CC BY
54
УДК 622.418: 622.8
А.А. Лапшин, В.И. Ляшенко
повышение эффективности проветривания подземных выработок глубоких железорудных шахт
Аннотация. Приведены основные научные и практические результаты значений температур, влажности и скорости воздуха в горных выработках глубоких шахтах Кривбасса и ЧАО «Запорожский железорудный комбинат» (ЧАО «ЗЖРК»), Украина. Описаны физические и математические модели для исследования эффективности работы контактного конденсатора и лабораторной установки для оросительного охлаждения воздуха. Представлены результаты экспериментальных исследований технических и аэродинамических параметров двусторонней тангенциальной гидравлической системы форсуночного охлаждения «Оазис» и эжектора «Дисперсоид», а также промышленных исследований состояния микроклимата и эффективности проветривания. Разработаны новые технологии и технические средства, а также проведены промышленные испытания в шахтах «Кривбассруды» форсуночного охлаждения рудничного воздуха с использованием шахтных вод по снижению первоначальной температуры воздуха в среднем на 8-10 °С и влажности до 60-70%. Установлена эффективность проветривания зоны горных работ и обеспеченность рабочих мест свежим воздухом. Даны технико-экономические показатели способа нормализации микроклимата глубоких железорудных шахт.
Ключевые слова: охрана, безопасность труда, микроклимат, эффективность, горные выработки, проветривание, глубокие шахты.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-108-122
Введение
С увеличением глубины разработки железорудных месторождений значительно ухудшаются условия труда, вследствие повышения температуры воздуха в горных выработках и снижения эффективности их проветривания. Такая тенденция обуславливает негативное воздействие на физиологические особенности организма горнорабочих. Так, с ростом температуры воздуха увеличивается частота пульса, расход энергии, коэффициент отдыха и падает производительность их труда. У работающих в условиях повышенных температур, наблюдается особенно большая перегрузка, граничащая с тепловым ударом. Поэтому повышение эффективности проветривания горных
выработок глубоких шахт на основе разработки технических средств и обоснования исходных параметров состояния микроклимата на рабочих местах — важные научные и практические задачи, требующие неотлагательного решения [1—3].
Методика исследований
Авторами использован комплексный метод, который включал: анализ и обобщение ранее выполненных исследований по вопросам нормализации микроклимата в горных выработках; математическое моделирование теплообменных процессов в разработке шахт; использование фундаментальных положений физики, аэро- и гидродинамики для раз-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 8. С. 108-122. © А.А. Лапшин, В.И. Ляшенко. 2018.
работки способов нормализации микроклимата в шахтах; лабораторные и промышленные исследования эффективности разработанных способов и средств охлаждения рудничного воздуха; математическую статистику для обработки результатов исследований по стандартным методикам [4, 5].
Обсуждение результатов
исследований
Нами предусматривалось: проведение воздушно-депрессионных съемок в сквозных и тупиковых выработках глубоких горизонтов шахт Кривбасса и ЧАО «Запорожский железорудный комбинат» (г. Днепрорудное) ЧАО «ЗЖРК»; измерение температуры горных пород в шпурах и в скважинах; измерение температуры шахтных вод в скважинах, забоях, водосточных канавах и шахтных водосборниках.
Замеры температуры горных пород производили глубинными электрическими термометрами сопротивления с дистанционной передачей показаний на поверхность при отсутствии избыточного давления в устье, которые помещали в шпуры глубиной 1,8—2,0 м и скважины глубиной 20—30 м. Устье скважин плотно закрывали бумажными пробками, а отсчеты температуры производили че-Таблица 1
Результаты обработки данных термометрии скважин
Белозерского железорудного района ЗАО «ЗЖРК»
Results of White Lake iron ore district thermometry data wells ChAO «ZZHRK»
рез 1,0—1,5 ч. Температуру шахтной воды определяли ртутными термометрами, которые помещали в истекающую из скважины струю в водосточную канаву и в водосборник шахтного водоотлива.
Определение расходов воздуха в замерных станциях производилось с помощью анемометров АПР-2, которые имеют относительную погрешность ±7,5— 8,5%. Температуру воздуха по сухому и мокрому термометрам измеряли с помощью аспирационного психрометра МВ-4М, а затем по психрометрической таблице определяли относительную влажность воздуха [6]. Исследование теплового режима и микроклиматических условий производилось в выработках шахт Кривбасса и ЧАО «ЗЖРК».
Основным объектом этих промышленных исследований были определены выработки и забои шахты «Эксплуатационная» (ЧАО «ЗЖРК») в связи с тем, что из-за специфических особенностей разрабатываемого месторождения температура воздуха в горных выработках этой шахты достигает 30 °С и выше [7].
