книги / Рудничная аэрология.-1

ископаемого — 8,3 и 9,1%; от механической работы и электроэнер­ гии — 9,3 и 8,2% и от прочих источников —- 6,3 и 4,9%. Таким обра­ зом, основное количество тепла поступает в шахты из горных пород и в результате окислительных процессов. В рудниках Кривого Рога, по имеющимся данным, тепловыделение из пород находится на уровне 30%, а 70% приходятся на все остальные источники.

Тепловой баланс угольных шахт, расположенных в области вечной мерзлоты, можно проиллюстрировать данными, полученными на шахте «Центральная» Сангарского рудоуправления. Согласно этим данным, теплоотдача от породного массива составляет 63%, от транспортируемого полезного ископаемого — 10%, от электро­ возной откатки — 15%, от работы механизмов и электрических потерь — 7,2% и от людей — 4,8%.

Поскольку наибольшее влияние на температуру воздуха в уголь­ ной шахте оказывает тепловыделение из горных пород и вследствие того, что расстояние от воздухоподающего ствола до очистных забоев достигает нескольких километров, температура воздуха в по­ следних близка к температуре пород. Суточные колебания темпера­ туры воздуха на поверхности выравниваются уже в околоствольных дворах и практически не отражаются на температуре воздуха в очи­ стных забоях. Что касается сезонных колебаний, то по некоторым за­ мерам температура воздуха зимой в начале лав на 3—5° С, а в конце лав на 1—3° С меньше, чем летом. На больших глубинах следует ожидать, что снижение температуры в лавах зимой будет еще менее значительным.

В гидрошахтах на достигнутых в настоящее время глубинах (200—400 м) в отличие от шахт с обычпой технологией добычи в зим­ нее время температура воздуха ниже летней на 4—12° С, при про­ ветривании очистных забоев проходческими вентиляторами темпера­ тура в них достигает +24,4° С при температуре пород + 6 ° С. Высо­ кая температура вентиляционной струи в сочетании с небольшими скоростями движения воздуха, наблюдаемыми в гидрошахтах, и высокой относительной влажностью, находящейся в пределах 95— 100%, создают зачастую на рабочих местах в выработках гидро­ шахт дискомфортные условия.

Тепловые расчеты для определения ожидаемой температуры воздуха в очистных и подготовительных забоях совершенно необ­ ходимы при проектировании глубоких шахт, а также шахт любой глубины, расположенных в области вечной мерзлоты, в целях уста­ новления необходимости искусственного охлаждения или нагрева воздуха и получения необходимых данных для расчета холодиль­ ных машин или калориферов.

§ 26. Методы тепловых расчетов

Тепловой расчет производится для шахтных стволов, выработок, проветриваемых длительное время, вновь проведенных выработок, лав, тупиковых выработок* находящихся в проходке. Ниже приве­ дена методика некоторых расчетов.

Расчет температуры воздуха в шахтных стволах. Температура воздуха 12 в околоствольном дворе шахты глубиной до 900 м

h— средняя температура воздуха в данной местности в расчет­ ном месяце, взятая по данным метеостанции;

Н- глубина ствола, м ;

2<?м - метановыделение из местных источников, ккал/ч;

G— количество воздуха, проходящего по стволу, нг/ч; коэффициент уравнения квадратичной зависимости измене­

ния влагосодержания от температуры; берется по табл. 8; <*! - влагосодержание насыщенного воздуха в устье шахты, г/иг; <Pi - относительная влажность воздуха в устье ствола, приве-

760

денная к давлению 760 мм р т . ст.\ фЬ2 = -g - ф'(ф' и В —

замеренные относительная влажность и давление). При составлении проектов можно принимать давление в устье

N 2= K 2— 0 ,2 5 D 2i4i ;

/н#3 — температура нейтральной зоны пород в данной местности, °С; hH3 — глубина залегания нейтральной зоны пород, м ;

Нт — геотермическая ступень, м/град.

П р и м е ч а н и е . Здесь dH — влагосодержание воздуха в произвольной точке вентиля­ ционной сети в зависимости от изменения температуры А/, °С.

Коэффициент нестационарного теплообмена для относительно недавно проведенных выработок, проветриваемых до года,

=— ^ - / ( z ) J , ккал/(м2 •наград),

где а — коэффициент температуропроводности массива, м2/ч, равный (средние условия Донбасса) для песчаников 0,00437, гли­ нистых и песчанистых сланцев 0,00293 и для углей 0,00074;

т — время проветривания выработки, ч. Значения функции / {z) определяются по табл. 9.

