Прогноз теплового режима рудника с учетом динамики развития горных работ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Д.Е. Соловьев, Ю.А. Хохолов, 2009

УДК 622.272

Д.Е. Соловьев, Ю.А. Хохолов

ПРОГНОЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РУДНИКА С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ

Семинар № 3

Лри строительстве и эксплуатации рудников и шахт в условиях криолитозоны, прежде всего, необходимо учитывать тепловой режим, который в определяющей степени влияет на эффективность и безопасность ведения горных работ. Как известно, на температурный режим выработок рудника влияние оказывает ряд факторов, из которых наибольшее значение имеют природные климатические условия района, наличие многолетнемерзлых пород и параметры вентиляции.

Прогноз теплового режима рудника с учетом этих факторов, а также динамики развития горных работ является весьма сложной задачей, требующей разработки специальных прог-рамм для ЭВМ на основе современных численных методов. Для её решения в лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН разработан программный комплекс, позволяющий рассчитать воздухораспре-деление и тепловой режим сети горных выработок криолитозоны с учетом интенсивности теплообмена воздушной струи с окружающим массивом пород и фазовых переходов влаги в них, а также нестационарности сети горных выработок (изменчивости во времени числа выработок и их соединений).

В основу данного программного комплекса заложены следующие методики:

• расчета воздухораспределения в вентиляционной сети с учетом напорных характеристик вентиляторов и геодезических отметок узлов сети, которая использует I и II законы Кирхгофа для вентиляционных сетей и основана на решении следующей системы уравнений [1, 2]: т р

£ву • ■Р- = 0, / = 1,2........п -1, (1)

У=0 Рс

£*,Рг092 = £еуР"+ я£р,,

У=0 р у У=1 рс

/ = 1,2,..., т - п +1 (2)

Ье = д£ру ^ = гн -гк,

у« (3)

а1^1 + Э2д2

• расчета теплового режима в сети горных выработок криолитозоны, которая позволяет рассчитать температурный режим и ореолы протаивания во всех выработках сети, и учитывает нестационарное взаимовлияние процессов воздухораспределения и теплообмена в выработках сети с учетом фазовых переходов влаги в горных породах [3].

Алгоритм совместного решения задач заключается в следующем. Сначала задается начальное распределение температур воздуха в выработках и в массиве вмещающих горных пород во всех ветвях вентиляционной системы. При заданных температурах воздуха решается задача воздухораспределения, т.е. оп-

ределяются расходы воздуха в каждой выработке сети. Далее, исходя из топологической информации, определяется порядок расчета температуры воздуха по ветвям. Расчет начинается с воздухоподающих выработок сети. Температура воздуха на входе в выработку является уже известной величиной (т. е. входящие ветви в узел, с которого начинается выработка, уже прошли через процедуру расчета температуры воздуха). Согласно порядку проводится процедура расчета температуры воздуха в выработках сети. Температура воздуха на выходе из узла Тв рассчитывается с учетом расходов и температур воздуха всех входящих ветвей по формуле:

£ 9у ■ Ту

Т = —---------- (4)

/е £9, '

У<=-Р

где Тц - соответственно, расход и

температура воздуха на конце >й выработки, м3/с и °С; Б - множество входящих ветвей в заданный узел сети.

Далее, используя рассчитанное распределение температур воздуха в сети, уточняется перераспределение расхода воздуха в сети путем решения задачи воздухораспределения.

Таким образом, на каждом шаге по времени решаются последовательно 2 задачи: задача воздухораспределения и тепловая задача.

Методика совместного расчета вентиляционного и теплового режимов сети горных выработок модифицирована для случая, когда в сеть добавляются новые ветви или из сети удаляются отдельные ветви, т. е. когда имеет место нестацио-нарность сети горных выработок. Добавление новых ветвей в корне изменяет состояние сети, количество ветвей, узлов и независимых циклов, в то же время необходимо «запомнить» темпера-

турное поле вокруг выработок сети. Весь период работы рудника разбит на этапы, каждый из которых включает отработку нового блока, в сеть включаются новые выработки, а в конце этапа выключаются отдельные выработки.