Результаты термометрии разведочных скважин для установления температуры горных пород, а также значения геотермических ступеней наносов и геотермических градиентов на различных глубинах по данным Белозерской геоло-
Глубина скважин L, м Наносы Коренные породы
50 150 250 300 350 450 550 650 750 850 950 1050
Температура горных пород ^ °С 13,3 16,8 20,4 21,5 22,6 24,2 25,4 27,0 28,8 30,0 31,2 31,8
Геотермическая ступень в, м/°С 25,8 29,0 32,8 35,1 55,2 60,0 66,3 73,7 83,3 95,0 111 133,5
Геотермический градиент Г, °С/ м 0,038 0,036 0,031 0,029 0,02 0,017 0,015 0,014 0,012 0,011 0,01 0,007
Таблица 2
Результаты термометрии пород в шпурах и скважинах проходческих забоев и выработок шахты «Эксплуатационная»ЗЖРК
Results thermometry rocks in boreholes and wells tunnel faces and «Operational» mine workings ChAO «ZZHRK»
Места замеров температуры Глубина горизонтов, м Число замеров Средняя температура пород tn, °С
Водосборник у ствола «Северный — Вентиляционный» 400 2 25,25
Водосборник у ствола «Южный — Вентиляционный» 400 2 24,25
Сопряжение откаточного орта со штреком лежачего бока 400 2 25,1
Орт 6-юг 400 2 24,3
Орт 2-юг 400 2 24,8
Грузовой откаточный квершлаг 480 2 25,8
Откаточный квершлаг 480 2 25,6
Хозяйственный заезд под рудоспуск 480 2 25,4
Штрек лежачего бока 480 2 25,9
Сбойка между ортами 6 с-7 с (по породе) 840 2 26,5
Орт 6 с (по руде) 840 2 26,2
Сопряжение с камерой аспирации 940 2 27,0
Штрек лежачего бока оси 3 с 940 2 29,0
Грузовой квершлаг у штрека 940 4 25,6
Порожняковый квершлаг 940 4 26,8
Орт 8 с 940 2 31,8
Откаточный штрек лежачего бока 940 4 30,4
Откаточный орт 2-юг 940 3 29,0
горазведочной экспедиции (БГРЭ) свидетельствуют о том, что среднегодовая температура пород нейтрального слоя составляет около 10,7 °С (табл. 1). Начиная с глубины ведения горных работ 500—550 м температура пород и воздуха в тупиковых забоях близка к допустимой по требованиям «Единых правил безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом», утвержденных приказом Госгортехнадзора СССР от 31.08.1971 г — НПАОТ 0.00-1.34-71 (ЕПБ), т.е. ^ - 26 °С [3]. На глубинах 650— 1050 м температура воздуха превышает предельно допустимую величину и достигает 31 °С (табл. 2).
Приведенные величины в диапазоне их глубины от 50 до 300 м находятся в пределах внан = 25,8^35,1 м/°С, а их геотермический градиент в среднем составляет 0,03°С/м. Значения геотермических ступеней коренных пород в диапазоне глубины от 350 до 1050 м находятся в пределах от 55,2 до 133,5 м/°С и в среднем составляют вп = 84,8 м/°С, а их геотермический градиент в среднем равен 0,013 °С/м.
При микроклиматических условиях, которые не удовлетворяют санитарно-гигиеническим требованиям, возникает необходимость нормализации теплового режима на рабочих местах путем снижения температуры воздуха.
Основным способом нормализации тепловых условий в действующих выработках шахт при температуре 20—26 °С и относительной влажности 90—95% является повышение скорости от 0,5 до 4,0 м/с. Дальнейшее повышение скорости движения воздуха на рабочих местах в шахте не дает желаемого охлаждающего эффекта и не допускается правилами безопасности [8, 9].
Экспериментальные исследования технических и аэродинамических параметров двусторонней тангенциальной форсунки и эжектора «Дисперсоид»
Для уменьшения влажности воздуха после охлаждения его в камере орошения (после первой ступени охлаждения) применяется контактный конденсатор, исследования которого осуществлялось на модели, выполненной из полых гофрированных элементов, по которым циркулировала вода (рис. 1).
Рис. 1. Схема модели для исследования эффективности работы контактного конденсатора: 1 — вентилятор; 2 — микроманометр ММН; 3 — воздухо-измерительная трубка; 4 — камера орошения; 5 — форсунка; 6 — сливной патрубок; 7 — поддон; 8 — насос; 9 — устройство для пленочной воды; 10 — элементы конденсатора; 11 — трубопровод; 12 — магистральный трубопровод
Fig. 1. Scheme of model for study of efficiency of contact capacitor: 1 —fan; 2 —micromanometer MMN; 3 —air-measuring tube; 4 —irrigation chamber; 5 —nozzle; 6 —drain pipe; 7 —pallet; 8 —pump; 9 —device for film water; 10 —elements of condenser; 11 —pipeline; 12 —main pipeline
Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной установки для исследования эффективности оросительного охлаждения воздуха: 1 — камера орошения; 2 — форсунки 3 — конденсатор; 4 — вентилятор; 5 — электронагреватель; 6 — коллектор; 7 — манометр; 8 — насос; 9 — ртутный термометр; 10 — впускной трубопровод; 11 — выпускной трубопровод; 12 — сухой и мокрый термометры; 13 — поддон; 14 — микроманометр ММН; 15 — пневмо метрическая трубка; 16 — задвижка Fig. 2. Schematic diagram of the laboratory setup for studying the effectiveness of evaporative cooling air: 1 — irrigation camera; 2 — nozzle; 3—capacitor; 4 — fan; 5 — electric; 6 —collector; 7 — gauge; 8 — pump; 9 — mercury thermometer; 10 — the inlet pipeline; 11 — exhaust pipe; 12 — dry and wet thermometers; 13 — pan; 14 — micromanometer MMH; 15 — Metric pneumatic tube; 16 — valve
Рис. 3. Графики зависимостей величины термического коэффициента пТ от скорости воздуха в камере: 1, 2 — соответственно, один ряд односторонних и двусторонних форсунок; 3, 4 — соответственно, два ряда односторонних и двусторонних форсунок
Fig. 3. Plots of the thermal coefficient qJ the air velocity in the chamber 1, 2 —respectively, a series of unilateral and bilateral nozzles; 3, 4 —respectively, the two series of unilateral and bilateral nozzles
Температура воздуха на входе в конденсатор и на выходе из него измерялась ртутным термометром. Результаты исследований эффективности работы контактного конденсатора свидетельствуют, что наибольшее снижение температуры At наблюдается при скорости воздуха до 2 м/с и расстояния между элементами b = 15—25 мм. При таких условиях в контактном конденсаторе температура снижается на At = 2,5—3,0°С, а количество влаги в воздухе уменьшается до уровня 0в = 0,45—0,22 кг/кг. Эффективность охлаждения в камере орошения исследовалась с помощью лабораторной установки (рис. 2).