Расчет температуры в горизонтальных и наклонных выработках, проветриваемых более года. Температура воздуха в конце выработки определяется из уравнения

Тепловыделение 2 (?м обусловлено охлаждением добытого полез­ ного ископаемого и шахтной воды, тепловыми потерями в электри­ ческих машинах, кабелях и осветительных приборах, выделением тепла при механической работе и людьми.

Влияние охлаждения добытого полезного ископаемого QOXJl определяется по формуле

Д tnj A ty — средний температурный напор от породы и угля к воз­

где т Т — потери в шахтном трансформаторе, в среднем равные 0,05; от осветительпых приборов

AÇooB= 860iV’f ккал/ч;

при работе конвейера

ДQK= 860 (NK± 0,00273AKL sin ф), ккалЦч9

Приведенное краткое изложение некоторых тепловых расчетов может служить лишь иллюстрацией к этому особому разделу руд­ ничной аэрологии.

Тепловые расчеты в глубоких металлических рудниках не имеют каких-либо принципиальных отличий от изложённых, но, конечно, теплофизические константы изверженных и метаморфизированных горных пород в рудниках и осадочных пород в угольных бассейнах отличаются значительно. Кроме того, по-разному протекают про­ цессы окисления угля и руд, неодинакова насыщенность механиз­ мами в угольных шахтах и рудниках, что, несомненно, накладывает отпечаток на тепловой баланс, но не на методику расчета.

Исследование теплового режима и разработка методики тепловых расчетов рудников выполнены Днепропетровским горным инсти­ тутом.

Значительными особенностями характеризуются тепловые рас­ четы шахт, расположенных в области распространения вечной мерз­ лоты. Эти особенности связаны прежде всего с тем, что в процессах тепло-массообмена принимает участие скрытая теплота агрегатных

переходов «лед — вода — лед» и «лед — пар — лед» при от­ таивании и промерзании окружающих выработки пород и руднич­ ных вод. Наблюдается знакопеременный характер процессов неста­ ционарного теплообмена и массообмена в выработках вследствие резких сезонных колебаний температуры поступающего в шахты воздуха, особенно с учетом того, что на целом ряде шахт до сих пор не применяется искусственный подогрев поступающей струи в зимний период.

Исходя из условий устойчивости выработок, в шахтах области вечной мерзлоты рекомендуется в течение всего года поддерживать отрицательную температуру в пределах от —3 до —10° С в зимнее и от —3 до —6° С в летнее время. Естественно, что при отрицатель­ ных температурах рекомендуемые Правилами безопасности допусти­ мые скорости движения воздуха слишком велики и для этих шахт неприменимы. Поэтому еще в 30-х годах доц. А. А. Гескин, изу­ чавший метеорологические условия в рудниках «Баренцбург» и «Грумант-Сити» на о. Шпицбергене, рекомендовал при проектиро­ вании шахт, расположенных в области вечной мерзлоты, принимать скорость движения воздуха в стволах, в которых производится подъем людей, не более 3 м/сек, в штреках, бремсбергах и укло­ нах — 2 м/сек и в очистных выработках — 1 м/сек.

Проф. Ю. Д. Дядькин рекомендует определять допустимую ско­ рость по известной температуре или, наоборот, допустимую темпе­ ратуру для той или иной скорости по следующим формулам:

в забоях тупиковых выработок и очистных камерах

(IV,10)

(IV,И)

[ § 27. Меры борьбы с высокими температурами в горных выработках

Борьба с высокими температурами в шахтах в настоящее время ведется путем выполнения ряда горнотехнических мероприятий и при помощи искусственного охлаждения воздуха.

Горнотехнические мероприятия сводятся к улучшению вентиля­ ции, проведению мер борьбы с тепловыделениями по пути движения вентиляционной струи, а также к применению таких вариантов схем вскрытия, при которых нагревание вентиляционной струи будет минимальным.

Улучшение вентиляции способствует снижению температуры в шахте. В частности, с увеличением дебита струи она нагревается меньше, благодаря тому что тепло, выделяющееся в выработку, рас­ пределяется на больший объем воздуха. Кроме того, увеличение дебита, как правило, сопровождается повышением скорости струи. Несмотря на то что при этом теплоотдача от стенок выработки в еди­

ницу времени возрастает, нагревание воздуха вследствие уменьшения времени его прохождения по выработкам уменьшается. Однако возможности увеличения дебита ограничены, так как в современных глубоких шахтах, разрабатывающих пласты повышенной газонос­ ности, скорости движения воздуха близки к предельно допустимым по ПБ.

Вариант улучшения тепловых условий путем подачи свежего воздуха по вентиляционным горизонтам с последующим нисходящим движением струи вдоль очистных забоев позволяет, согласно рас­ четам, ожидать понижения температуры воздуха в очистных забоях по сравнению с восходящим проветриванием на 2—2,5° С.