Программа реализованна на языке Object Pascal в визуальной среде программирования Delphi (рис. 1) и предоставляет пользователю следующие возможности: интерактивный ввод теплофизических характеристик горных пород, информации о топологии вентиляционной сети, просмотр рассчитанных данных в табличном виде и их распечатку в соответствующем виде на принтере, а также графический просмотр всей сети в двух и трехмерном режиме. Дружественный интерфейс программы позволяет быстро моделировать вентиляционные сети.

В качестве примера рассмотрим тепловой режим алмазодобывающего рудника Накынского поля. В предпроект-ных проработках на вскрытие и отработку алмазных трубок «Нюрбинская» и «Ботуобинская» Накынкого поля подземным способом рассмотрено несколько вариантов, где отмечено, что на различных стадиях строительства и последующей эксплуатации рудников, температурный режим будет различным.

Рассмотрим один из вариантов расчета температурного режима единого подземного рудника, со вскрытием двух месторождений с одной основной промплощад-ки, располагаемой посредине между двух месторождений. Схема вентиляции рудника приведена на рис. 2. Всего на месторождениях тр. «Ботуобинская» и тр. «Нюрбинская» необходимо отработать 12 блоков, поэтому весь период работы единого рудника разбит на 12 этапов.

Рис. 1. Рабочее окно программы

Рис. 2. Схема вентиляции единого подземного рудника

В начале каждого этапа появляются новые ветви и узлы вентиляционной сети, а в конце этапа закрываются отдельные ветви, что приводит к прекращению движения воздуха по выработкам данного блока.

Проветривание горных работ будет осуществляться по центральной схеме проветривания. Свежий воздух (одновременно для 2-х месторождений) будет подаваться по клетевому стволу (КС) основной промпло-щадки рудника. Часть, подаваемого в рудник свежего воздуха будет распределяться в горные выработки тр. «Ботуобинская», с выдачей исходящей струи по скиповому стволу (СС) основной промплощадки рудника, а другая часть будет подаваться в горные выработки тр. «Нюрбинская», с выдачей исходящей струи через вспомогательный скиповой ствол (ВСС).

Вентиляционная сеть выработок рудника состоит из 111 ветвей и 64 узлов, следовательно, количество независимых циклов равно к = 111 - 64 + 1 = 48. Выходы на поверхность соединены фиктивными ветвями с узлом 1 с нулевыми аэродинамическими сопротивлениями (ветви 13 и 27). Температура атмосферного воздуха задается периодической функцией по формуле:

Рис. 5. Динамика глубины протаивания ВСС

♦ отм.+254 +70 —■— отм .+70 -30 - • -х-- - отм .-30 -130 —ж—отм.-130 -230 —•— отм .-230 -330 —I— отм .-330 -430 —й— отм .-430 -530

Время, год

Рис. 3. Динамика глубины протаивания КС

♦ отм.+254 +170 —■—отм.+170 +70 ---х--- отм.+70 -30 —Ж—отм .-30 -130 —•—отм.-130 -230 —I— отм .-230 -330 —Л— отм .-330 -430

Рис. 4. Динамика глубины протаивания СС

-отм .-254 -30 отм.-30 -130 • отм .-130 -230 -отм .-230 -330 -отм.-330 -430

Время, год

Рис. 6. Динамика температур воздуха в выработках в 5 год эксплуатации

Т = Тз - Тл

X Э1П

п[720(М - 1) + т +1800]

4320

(5)

+

Тз - Тл

2

где Тз - минимальная зимняя температура, 0С; Тл - максимальная летняя температура, 0С; М - порядковый номер месяца, М=1,2,...,12.

По проекту в руднике будет обеспечиваться постоянный положительный температурный режим (не менее +2 0С на воздухоподаче ствола КС), поэтому, как только наружная температура воздуха стане ниже +2 0С, включается калорифер, который поддержит температуру поступающего воздуха на заданном уровне.