В камере орошения 1 установлены три ряда форсунок 2 одностороннего и двостороннего действия. На выходе из камеры расположен конденсатор 3. Воздух подавался вентилятором 4 и подогревался электрическим отопителем 5. Подача воды на форсунки 2 осуществлялось через коллектор 6 из впускного
трубопровода 10, а температура и влажность воздуха измерялись термометрами и психрометрами 12 температура воды, поступавшей из коллектора 6 истекала с поддона 13 в емкость, измерялась с помощью ртутных термометров 9. Расход воздуха, а соответственно и скорость его в камере орошения 1, менялись с помощью задвижки 16.
При обработке экспериментальных данных рассчитывались степень и плотность орошения по формулам соответственно р = ввд /вв, кг/кг и ^ = ввд /Рк, кг/ м2, где в ,, в — расходы воды и воздуха
вд в
соответственно, кг; Рк = 0,3 • 0,35 м2 — площадь сечения камеры орошения. Температура и относительная влажность воздуха на входе в камеру менялись в пределах tп = 25—35 °С, а относительная влажность ф — в пределах 62—65%. Температура воды, поступающей в камеру орошения, поддерживалась в пределах
= 4—7 °С за счет использования льда, а степень орошения р = 0,1—1,24 кг /кг. Давление воды перед форсунками составлял 0,3—0,4 МПа, а перепад давления лабораторной установки ДР менялся в пределах 13,7—117,6 Па (рис. 3).
Математическое моделирование
Обработкой результатов лабораторных испытаний с использованием методов математической статистики получена зависимость для определения термического коэффициента эффективности охлаждения пТ воздуха в камере орошения
Лх
kV-0 5р0ЭЛ tB mB cB
(1)
где к — коэффициент, характеризующий конструкцию камеры орошения, величина которого определяется зависимости от количества рядов форсунок, диаметра их сопел и потерь тепла через стенки; V — скорость воздуха в камере, м/с; р — степень орошения, кг/кг; Дt — разница
температур воздуха на входе (^н) и на выходе (^к) из камеры, °С; Д^д — разница температур воды, поступающей на форсунки (^дн) и после орошения (^дк),°С; тв, твд — масса воздуха и воды, кг.
Эффективность охлаждения в камерах орошения исследовалась путем математического моделирования. Так, тепловой поток, отдается воздухом каплям воды составляет:
^ = тсЛт 1 ~Т1к). (2) где т — массовые расходы воздуха через форсунку, кг/с; с1 — теплоемкость воздуха, Дж/кгК; Т1, Т1к — начальная и конечная температура воздуха, соответственно °С.
Температура нагревания капли воды в момент времени ($, определяется по формуле:
Т2т = 1 - е-а) + Т2е-а (3) где а — относительный параметр времени нагрева капли воды, а = {/т = = А/с2М; А — коэффициент теплопроводности воздуха: А = ШХ/2Н (здесь Nu и X — число Нуссельта и теплопроводности воды); Н — радиус капли, мм.
Количество теплоты, которая принимается каплями воды от воздуха, определяется по формуле:
Ме2 [Г2(1)-Г2к], (4)
где М — массовые расходы воды через форсунку, кг/с; с2 — теплоемкость воды, Дж/кгК; Т2к — конечная температура во-ды,°С. "
Для охлаждения воздуха применяют как горизонтальные, так и вертикальные камеры орошения длиной 1к = 10с/к, где dк — эквивалентный диаметр камеры, который определяется по формуле
= 2
Ю., (5)
яК
Для управления процессом охлаждения воздуха в камере орошения разработана программа для персонального компьютера, которая позволяет рассчитывать конечную температуру охлаждения рудничного воздуха в камерах орошения и необходимое количество воздуха, поступающего в зону горных работ. На основе закона сохранения энергии конечная температура воздуха составляет:
Т1к Т1
Мс„
■(1 - е-) + (Г2к - Г2), (6)
С учетом теплообменных процессов в горных выработках, необходимое количество воздуха для нормализации микроклимата в глубоких шахтах определяется эффективной скоростью, принятой по тепловым факторам согласно формуле
О = (ТО + ТО + ТО + ТО ) К (7)
где Огр, Ост, Осп — соответственно крупные, рассчитанные по тепловым факторам расхода воздуха для проветривания участков горных работ, стволов и камер с работающим оборудованием, м3/с; Остн — расход сжатого воздуха, м3/с; Кш = 1,5—1,7 — общешахтный коэффициент резерва воздуха.
Общая депрессия вентиляционной сети шахты определяется по формуле
h = Н • О2 Па, (8)
м м ^ п ' 4 '
где Ям — величина общего аэродинамического сопротивления шахтной сети, Н • с2/м8.
На микроклимат глубоких шахт действует величина естественной тяги, которая определяется по формуле
h
Н • й • (Рс,1. — Р^Х Па, (9)
ср.2/
где Оп — количество воздуха, поступающего в камеру орошения, м3/с; Ук — скорость свободного падения капель воды, м/с.
где й — ускорение свободного падения, м/с2; р , рср2 — средняя плотность столбов воздуха в воздухоподающих и отводящих стволах, кг/м3; Н — глубина расположения основного рабочего горизонта, м.
Результаты внедрения
При достаточном количестве воды и ее доступности наиболее дешевым и эффективным является форсуночное охлаждение рудничного воздуха. По данным гидрогеологических исследований, при добыче железных руд подземным способом в Кривбассе ежегодно откачивают около 18 млн м3 шахтных вод, что позволяет использовать их для охлаждения рудничного воздуха. При температуре воздуха в горных выработках больше 32 °С целесообразно применять форсуночное воздушно-водоиспарительное охлаждение. При этом шахтную воду предполагается применять как компонент водовоздушной смеси. Схема раз-
мещения оборудования в камере форсуночного воздушно-водоиспарительно-го охлаждения на гор. -1200 м шахты Криворожского железорудного комбината (КЖРК) представлена на рис. 4 [10, 11].
