях с целью обеспечения условий безопасности производственного процесса согласно [1] подаваемый в воздухоподающие стволы воздух в холодное время года необходимо нагревать в шахтных калориферных установках (ШКУ) до обеспечения в стволе температуры не ниже +2 °С. При этом одной из основных проблем, возникающих в процессе воздухоподготовки в холодное время года, является нормализация теплового режима в воздухоподающих стволах. Согласно [2-5] вызвана она тем, что в воздухоподающий ствол поступает два потока воздуха: нагретый в ШКУ (QШКУ) и подсасываемый через надшахтное здание (Qн.зд) за счет общешахтной депрессии, создаваемой главной вентиляторной установкой (ГВУ) (рис. 1). Для поддержания требуемого теплового режима в стволе необходимо обеспечивать процесс смешения данных потоков. С этой целью требуется регулировать производительность и давление, развиваемое нагнетательными вентиляторами ШКУ, а также расход теплоносителя [6]. Фактически во многих случаях наблюдается ситуация, когда температура воздуха, подаваемого в воздухоподающие стволы, значительно превышает установленное правилами безопасности значение, что ведет к нарушению теплового режима в них, а также приводит к перерасходу энергоресурсов, затрачиваемых на работу ШКУ [7-9]. Связано это с тем, что при поступлении в воздухоподающий ствол нагретого (легкого) воздуха и выдаче по вентиляционному стволу более холодного (более тяжелого) воздуха между стволами образуется перепад гидростатических давлений, который носит название отрицательная общерудничная естественная тяга (тепловая депрессия), направленная навстречу требуемому движению воздуха [10-18]. В зависимости от значения общерудничной естественной тяги изменяется производительность ГВУ, в результате чего режим ее работы необходимо переводить в область более высоких давлений. В связи с этим увеличиваются затраты электроэнергии на обеспечение проветривания. В связи с тем что оба вышеупомянутых процесса («перегрев» воздуха, т.е. нагрев его до температуры значительно большей требуемой и вызванная в результате этого отрицательная общерудничная естественная тяга) увеличивают затраты энергоресурсов, необходимо разрабатывать и применять технические решения, позволяющие обеспечить энерго- и ресурсосбережение при воздухоподготовке в холодное время года. Причины энергозатратности процесса воздухоподготовки в холодное время года В 50-70-х гг. в СССР, когда высокими темпами проектировались и строились новые, восстанавливались разрушенные шахты и рудники, вопрос ресурсо- и энергосбережения при добыче полезного ископаемого не был актуальным. Ему начали уделять внимание сравнительно недавно. Так, например, согласно [19] при проведении воздушно-депрессионной съемки в холодное время года на руднике БКПРУ-1 ПАО (ранее ПО) «Уралкалий» в 1988 г. было установлено, что температура воздуха в стволах достигала 24-28 °С, т.е. была выше требуемой в 12-14 раз. В работах [6, 20] процесс воздухоподготовки в холодное время года предлагается автоматизировать с учетом изменяющихся климатических условий и величины общерудничной естественной тяги. В случае, если при расчете и моделировании принимать воздухоподающий ствол за полый цилиндр, как это делалось ранее, поставленная задача решается без особых проблем. Однако результаты работ [3, 5] показали ошибочность принятия подобных допущений, так как ствол армирован, в результате чего он разделяется на участки с различными сечениями. В этом случае скорости, а следовательно, и объемный расход в каждом из сечений будут различными, т.е. и нагрев воздуха в них будет производиться неравномерно. На рис. 2, 3 представлены результаты моделирования процесса распределения тепловых потоков воздуха в воздухоподающем стволе с учетом его армировки. Как видно из рис. 2, 3, в стволе присутствуют участки холодного воздуха. При этом по мере движения вниз по стволу участки холодного воздуха перемещаются в другие области, лишь незначительно увеличивая свою температуру. По мере увеличения температуры поступающего воздуха с 5 до 9 °С (см. рис. 2) распределение тепловых потоков по стволу не изменяется, а лишь незначительно повышается температура в зонах холодного воздуха. Таким образом, можно сделать вывод о том, что только при значительном повышении температуры воздуха, подаваемого по калориферному каналу, участки с температурой воздуха, близкой или равной критической (+ 2 °С), будут исчезать, т.