Были так же рассчитаны глубины протаивания пород вокруг выработок, температуры воздуха в каждой выработке. Отдельные результаты расчета при-интенсивному протаиванию мерзлых пород вокруг выработок, что отрицательно сказывается на их устойчивости.

Следует отметить, что при нерегулируемом тепловом режиме рудника в выработках температура воздуха в зимний период будет отрицательной, и протаи-вание горных пород про-исходит только

ведены на рис. 3-5. Поскольку в выработках поддерживается положительный температурный режим и расходы воздуха достаточно большие, происходит прогрессирующее протаивание окружающих мерзлых горных пород. Значения глубины протаивания зависят от периода эксплуатации выработок, так за 23 года максимальная глубина протаивания вокруг КС на отметке (+254 -+70 м) составляет 11 м, на отметке (-230 - 330 м) -10,5 м, на отметке (-330 - 430 м) - 9 м, на отметке (-430 - 530 м) - 7,5 м. Наиболее интенсивное протаивание происходит в первые годы. Значения глубины протаи-вания вокруг СС и ВСС ниже чем глубины протаивания вокруг КС.

На рис. 6 приведены расчетные значения изменения температур воздуха в выработках рудника на 5 год эксплуатации.

Из графиков видно, что в зимний период температура воздуха равна примерно +2 °С, т.к. стабильность температуры обеспечивается калорифером, а в летний период за счет поступления атмосферного тепла воздух нагревается до +18 °С.

Поддержание круглогодичного положительного температурного режима в выработках рудника позволяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих, а также обеспечить приемлемые условия для работы машин механизмов. В тоже время положительная температура воздуха в горных выработках приводит к

в устьевых частях воздухоподающих выработок в летний период. С позиций геомеханики их мерзлое состояние повышает устойчивость, однако отрицательная температура воздуха ухудшает условия труда рабочих и создает определенные трудности при эксплуатации машин и механизмов.

Результаты проведенных исследований позволили сделать прогноз теплового режима рудника, который необходим для оценки геомеханического состояния горных выработок и обоснования основных параметров производственных процессов. Таким образом, разработанный программный

1. Абрамов Ф.А. Воздухораспределение в вентиляционных сетях шахт /Ф.А. Абрамов, Р.Б. Тян, В.Я. Потемкин. - Киев: Наукова думка, 1971. - 136 с.

2. Ушаков К.З. Аэрология горных пред-приятий/К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, Л.А. Пучков, И.И. Медведев; под ред. К.З.Ушакова.-

комплекс обеспечивает объективную оценку состояния вентиляционного и теплового режимов во всех выработках сети рудника с учетом ее неста-ционарности, что важно для повышения эффективности и безопасности ведения горных работ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Изд. 3-е, перераб. и доп. - -М.: Недра, 1987. -421 с.

3. Хохолов Ю.А. Совместное решение задач воздухораспределения и теплового режима в сети горных выработок криолитозоны [Текст] / Ю.А. Хохолов // Горный информ.-аналит. бюллетень. - 2003. - № 7. - С. 70-72. ЕШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Соловьев Д.Е. - аспирант,

Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, вед. научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АМХА Бетемариям Гезму Совершенствование методики расчета пылегазовых выбросов в атмосферу при взрывных работах на карьерах 25.00.36 к.т.н.

УГОЛЬНИКОВ Александр Владимирович Оптимизация режимов работы рудничных пневматических сетей при транспортировании сжатого воздуха 05.05.06 к.т.н.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки: 3 мин.

Дата печати: 24.03.2009 0:11:00

При последней печати страниц: 6

слов: 1 595 (прибл.)

знаков: 9 097 (прибл.)

4_Хохолов3

Н:\Новое по работе в универе\ГИАБ-2009\ГИАБ-5\8 С:\и8ег8\Таня\АррБа1а\Коатт§\М1сго80й\Шаблоны\Когта1.ёо © Д

Пользователь

15.03.2009 20:25:00 5

18.03.2009 10:05:00 Пользователь