Для охлаждения шахтную воду акуму-лировали в основном водоеме, образованном в отработанной выработке на вышележащем горизонте. Кроме того, в основной водоем шахтные воды перекачивали из вспомагательных водоемов, расположенных на нижних горизонтах. В основном водоеме шахтные воды отстаиваются, охлаждаются и после механической очистки в песочном фильтре по теплоизолированному трубопроводу,
20
¡АЪ\ ^ \ 21
18
' ^ \ Л° s з 12
ЧП
13
19
777?
14
М.'А.^.Г frvb
22 / 13
\
Гор. 1200 м
13
Рис. 4. Схема размещения оборудования форсуночного воздушно-водоиспарительного охлаждения рудничного воздуха с использованием шахтных вод: 1 — камера форсуночного охлаждения; 2 — вентилятор; 3 — нагреватель; 4 — гибкий рукав; 5 — охлаждающий эжектор; 6 — форсунки; 7,8 — трубопроводы для сжатого воздуха и шахтной воды; 9 — конденсатор; 10 — отработанная выработка; 11 — основной водоем; 12 — песчаный фильтр; 13 — вспомогательный водоем; 14 — главный воздухоподающий ствол; 15 — восстающий; 16 — рудная залежь; 17 — скважины; 18 — обрушенные породы; 19 — надшахтное здание; 20 — компрессорная станция; 21 — трубопровод для перекачки шахтной воды; 22 — водовоздушные завесы; 23 — квершлаг Fig. 4. The layout of the equipment air-nozzle cooling vodoisparitelnogo mine air with the use of mine water: 1 —chamber-nozzle cooling of; 2 —fan; 3 —heater; 4 —flexible hose; 5 —ejector cooling; 6 —nozzle; 7, 8 — piping for compressed air and mine water; 9 — capacitor; 10 — waste generation; 11 — main body of water; 12 — sand filter; 13 — subsidiary body of water; 14 — main air supply trunk; 15 — revolting; 16 — ore deposit; 17 —wells; 18 —ofbreed violations; 19 — pithead; 20 —compressor station; 21 — a conduit for pumping mine water; 22 — water-air curtains; 23 — crosscut
Рис. 5. Испытания установки «Оазис» на промплощадке шахты «Кривбассруда»: испытание охлаждающего эжектора «Дисперсоид» (а); испытание гидравлической системы форсуночного охлаждения «Оазис» (б); варианты размещения при промышленных испытаниях установки «Оазис» в подземных условиях (в, г)
Fig. 5. Installation tests «Oasis» at the site «Krivbassruda» mine: test of the cooling ezhektora «Dispersoid» (a); test hydraulic nozzle cooling «Oasis» (b); accommodation options with the installation «Oasis» of industrial tests in underground conditions (v, g)
проложенному по стволу, подаются в камеру форсуночного охлаждения. Эффективность форсуночного воздушно-водо-испарительного охлаждения определяли следующим образом. Шахтный воздух из главной откаточной выработки поступал в камеру форсуночного охлаждения при помощи вспомогательного вентилятора, который соединен с нагревателем гибким рукавом. При этом температура воздуха возрастала до 32 Начальные и конечные параметры его определяли в замерных станциях, расположенных перед форсунками и на выходе из камеры. Водовоздушную смесь получали в охлаждающем эжекторе, в который поступали сжатый воздух и шахтная вода. Диффузор охлаждающего эжектора соединен с гидравлической системой, оборудованной центробежными форсунками двухстороннего действия.
В ходе промышленного эксперимента на промплощадке шахты КЖРК проводились испытания охлаждающей эжекторной установки «Дисперсоид» и гидравлической системы форсуночного охлаждения «Оазис». После чего работа гидравлической системы форсуночного охлаждения «Оазис» была проверена в подземных условиях шахты.
Для этого, была выбрана сквозная выработка на горизонте 1200 м, через которую воздух поступал в главный воз-духоподающий квершлаг, а затем в зону горных работ. Поперечный разрез форсуночной камеры составлял 13,2 м2, а ее длина была равна 110 м. Скорость воздуха в форсуночной камере в различные часы изменялась от 0,9 до 2 м/с, температура составляла 26—32 относительная влажность — 55—78%. Для создания больших скоростей и высоких
Таблица 3
Параметры микроклимата при испытаниях установки «Оазис» Microclimate parameters during installation «Oasis» tests
Тип камеры Скорость воздуха, м/с Температура воздуха Влажность воздуха, ф % Степень орошения воздуха, р кг/кг Эффективность охлаждения, %
до охлаждения, Твн °С после охлаждения, Твк °С до охлаждения после охлаждения
Испытания на шахте «Родина», форсуночное охлаждение
Двухрядная 19 форсунок 0,5-4,0 18-27 15-19 45-70 80-95 0,02-0,11 23
Четырехрядная 38 форсунок 0,5-4,0 18-24 14-17 45-70 85-95 0,04-0,22 26
Испытания на шахте им. Ленина, форсуночное охлаждение
Однорядная 9 форсунок 0,9-2,0 26-32 22-24 55-78 75-80 0,2-0,5 21
Двухрядная 18 форсунок 0,9-2,0 26-32 20-22 55-78 75-80 0,3-0,6 28
Испытания на шахте им. Ленина, водовоздушное охлаждение
Однорядная 9 форсунок 0,9-2,0 26-32 19-20 55-78 75-80 0,2-0,5 32
Двухрядная 18 форсунок 0,9-2,0 26-32 17-19 55-78 75-80 0,3-0,6 34
температур на входе в выработку устанавливали вспомогательный вентилятор ВМ-5М и нагреватель, который соединялся с вентилятором гибким вентиляционным рукавом. В средине нагревателя размещено восемь нагревательных элементов, подключенных к сети напряжением 380 В, такой нагреватель позволял поддерживать температуру воздуха в пределах 26—32 °С. В условиях горной выработки (форсуночной камеры) была смонтирована установка «Оазис» для проведения исследований по определению эффективности форсуночного водо-воздушного охлаждения рудничного воздуха [12, 13].