Тепловыделение при окислительных процессах, работе машин, а также из стенок выработок, шахтных вод, добытого полезного ископаемого и других источников составляет значительную долю общешахтного теплового баланса.

Уменьшение выделения тепла, связанного с окислительными про­ цессами, может быть достигнуто снижением запыленности выработок угольной и иной окисляющейся пылью, сокращением применения деревянной крепи и затяжек, покрытием стен выработок специаль­ ным составом, уменьшением времени нахождения добытых углей и окисляющихся руд в шахтах.

Электрические механизмы, работающие в очистных забоях, выделяют тепло в количествах, достаточных, как показывают рас­ четы, для повышения температуры вентиляционной струи на 1,5° и даже более. Для уменьшения влияния работы механизмов необхо­ димо во всех случаях, когда это технически осуществимо, применять обособленное проветривание машинных камер.

Поскольку охлаждающее действие вентиляционной струи не зави­ сит от того, по какой причине повысилось теплосодержание (за счет повышения температуры или влагосодержания воздуха), необходимо вести борьбу с увлажнением воздуха, стараясь уменьшить капеж

ввыработках и закрывая водоотливные канавки.

Врудниках и шахтах, применяющих пневматическую энергию,

сжатый воздух с температурой около 70—80° С обычно подается по воздухопроводам, проложенным в воздухоподающих стволах, что приводит к повышению температуры вентиляционной струи. Поэтому желательно охлаждать сжатый воздух после компрессии до температуры воздуха в том стволе, по которому прокладывается трубопровод, а там, где это не вызывает особых технических затруд­ нений, прокладывать трубопроводы сжатого воздуха по стволам с исходящей струей и выработкам вентиляционного горизонта.

Что касается схем вскрытия шахтных полей, то необходимо стремиться к тому, чтобы они позволяли сократить до минимума путь свежего воздуха от поверхности до забоев, применяя различные варианты флангового расположения стволов. На температуру вен­ тиляционной струи оказывает влияние срок проветривания выра­ ботки, по которой проходит воздух. Продолжительность существо­ вания выработки, в свою очередь, зависит от принятого способа

подготовки и порядка отработки, поэтому следует отдавать пред­ почтение блочным схемам подготовки шахтных полей и обратному порядку отработки, при котором срок существования выработок больше.

Наконец, следует указать, что применение выемочных механизмов с небольшой глубиной вруба (струги, комбайны) способствует, со­ гласно расчетам, снижению температуры в лавах на 1,2—1,6° С.

Перечисленные меры, направленные на снижение температуры шахтного воздуха, желательно применять во всех случаях при работе на глубинах с высокой температурой воздуха, независимо от того, производится или нет искусственное охлаждение воздуха. При разработке угольных месторождений на переходных глубинах даже одно лишь выполнение этих мероприятий может обеспечить устано­ вление нормального температурного режима, в более же глубоких шахтах с этой целью должно применяться искусственное охлаждение воздуха.

§ 28. Установки для охлаждения .воздуха в шахтах

Воздухоохладительные установки для глубоких шахт могут быть расположены: на поверхности шахт, на глубоком горизонте при размещении холодильных машин на поверхности или при отводе тепла конденсации на поверхность, а также на глубоком горизонте при расположении на нем холодильных машин и подземном отводе тепла конденсации.

При размещении установок на поверхности охлаждается весь поступающий в шахту воздух, вследствие чего расходуется излишняя мощность на охлаждение того воздуха, который не достигает рабочих забоев. Кроме того, расчеты и практика показывают, что в этом слу­ чае для шахт глубиной свыше 1000 м необходимо охлаждать воздух до отрицательных температур, что приведет к обмерзанию воздухо­ подающих выработок. Недостатком рассматриваемого метода раз­ мещения воздухоохладительных установок является также резкий перепад температур в стволе, создающий опасность простудных заболеваний. Поэтому такая установка может быть рациональна только в особых случаях.

В практике шахтного кондиционирования воздуха наибольшее распространение получили компрессионные и турбодетандерные холодильные установки. В первых за счет работы компрессора со­ здается разрежение, что приводит к интенсивному испарению хлад­ агента (фреона или аммиака) и охлаждению специального рассола, а во вторых охлаждение воздуха происходит при внезапном рас­ ширении сжатого воздуха, когда он проходит турбодетандер.

Принцип действия компрессионных установок заключается в сле­ дующем. Компрессор 1 (рис. 27) создает в испарителе 2 разрежение, вследствие чего хладагент, главным образом фреон, поступающий

виспаритель по трубопроводу 5, вскипает и пары его засасываются

вкомпрессор, где сжимаются до давления, при котором они могут