Формирование микроклиматических параметров атмосферы в

УДК 622.4
Формирование микроклиматических параметров атмосферы в воздухоподающих
стволах и главных выработках глубоких рудников
Зайцев А.В., Казаков Б.П., Семин М.А.
Ключевые слова: глубокие рудники, горные выработки, стволы, гидростатическое
сжатие, микроклиматические параметры.
Аннотация: В работе приведены результаты исследований процессов формирования
микроклиматических параметров атмосферы в воздухоподающих стволах и главных
выработках глубоких рудниках. Проведен анализ эффективности поверхностных систем
охлаждения воздуха и перспективные направления нормализации микроклиматических
условий в горных выработках глубоких рудников.
Formation of microclimatic parameters mining atmosphere in shafts and main excavations
in deep mines
Zaitsev A.V., Kazakov B.P., Semin M.A.
Keywords: deep mines, excavations, shafts, autocompression, microclimatic parameters.
Abstract: The article presents research result of formation microclimatic parameters mining
atmosphere in shafts and main excavations in deep mines. Effective surface bulk air cooler was
analyzed and perspective technology of normalization microclimatic parameters was presents.
Комплекс воздухоподающих стволов, выработок околоствольных дворов и главных
воздухоподающих выработок горизонтов ответственен за подачу всего количества
воздуха на проветривание рабочих зон горизонтов глубоких рудников. Поэтому
термодинамические преобразования воздуха при его движении по всем этим выработкам
определяют
начальные
микроклиматические
параметры
рудничного
воздуха,
поступающего на проветривание подготовительных, нарезных и очистных выработок
горизонтов.
В работах [1,2] проведено исследование факторов формирования теплового режима
и разработка программного модуля для прогноза микроклиматических параметров
воздуха в горных выработках глубоких рудников.
Для количественной оценки микроклиматических параметров воздуха необходим
расчет температурного поля воздуха в воздухоподающем стволе. На начальном этапе
произведем расчет распределения температуры по глубине ствола в случае отсутствия
поверхностной системы кондиционирования воздуха. Расчет производился на основе
моделей , для следующих условий: глубина ствола – 1500 метров, диаметр – 9 метров,
температура подаваемого в ствол воздуха задавалась в виде периодической функции с тем
ограничением, что в силу ПБ 03-553-03 она должна быть не ниже +2 °С. Скорость
движения воздуха по стволу 6 м/с. Микроклиматические параметры атмосферного
воздуха приняты на основании СНиП для района глубоких рудников ОАО «ГМК
«Норильский никель». На рисунке 1 приведены результаты расчёта сопряжённого
теплообмена между породным массивом и воздухом с учетом его гидростатического
сжатия.
Из
полученных
результатов
следует,
что
в
установившихся
режимах
проветривания температура возрастает с глубиной линейно, и в большей степени
определяется начальной температурой воздуха, подаваемого в ствол. В связи с этим
наиболее неблагоприятные тепловые условия формируются в летний период времени – на
глубине 1800 метров температура воздуха, поступающего на проветривание горизонта,
уже достигнет предельно допустимых +26 °С.
18 месяцев (лето)
1 месяц (зима)
12 месяцев (зима)
Рисунок 1. График изменения температуры воздуха по глубине ствола спустя год
после начала проветривания без применения поверхностной системы
кондиционирования
2
Основным фактором, определяющим формирование температурного поля воздуха в
стволах, является процесс гидростатического сжатия, исключить влияние которого
физически не возможно. Поэтому единственно возможным решением задачи снижения
температуры воздуха, поступающего по стволам на проветривание горизонтов глубоких
рудников,
является
обеспечение
минимально
возможной
температуры
воздуха,
подаваемого в ствол за счет использования системы поверхностного охлаждения воздуха.
Однако существующими «Едиными правилами безопасности …» имеется ограничение +2
°С на минимальное значение температуры воздуха, поступающего в горные выработки.
Рассмотрим вариант, когда в течении года в рудник подается воздух с минимально
возможной температурой воздуха за счет применения системы поверхностного
кондиционирования воздуха. При этом в зимний период времени воздух, поступающий в
шахту, подогревается до температуры +2 °С, а в летний период времени, охлаждается до
температуры +2 °С. На рисунке 2 представлены результаты расчета распределения
температуры воздуха по глубине воздухоподающего ствола при наличии поверхностной
системы кондиционирования воздуха, обеспечивающей круглогодичное поддержание
минимально возможной температуры воздуха, поступающей в ствол.
1 месяц
12 месяцев
Рисунок 2. График изменения температуры воздуха по глубине ствола при наличии
поверхностной системы кондиционирования, обеспечивающей круглогодичное
поддержание температуры воздуха в устье ствола +2°С
Согласно результатам расчета на глубине 1800 метров обеспечивается поддержание
приемлемой температуры +16 °С, а температуры +26 °С воздух достигает только на
глубине 3100 метров.
На основании рассчитанной температуры воздуха, поступающей на проветривание
горизонта на глубине 2000 метров, проведено моделирование тепловых условий в
3
выработках околоствольного двора и главных воздухоподающих выработках. Как
показывают
результаты
расчёта,
падение
расхода
воздуха,
вызванное
его
перераспределением в выработках околоствольного двора и резкое увеличение
поверхности теплообмена, приводит к интенсивному нагреву воздуха. Поэтому зона
комфортных микроклиматических условий составляет 1000-1500 метров и уменьшается с
увеличением глубины. При наличии крепления выработок монолитным бетоном
снижается интенсивность теплообмена между рудничным воздухом и горным массивом и,
следовательно, происходит увеличение радиуса зоны.
Принципиальная схема поверхностной системы охлаждения воздуха
с основными
результатами формирования температур воздуха рудничной атмосферы приведена на
рисунке 3.
Поверхностная установка
кондиционирования
воздуха
2000 метров
+ 2 °С
+ 45 °С
+ 26 °С
+ 19 °С
+ 45 °С
+ 19 °С
+ 26 °С
Главные воздухоподающие выработки и
выработки ОД в радиусе 1000-1500 метров
Рисунок 3. Принципиальная схема поверхностной системы охлаждения воздуха.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о применимости
системы поверхностного охлаждения для нормализации температуры воздуха в пределах
выработок околоствольных дворов и главных воздухоподающих выработок.
4
Для повышения эффективности применения системы поверхностного охлаждения и
увеличения
зоны
распространения
зоны
охлажденного
воздуха
целесообразно
рассмотрение следующих мероприятий:

снижение минимальной температуры воздуха, подаваемого в рудник;

проведение воздухоподающих выработок со специально подобранными
геометрическими
и
аэродинамическими
параметрами,
закрепленных
теплоизоляционными крепями.
Снижение
температуры
воздуха,
подаваемого
в
рудник,
приводит
к
пропорциональному снижению асимптотического во времени значения температуры
воздуха в месте сопряжения ствола с глубокими горизонтами. Также это позволит
уменьшить энергопотребление главной калориферной установки в холодный период года.
Однако обоснование возможности снижения температуры воздуха, подаваемого в рудник,
требует
дополнительных
исследований
обводненности
пластов
горных
пород,
пересекаемых стволом, крепи ствола, его эксплуатационной нагрузки и т.д.
Вывод – использование поверхностных систем кондиционирования воздуха без
дополнительных технических мероприятий позволяет нормализовать температуру воздуха
лишь в районе выработок околоствольных дворов и главных воздухоподающих
выработок. В дальнейшем, при распараллеливании движения воздушных потоков в
подземной сети выработок, увеличении поверхности и времени теплообмена, рудничный
воздух быстро принимает температуру окружающего массива. В связи с этим
нормализация микроклиматических параметров воздуха в очистных и подготовительных
горных выработках требует применения дополнительных технических мероприятий.
Список литературы
1) Казаков Б.П., Шалимов А.В., Зайцев А.В. Нестационарный сопряженный
теплообмен между рудничным воздухом и породным массивом в условиях глубоких
рудников // Известия вузов. Горный журнал. – 2013. №1 – с. 26-32.
2) Зайцев А.В. Исследование процессов формирования теплового режима глубоких
рудников // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных
ископаемых: Тезисы докладов V Всероссийской конференции. – 2012. – с. 94;
3) Mackay L., Bluhm S., Van Rensburg J. Refrigeration and cooling concepts for ultradeep platinum mining. The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition «Boom
or Bust», The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010;
4) McPherson M.J. Subsurface ventilation engineering. – Chapman & Hall, 2009. – 824 p.
5
5) ПБ 03-553-03. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и
россыпных месторождений подземным способом.
6