Вместе с охлаждением воздуха изменялась и его влажность: на входе она была в пределах 45—70%, а после гидравлических завес — 80—100%. Влажный воздух после гидравлических завес поступал в конденсатор, где влажность его снижалась до 67%. При скорости движения воздуха в камере свыше 2 м/с
эффективность охлаждения уменьшалась, что можно объяснить недостаточным количеством воды, которая поступала в форсунки. Кроме того, наблюдался срыв капель воды с поверхностей элементов конденсатора, т.е. снижалась эффективность улавливания капель воды. Промышленные испытания охлаждающей эжекторной установки «Дисперсоид» и системы «Оазис» выполнялось в подземных условиях шахты «Кривбассруда» (рис. 5).
Результаты исследований свидетельствуют, что при скорости воздуха в камере орошения в пределах V = 1—2,5 м/с и степени орошения р = 0,7—1,2 кг/кг эффективность охлаждения, определенная термическим коэффициентом, составляет пт = 0,31—0,52, а величина снижения температуры воздуха находится в пределах Д^ = 5—20°С. Повышение эффективности охлаждения, выраженное термическим коэффициентом, достигается за счет применения шахтной воды,
Рис. 6. График зависимости конечной температуры воздуха в пределах заданных параметров Fig. 6. Graphics depending on the final temperature within preset parameters
охлаждается до температуры, близкой к нейтральной слоя земли 10—11 °С. Кроме того, используется водовоздуш-ной смеси, образованной с помощью установки «Дисперсоид» и имеет температуру до 5 °С. Имеющиеся разработки охлаждения рудничного воздуха в камерах орошения А.Н. Щербаня не предусматривали применения охлаждения шахтной воды и применения водовоз-душной смеси. Результаты промышленных испытаний установки «Оазис» в подземных камерах орошения приведены в табл. 3.
Результаты промышленных испытаний свидетельствуют, что при охлаждении рудничного воздуха путем орошения шахтной водой наблюдается снижение его температуры на 5—6°С, а при использовании водовоздушного охлаждения температура снижается на 9—11°С. Технологическая схема охлаждения рудничного воздуха в камере орошения с использованием шахтных вод приведена на рис. 5. Воды аккумулируются в основном водохранилище 11 образованном в отработанной горной выработке 10 на верхнем горизонте шахты. В основное водохранилище 11 перека-
чиваются шахтные воды из вспомогательного водохранилища 13. Перекачка осуществляется в ночное время по минимальному тарифу на электроэнергию.
В основном водохранилище 11 шахтные воды охлаждаются до 11—13 °С и после механической очистки в песчаном фильтре 12 по теплоизолированном трубопроводе 9, проложенному по стволу 14 подаются в камеру орошения 1 за счет статического давления столба воды. Если температура рудничного воздуха не превышает 30 °С, его охлаждают за счет воды, поступающей из форсунок 6, а при температуре воздуха выше 30 ° С — охлаждение осуществляют во-до-воздушной смесью, образованной «Дисперсоидом» 5, которую направляют в камеру орошения 1 через форсунки 6 или патрубки [14—17].
Программа предусматривает применение формулы (3) и констант Сп = = 1 кДж/кгК, Свд = 3,81 кДж/кгК — начальная массовая теплоемкость воздуха и воды соответственно; Хвд = 0,6 Вт/мК — коэффициент теплопроводности воды; а = А/Свдтвд — коэффициент передачи тепла за единицу времени (здесь параметр А = NuX/2RУ; т — массовые
расходы воды, кг/с. Значения переменных параметров принимаются в пределах: массовые расходы воздуха тп = = 0,4—0,8 кг/с; число Рейнольдса 1 < < Re < 104; число Прандтля 1 < Pr < 400; радиус капли Я = 0,1—3 мм; массовые расходы воды Мвд = 0,1—0,2 кг/с; температура воздуха Тп = 25—35°С; температура воды идет на форсунки, Тв = = 11—13 °С.
После ввода всех параметров программа автоматически определяет температуру воздуха в зависимости от его массовых расходов. Применение этой программы дает возможность за счет регулирования параметров воды или во-довоздушной смеси поддерживать температуру в камере орошения на уровне 20—22°С. После введения указанных параметров программа автоматически строит график (рис. 6).
Структурная блок-схема программы кондиционирования рудничного воздуха реализуется следующим образом:
1. Определяют количество воздуха Ог, его температуру tг и влажность фг в зоне горных работ.
2. Идентифицирующие нормативные параметры воздуха в зоне горных работ: количество воздуха Он, обеспечивающие вывод избыточного тепла, нормативную температуру tн и влажность фн.
3. Сопоставляют выходные (фактические) данные рудничного воздуха в зоне горных работ по его нормативными величинами на рабочих местах.
4. Определяют следующие параметры: необходимое количество воздуха для зоны горных работ, которая не должна быть меньше, чем нормативная величина Ог > Он; необходимую температуру воздуха для зоны горных работ, которая не должна быть больше, чем нормативная величина tг < tн; необходимую влажность воздуха, которая не должна быть больше, чем нормативная величина
фг < фн.
5. Создают воздух необходимой кондиции.
6. Подают охлажденный и осушенный воздух в зону горных работ и осуществляют его подачу для снижения температуры и влажности воздуха до нормативных величин:О .t .ф .
н н н
Опыт использования шахтной воды для орошения рудничного воздуха показывает, что основная аккумулирующий водоем целесообразно располагать на верхнем горизонте, в массиве горных пород, прилегающих к нейтральному слоя земли и имеют температуру 11—13°С. Вертикальную или горизонтальную камеру орошения располагают ближе к зоне горных работ для предотвращения нагревания охлажденного воздуха.
