Практическое занятие № 3 Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах

Цель практического занятия - закрепление теоретических знаний, полученных при изучении раздела «Гелиофизические и метеорологические факторы», и овладение методикой расчета тепловыделений в выработки глубоких шахт и выбора технических решений по борьбе с избыточным теплом.

Общие сведения. Климатические условия в подземных выработках, особенно в глубоких шахтах, как правило, отличаются от климатических условий на земной поверхности. Микроклимат горных выработок (т. е. действующее в них на организм человека сочетание температуры, влажности, скорости движения воздуха, его давления и температуры окружающих поверхностей) в значительной степени зависит от теплообменных процессов, происходящих на пути движения воздуха. Под воздействием этих процессов температура шахтного воздуха в выработках существенно повышается с увеличением глубины ведения горных работ.

Нагревание воздуха, движущегося по горным выработкам, происходит в результате:

• теплообмена между потоком шахтного воздуха и окружающим выработки массивом горных пород, т. е. охлаждения пород;

• естественного адиабатического сжатия воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам;

• изменения содержания влаги в воздухе;

• теплообмена между воздухом и подземной водой, текущей по выработкам;

• окисления угля, угольной пыли, сульфидных руд, крепежного леса и некоторых других веществ;

• охлаждения отбитых и транспортируемых масс угля и породы;

• работы горных машин и механизмов;

• выделения тепла осветительными установками, электрическими кабелями, трубопроводами сжатого воздуха, телом человека, а также действия других второстепенных факторов.

Вызванное перечисленными факторами приращение температуры шахтного воздуха (^оС = К), может быть определено из выражения

где Q_i - суммарное количество теплоты, идущее на нагревание воздуха, кДж/ч; С_р - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгК);  - плотность воздуха, кг/м³; V - объемный расход воздуха, м³/ч.

Шахтный воздух уже при температуре свыше 25 С оказывает отрицательное тепловое воздействие на физиологию и гигиену труда подземных рабочих. При задержке отдачи телом человека накопившегося в нем тепла возникает перегрев организма, осложняющий протекание жизненных процессов. Чрезмерный перегрев организма вызывает ухудшение самочувствия человека, приводит к серьезным заболеваниям (в наиболее тяжелых случаях - к тепловому удару, или стрессу, или даже к смерти), увеличивает вероятность травматизма, снижает производительность труда.

Изменение температуры воздуха (и других параметров микроклимата) в подземных выработках оказывает влияние также на физико-механические свойства горных пород и на безопасное состояние сооружений и выработок.

Расчет выделения теплоты в выработки глубоких шахт ведется по следующим зависимостям.

1. тепловыделение при охлаждении горных пород. Количество теплоты Q_охл, кДж/ч, выделяющееся вследствие охлаждения окружающих выработку горных пород, описывается уравнением Ньютона для конвективного теплообмена

,

где К_ - коэффициент нестационарного теплообмена между массивом горных пород и воздухом, кДж/(м²чК) (рассчитывается по формуле, приводимой ниже); Р и l - периметр и длина выработки, м; t_п - естественная температура неохлажденных пород на данной глубине, (^оС = К, расчет приводится ниже); t_в= t_пб - допустимая температура воздуха в выработке, ^оС (принимается согласно Правилам безопасности).

Коэффициент К_, кДж/(м²чК) определяется по формуле

где  - коэффициент теплопроводности породы, кДж/(мчК) (принимается по табл. 3.1); ₀ - суммарный коэффициент теплоотдачи от стен шахтной выработки к воздуху, кДж/(м²чК) (расчет ниже); R_э - эквивалентный радиус выработки, м: а - коэффициент температуропроводности породы, м²/ч: (принимается по табл. 3.1); с_п - удельная теплоемкость породы, кДж/(кгК) (принимается по табл. 3.1); _п - плотность породы, кг/м³ (принимается по табл. 3.1);  - расчетное время процесса теполообмена, ч (например, при длительности процесса теплообмена 4 года значение  = 436524 = = 35040 ч).

Таблица 3.1