е. только при «перегреве» воздуха. Наличие в воздухоподающем стволе участков тепловых потоков, имеющих различную температуру, приведет к тому, что в нем самом появится перепад давлений - так называемая «внутристволовая естественная тяга (тепловая депрессия)», которая может полностью препятствовать поступлению воздуха в ствол, т.е. в нем образуется «воздушная пробка» [18, 21]. Данная задача до сих пор не решена, и в воздухоподающих стволах наблюдается неравномерное распределение тепловых полей, что приводит к описанным выше проблемам. Описание ШКУ, расположенной по периметру надшахтного здания, и моделирование процесса ее работы В связи с тем что проблему смешения нагретого в ШКУ и подсасываемого через надшахтное здание потоков воздуха решить довольно сложно, была разработана конструкция ШКУ, в которой предлагается отказаться от применения калориферного канала [22-24]. Нагреваемый воздух при этом засасывается в ШКУ за счет общешахтной депрессии, создаваемой ГВУ (рис. 4). Кроме воздуха, поступающего через ШКУ, в воздухоподающий ствол поступает холодный наружный воздух через скиповые окна. С целью определения эффективности применения предлагаемой ШКУ процесс воздухоподготовки в ней и последующей подачи нагретого воздуха в ствол был смоделирован в программном пакете Soldworks Flow Simulation. Результаты моделирования представлены на рис. 5. Как видно из рис. 5, за счет того что ШКУ состоит из теплообменников, расположенных по периметру надшахтного здания, поток холодного воздуха, поступающего через скиповые окна, смешивается в устье воздухоподающего ствола. Наличие в надшахтном здании скиповых окон приводит к тому, что температура исходящего из ШКУ воздуха близка к +8 °С. При этом в стволе наблюдается распределение тепловых полей с незначительным температурным разбросом. В случае подачи воздуха в воздухоподающий ствол по калориферному каналу при таких же температурах нагретого и наружного воздуха (см. рис. 2, 3) распределение теплого поля в стволе неравномерно. Заключение В результате моделирования процесса воздухоподготовки в ШКУ, расположенной по периметру надшахтного здания, подтвердились предположения об ее эффективности. Во-первых, в процессе воздухоподготовки в стволе нормализуется тепловой режим, т.е. исчезают участки со значительной разностью температур. В этом случае отсутствует вероятность возникновения «внутристволовой естественной тяги», в результате чего практически полностью исключается угроза образования в воздухоподающих стволах «воздушных пробок». Во-вторых, сравнительный анализ результатов моделирования работы действующей ШКУ и предлагаемой показал высокую эффективность последней. При одинаковых значениях температуры наружного и нагретого воздуха в стволе отсутствуют участки с температурой воздуха ниже установленной правилами безопасности только в случае работы предлагаемой ШКУ. Следовательно, при примерно одинаковом расходе теплоносителя процесс воздухоподготовки эффективен только при работе ШКУ, расположенной по периметру надшахтного здания. В-третьих, снижение температуры воздуха в стволе до комфортного и безопасного значения приведет к тому, что вместо упомянутой отрицательной тяги между стволами возникнет хоть и небольшая, но положительная общерудничная естественная тяга. В этом случае на работу ГВУ не потребуется дополнительно затрачивать электрическую энергию.

Об авторах

Николай Иванович Алыменко

Автор, ответственный за переписку.
Email: nik.alymenko@yandex.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

Александр Викторович Николаев

Email: nikolaev0811@mail.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

кандидат технических наук, доцент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий

Виктор Александрович Николаев

Email: nikolaev.va.pstu@mail.ru
614990, Россия, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29

старший преподаватель кафедры горной электромеханики

Антон Алексеевич Каменских

Email: anton.kamenskikh@mi-perm.ru
614007, Россия, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории геотехнологических процессов и рудничной газодинамики

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 269

PDF (Russian) - 30

Ссылки

• Ссылки не определены.