Технико-экономические показатели способа нормализации микроклимата глубоких шахт
Использования рекомендуемой технологии охлаждения рудничного воздуха с помощью шахтных вод позволяет получить следующие результаты. В частности, затраты на охлаждение рудничного воздуха, подаваемого в зону горных работ, в количестве 55 м3/с, способом оросительного охлаждения по сравнению с охлаждением воздуха холодильными машинами типа КПП-300, свидетельствуют о его экономичности. Так, материальные затраты на приобретение оборудования для охлаждения заданного количества воздуха (55 м3/с) холодильными машинами типа КПП-300 в количестве 7 штук и приобретения осевого вентилятора типа ВОЕ 5У2 значительно превышают затраты на реализацию предложенного способа, посредством установки «Оазис» с учетом дополнительных расходов составляют в 17 раз дешевле, чем затраты на охлаждение рудничного воздуха с помощью холодильных машин.
Энергозатраты при охлаждении воздуха холодильными машинами составляют 75 кВт/ч. • 7 машин = 525 кВт/ч. Охлаждение рудничного воздуха предложенным способом предусматривает расход сжатого воздуха в количестве 0,1—0,3 м3/с. Энергетические расходы на реализацию рекомендованного способа в 2,6 раза меньше в сравнении с холодильными машинами.
Камеры орошения располагаются в горных выработках в непосредственной близости к зоне горных работ, при этом они выполняются в виде горизонтальных или вертикальных сквозных выработок. Скорость воздуха в камерах орошения для его эффективного охлаждения следует поддерживать в пределах V = 1—2,5 м/с. При температуре рудничного воздуха в зоне горных работ до 30°С целесообразно применять в камерах систему оросительного охлаждения, а при температуре воздуха выше 30°С — использовать орошаемое охлаждения с применением водо-воздушной смеси, образованной с помощью эжектора «Дисперсоид».
Расход сжатого воздуха на один эжектор составляет 0,1—0,3 м3/с, а давление в магистрали сжатого воздуха — 0,4— 0,6 МПа. Количество рядов форсунок в камере орошения принимается > 2. Применение акумулируещего водохранилища позволяет накапливать шахтные воды в количестве 1200—1500 м3 с температурой 11—13 °С, а затем использовать их для охлаждения рудничного воздуха и орошения технологических процессов. Остальные шахтные воды откачиваются в ночное время по льготному тарифу стоимости электроэнергии. Это позволяет обеспечить улучшение условий труда и уменьшить ежегодные расходы на откачку шахтных вод по шахте. Таким образом, большое количество шахтных вод, которые откачиваются из подземных водоемов, разработанный
способ нормализации микроклимата имеет также значительную экономическую целесообразность [18, 19].
Выводы
1. Доказано, что горные выработки и забои в шахтах Кривбасса обеспечены необходимым количеством воздуха и его скоростью на 60—85%, что снижает эффективность проветривания, ухудшает тепловые условия на рабочих местах и уменьшает уровень охраны труда. Величина геотермической ступени в среднем составляет: для толщи осадочных пород 35,5 м/°С, а для коренных пород 84,8 м/°С .
2. Установлено, что начиная с глубины ведения горных работ 50—550 м, температура воздуха в выработках близка к 26 °С, а на глубинах 940 м температура воздуха в выработках зоны горных работ близка к 30°С.
3. Показана недостаточная эффективность проветривания зоны горных работ шахты «Эксплуатационная» ЧАО «ЗЖРК» за счет низкой общей производительности главных вентиляционных установок (670—690 м3/с) при необходимых 1230 м3/с. Для снижения температуры воздуха в выработках горизонта 940 м и ниже необходимо увеличение количества воздуха подаваемого в зону горных работ, а также применение средств и способов для снижения его температуры.
4. Разработаны новые технологии и технические средства, а также проведены промышленные испытания в условиях шахты «Кривбассруды» форсуночного охлаждения рудничного воздуха с использованием шахтных вод по снижению первоначальной температуры воздуха в среднем на 8—10 °С и влажности до 60—70%, что позволяет применять их для улучшения условий и безопасности и охраны труда в глубоких рудных шахтах.
список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ониани Ш. И. Тепловой режим глубоких шахт при гидравлической закладке выработанного пространства и сложном рельефе поверхности. — Тбилиси: Мецниереба, 1973. — С. 5—11.
2. Дзидигури А. А., Ониани Н. И., Лицабидзе Т. О. Исследование теплового состояния месторождения методом тепловой аналогии // Уголь. — 1965. — Вып. 3. — С. 56—61.
3. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений подземным способом. — НПАОТ 0.00-1.34 -71, утвержденных приказом Госгортех-надзор СССР от 31.08.1971 г. — М.: Недра, 1977. — 225 с.
4. Лапшин А. А. Промышленные исследования микроклимата и состояния проветривания горных выработок в глубоких рудных шахтах // Металлургическая и горно-рудная промышленность. — 2014. — № 1. — С. 76—79.
5. Алексеенко С. А., Шайхлисламова И.А. Классификация способов и средств регулирования теплового режима шахт / Тез. допов. VIII мiжнар. науково-техшчно' конференцп «Сталий розвиток i штучний холод». — (Одеса, Укра'на, 8 —9 жовтня 2012р.). — Одеса: видав. Одеська нацюнальна академiя харчових технологш. 2012. — С. 501—505.
6. Ступок М. I., Письменний С. В. Комбшоваш способи подальшо' розробки залiзорудних родовищ Криворiзького басейну // Вюник Криворiзького нацюнального ушверситету. 2012. — Вип. 95 (1). — С. 3—7.
7. Немченко А.А., Лапшина Д.А. Нормализация микроклимата в подземных камерах шахт // Тез. допов. Мiжнар.науково-технiчноï конференцп «Сталий розвиток промисловост та сустльства». — (Кривий Р'г, Укра'ша, 22—25 травня 2012 р.). — Кривий Pin видав. Криворiзький нацюнальний ушвеситет, 2012. — С. 252—253.
8. Бойко В. А.,Бойко О. А. Нормализация микроклимата горизонтальной горной выработки глубокой шахты Донбасса в период ее проходки // Збiрник наукових праць Нацюнального прничого ушверситету. —2010. —№ 35, том 1.-С. 150—166.
9. Перепелица В. Г., Тынына С. В., Клюев Э. С. О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск, 2009. — Вып. 81. — С. 113—119.
10. Голинько В. И., Лебедев Я.Я., Муха О.А. Вентиляция шахт и рудников: Монографiя. — Днепропетровск: НГУ, 2012. — С. 178—179.
11. ^iнько В. I., Яворська О. О., Лебедев Я.Я. Пдвищення ефективност пров^рювання марганцевих шахт: Монографiя. — Днепропетровск: НГУ, 2010. — 91 с.
12. Голинько В. И., Евстратенко И. А., Кривцун Г. П., Евстратенко Л. И. Повышение эффективности управления вентиляционными режимами железорудных шахт: Монография. — Кривой Рог: Дионис, 2012. — С. 8—19.
13. Лапшина Д. О. Використання пневматично' енергп для нормалiзацiï мкро^мату в пщземних камерах шахт з працюючим обладнанням // Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2016. — № 3. — С. 138—143.
14. Akande J. M., Moshood O. Modelling of okaba underground coal mine ventilation system // International Journal of Engineering and Technology. 2013. Vol. 3, Issue 7. pp. 766—772.
15. Ratner G., Viviers S. Underground auxiliary ventilation monitoring and diagnostic system / The Australian Mine Ventilation Conference, 2013. pp. 57—62.
16. Belle B. K. Energy saving sonmine ventilation fansusing 'Quick-Win' Hermit Crab Technology. A perspective / 12th U.S./North American Mineventilation Symposium, 2008. pp. 427—433.
17. Fatima Gabru Safe, deep level mining at record-breaking levels. [Електронний ресурс]: Mining Weekly. — 2009. — Режим доступу: http://www.miningweekly. com/article/safe-deep-level-mining-at-record-breaking-levels-2009-04-03.
18. Лапшин А.А., Ляшенко В.И. Охрана труда при проветривании горных выработок глубоких шахт // Черная металлургия. —2016. — № 7— С. 25—33.
19. Лапшин А.А., Лапшин А. Е., Ляшенко В. И. Повышение безопасности и охраны труда в глубоких шахтах при камерных системах с твердеющей закладкой выработанного пространства // Безопасность труда в промышленности. — 2016. — № 6. —С. 29—34. ятш
коротко об авторах
Лапшин Александр Александрович — доктор технических наук, профессор,
Криворожский национальный университет,
e-mail: [email protected],
Ляшенко Василий Иванович — кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
начальник научно-исследовательского отдела,
Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт промышленной технологии, e-mail: [email protected].
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 8, pp. 108-122.
Increasing efficiency of ventilation in deep-level iron ore mines
Lapshin A.A., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Kryvyi Rih National University,
50000, Krivoy Rog, Ukraine,
e-mail: [email protected],
Lyashenko V.I., Candidate of Technical Sciences,
Senior Researcher, Head of Department,
Ukrainian Scientific-research and Design-prospecting
Institute of Industrial Technology,
52204, Zheltye Vody, Ukraine,
e-mail: [email protected],
Abstract. The article offers theoretical and practical research findings on temperatures, moisture content and flow velocity of air in deep mines of the Krivbass and Zaporozhsky Ore Mining and Metallurgy Plant, Ukraine. The physical and mathematical models to analyze efficiency of a direct-contact condenser and a spray air cooling laboratory-scale set-up are described. The experimental results on engineering data and aerodynamic parameters of double-end tangent hydraulic system for spray cooling Oasis and ejector Dispersoid, as well as industrial tests of microclimate and ventilation efficiency are presented. New technologies and equipment are developed and trialed in Krivbass mines in spray cooling of mine air using mine water with a view to decreasing initial air temperature by 8-10°C on average and to reduce moisture content to 60-70%. Efficiency of ventilation and sufficiency of fresh air supply in underground excavations is determined. Technical and economic indexes of normalization of microclimate in deep ore mines are given.
Key words: protection, labor safety, microclimate, efficiency, mine excavations, ventilation, deep mines.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-8-0-108-122
references
1. Oniani Sh. I. Teplovoy rezhim glubokikh shakht pri gidravlicheskoy zakladke vyrabotannogo prostran-stva i slozhnom rel'efe poverkhnosti [Thermal conditions of deep mines with hydraulic stowing and complex surface topography]. Tbilisi, Metsniereba, 1973, pp. 5—11.
2. Dzidiguri A. A., Oniani N. I., Litsabidze T. O. Issledovanie teplovogo sostoyaniya mestorozhdeniya me-todom teplovoy analogii [Investigation of the thermal state of the deposit by thermal analogy], Ugol'. 1965, no 3, pp. 56—61. [In Russ].
3. Edinye pravila bezopasnosti pri razrabotke rudnykh, nerudnykh i rassypnykh mestorozhdeniy podzemnym sposobom. NPAOT 0.00-1.34-71, utverzhdennykh prikazom Gosgortekhnadzor SSSR ot 31.08.1971 g. [Edinye Safety rules for mining of ore, non-ore and placer deposits by under-ground methods. NPAOT 0.00-1.34-71 approved. Gosgortechnadzor order of the USSR from 31.08.1971 g.], Moscow, Nedra, 1977, 225 p.
4. Lapshin A. A. Promyshlennye issledovaniya mikroklimata i sostoyaniya provetrivaniya gornykh vy-rabotok v glubokikh rudnykh shakhtakh [Industrial research climate and the state of ventilation of mine
workings in deep ore mines]. Metallurgicheskaya i gorno-rudnaya promyshlennost'. 2014, no 1, pp. 76—79. [In Russ].
5. Alekseenko S. A., SHaykhlislamova I. A. Klassifikatsiya sposobov i sredstv regulirovaniya teplovogo rezhima shakht [Classification of methods and means of regulation of thermal conditions of mines]. Tez. dopov. VIII mizhnar. naukovo-tekhnichnoï konferentsiï «Staliy rozvitok i shtuchniy kholod». (Odesa, Ukraïna, 89 zhovtnya 2012). Odesa: vidav. Odes'ka natsional'na akademiya kharchovikh tekhnologiy. 2012, pp. 501— 505. [in Ukrainian].
6. Stupnik M. I., Pis'menniy S. V. Kombinovani sposobi podal'shoï rozrobki zalizorudnikh rodovishch Krivoriz'kogo baseynu [KoMÔrnoBarn cnocoôu noAaAbwoï po3poÔKU 3aAi3opyAHUx poAOBurn, KpuBopi3bKoro ôaceMHy]. Visnik Krivoriz'kogo natsional'nogo universitetu. 2012, no 95 (1), pp. 3—7. [in Ukrainian].
7. Nemchenko A. A., Lapshina D. A. Normalizatsiya mikroklimata v podzemnykh kamerakh shakht [Normalization of the microclimate in the underground chambers of mines]. Tez. dopov. Mizhnar.naukovo-tekhnichnoï konferentsiï «Staliy rozvitok promislovosti ta suspil'stva». (Kriviy Rïg, Ukraïna, 22—25 travnya 2012). Kriviy Rig: vidav. Krivoriz'kiy natsional'niy univesitet, 2012, pp. 252—253. [in Ukrainian].
8. Boyko V. A., Boyko O. A. Normalizatsiya mikroklimata gorizontal'noy gornoy vyrabotki glubokoy shakhty Donbassa v period ee prokhodki [Normalization microclimate horizontal excavation of deep mines of Donbass during its sinking]. Zbirnik naukovikh prats' Natsional'nogo girnichogo universitetu. 2010, no 35, vol. 1, pp. 150—166. [in Ukrainian].
9. Perepelitsa V. G., Tynyna S. V., Klyuev E. S. O vozmozhnosti primeneniya teplovykh nasosov dlya normal-izatsii temperaturnykh parametrov shakhtnoy atmosfery v protsesse razrabotki mestorozhdeniy na bol'shikh glubinakh [On the possibility of the use of heat pumps for the normalization of temperature parameters of mine atmosphere during mining at greater depths]. Geotekhnicheskaya mekhanika: Mezhvedomstvennyy sbornik nauchnykh trudov. Dnepropetrovsk, 2009, no 81, pp. 113—119. [in Ukrainian].
10. Golin'ko V. I., Lebedev Ya. Ya., Mukha O. A. Ventilyatsiya shakht i rudnikov: Monografiya [Ventilation of mines: Monograph], Dnepropetrovsk, NGU, 2012, pp. 178—179.
11. Golin'ko V. I., YAvors'ka O. O., Lebedev YA. YA. Pidvishchennya efektivnosti provitryuvannya margant-sevikh shakht: Monografiya [Pidvischennya efektivnosti provitryuvannya manganese mines: Monograph], Dnepropetrovsk, NGU, 2010, 91 p.
12. Golin'ko V. I., Evstratenko I. A., Krivtsun G. P., Evstratenko L. I. Povyshenie effektivnosti upravleniya ventilyatsionnymi rezhimami zhelezorudnykh shakht: Monografiya [Increasing management effi-ciency ventilation modes iron ore mines: Monograph], Krivoy Rog, Dionis, 2012, pp. 8—19.
13. Lapshina D. O. Vikoristannya pnevmatichnoï energiï dlya normalizatsiï mikroklimatu v pidzemnikh kamerakh shakht z pratsyuyuchim obladnannyam [Vikoristannya pnevmatichnoï energiï for normalizatsiï mikroklimatu in pidzemnih chambers of mines s pratsyuyuchim obladnannyam]. Metallurgicheskaya i gor-norudnaya promyshlennost'. 2016, no 3, pp. 138—143. [in Ukrainian].
14. Akande J. M., Moshood O. Modelling of okaba underground coal mine ventilation system. International Journal of Engineering and Technology. 2013. Vol. 3, Issue 7. pp. 766—772.
15. Ratner G., Viviers S. Underground auxiliary ventilation monitoring and diagnostic system. The Australian Mine Ventilation Conference, 2013. pp. 57—62.
16. Belle B. K. Energy saving sonmine ventilation fansusing 'Quick-Win' Hermit Crab Technology. A perspective. 12th U.S. North American Mineventilation Symposium, 2008. pp. 427—433.
17. Fatima Gabru Safe, deep level mining at record-breaking levels. Mining Weekly. 2009. http://www. miningweekly. com/article/safe-deep-level-mining-at-record-breaking-levels-2009-04-03.
18. Lapshin A. A., Lyashenko V. I. Okhrana truda pri provetrivanii gornykh vyrabotok glubokikh shakht [Im-proving health and safety in deep mines with chamber systems with hardening stowing]. Chernaya metal-lurgiya. 2016, no 7, pp. 25—33. [In Russ].
19. Lapshin A. A., Lapshin A. E., Lyashenko V. I. Povyshenie bezopasnosti i okhrany truda v glubokikh shakhtakh pri kamernykh sistemakh s tverdeyushchey zakladkoy vyrabotannogo prostranstva [Occupational safety during ventilation of mine workings in deep mines]. Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2016, no 6, pp. 29—34. [In Russ].
A
