Журнал магистров. Masters journal N 2
.pdfУДК 622.663.3
А.В. Николаев, Н.А. Королев
A.V. Nikolaev, N.A. Korolev
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Perm National Research Polytechnic University
СНИЖЕНИЕ УТЕЧЕК ВОЗДУХА В БЛОКАХ, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ НАКЛОННЫЕ ПЛАСТЫ
REDUCING LEAKAGE AIR MOUNTAINOUS AREAS,
FULFILLS AN INCLINED PLANE
Описывается разработанная схема проветривания блоков, отрабатываемых по падению пласта, в которой используется положительное действие тепловых депрессий. При подобной схеме проветривания наблюдается значительное увеличение объема воздуха, поступающего
вблок (панель), но проявляются и негативные факторы. На начальном этапе отработки блока
впредлагаемой схеме наблюдаются утечки воздуха в конвейерный штрек, значительные по своей величине. На конечном – рециркуляция отработанного (загрязненного) воздуха в рабочие камеры. Для устранения данных негативных факторов было предложено ограждать передвижной вентиляционной перемычкой выемочный штрек на начальном и конечном этапах отработки блока (панели). Для этой цели была разработана конструкция перемычки. Использование перемычки
впредлагаемой схеме проветривания позволит снизить утечки воздуха в блоках, а также использовать положительное действие тепловых депрессий. В результате этого повысится энергоэффективность проветривания выемочных участков калийных рудников.
This paper describes the developed scheme of ventilation units, mountainous areas, which uses the positive effect of thermal depressions. When such a scheme of ventilation observed a significant increase in air entering the unit (panel), but also there are negative factors. At the initial stage of working out the block in the proposed scheme, there are air leaks in the conveyer drift, large in magnitude. At the end – recycling of waste (polluted) air in the working chamber. To address these negative factors in the above work was requested to protect mobile ventilation retral drift excavation on the initial and final stages of the mining unit (panel). For the purpose of design bridge, which is also contained in the paper. Using a jumper in the proposed scheme of ventilation will reduce air leakage into blocks and use the positive effect of the thermal depression. In the result is increase energy efficiency airing mountain areas of potash mines.
Ключевые слова: естественная тяга, тепловая депрессия, утечки воздуха, наклонные пласты, шахтная передвижная вентиляционная перемычка.
Keywords: natural draft, thermal depression, air leakage, the inclined strata, mine ventilation mobile jumper.
При добыче полезных ископаемых подземным способом возникает необходимость проветривания добычных участков. Необходимый объем воздуха, требуемого для подачи в рудник, складывается из объемов воздуха, пода-
171
ваемого во все рабочие участки, в результате чего выбирается режим работы главной вентиляторной установки (ГВУ): производительность и давление, развиваемое вентилятором. Энергопотребление ГВУ зависит от данных параметров, а снижение производительности и давления, развиваемого вентилятором, будет способствовать уменьшению затрат электроэнергии на проветривание рудника в целом.
При проветривании добычных участков (панелей и блоков) калийных рудников Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС), отрабатывающих наклонные пласты, необходимо учитывать тот факт, что между подземными горными выработками неизбежно будут возникать тепловые депрессии (естественные тяги), вызванные разностью плотности воздуха в них. Обычно тепловые депрессии имеют небольшое абсолютное значение, но ввиду того, что калийные рудники обладают малым аэродинамическим сопротивлением, их влияние на процесс проветривания становится довольно значительным. При отработке блоков, расположенных по восстанию пласта, возникающие в нем тепловые депрессии способствуют проветриванию. При отработке блоков, расположенных по падению пласта, наоборот, депрессии препятствуют требуемому направлению движения воздуха в них и в некоторых случаях в них наблюдается реверс воздушной струи в конвейерном штреке. Исключить подобную ситуацию можно, если конвейерный штрек использовать в качестве вентиляционного. Подобный способ проветривания был применен еще в 1957 г. на шахтах Германии для снижения концентрации метана в исходящих струях и очистных выработках, а также для снижения температуры и запыленности воздуха в механизированных забоях [1–3]. Для калийных рудников ВКМКС также предлагалось использовать конвейерный штрек панелей [4–8 и др.] и блоков [9], отрабатывающих наклонные пласты, в качестве вентиляционного. В предлагаемых схемах действие тепловых депрессий в блоках и панелях будет совпадать с требуемым направлением движения воздуха в конвейерном штреке.
Мероприятия, повышающие эффективность проветривания. Для пре-
дотвращения отрицательного и использования положительного действия тепловых депрессий в работах [9, 10] было предложено схемы проветривания блоков, расположенных по восстанию пласта, оставить без изменения, а блоки, расположенныепо падениюпласта, отрабатыватьпосхеме, приведеннойнарис. 1.
Основной идеей является то, что вентиляционные штреки необходимо проходить только на длине той части блока, в которой ведутся очистные работы, а конвейерный штрек использовать в качестве вентиляционного. Эти штреки могут быть сформированы путем сбойки в конце камер: первый ход комбайна (первый слой) сбивается с соседней уже отработанной камерой, и тем самым на границе блока формируется выработка (рис. 2).
172
Рис. 1. Схема проветривания блока по предлагаемой схеме (разрез по выемочному и заглубленному конвейерному штрекам)
Рис. 2. Предлагаемая схема подготовки и отработки блока (пласт Красный-2)
Появление в районе ведения очистных работ вентиляционных штреков будет являться причиной возникновения тепловых депрессий he2 и he3 (см. рис. 2). Эти две тяги направят струю воздуха в вентиляционных штреках сверху вниз, но будут препятствовать нормальному движению воздуха в выемочном штреке, т.е. должны заставить воздух двигаться в первые рабочие камеры (отрабатываемые камеры).
При исследовании данных схем [9, 10] выяснилось, что их применение действительно будет способствовать увеличению общего объема воздуха, подаваемого в блок. Однако были выявлены и негативные последствия:
173
–на начальном этапе отработки блоков тепловые депрессии he2 и he3 будут невелики по своему абсолютному значению, а следовательно, не смогут
вдостаточной мере препятствовать утечкам воздуха в конвейерный штрек через выработанное пространство (см. рис. 2);
–по мере приближения фронта очистных работ к началу блока тепловые
депрессии he2 и he3 будут достигать такой величины, что часть отработанного воздуха будет рециркулировать в рабочие камеры.
Для предотвращения подобных негативных явлений в работе [11] было предложено отрабатываемые камеры ограждать перемычкой, перемещаемой вслед за движением фронта очистных работ на начальном этапе отработки блока и при приближении отрабатываемых камер к началу блока.
При этом предварительно осуществляют расчет минимальной и макси-
мальной тепловых депрессий he min и he max соответственно, возникающих между выемочным штреком и вентиляционными сбойками а также между выемочным и заглубленным конвейерно-вентиляционным штреками, как функ-
ций от минимальной he min f Hmin и максимальной he max f Hmax величин разностей высотных отметок между местом отработки рабочих камер и местом выхода воздуха из выемочного штрека в уклон Hmin и Hmax (рис. 3). Величины H рассчитывают в зависимости от количества парных отработанных камер по следующим формулам:
H Lв.уч Lв.уч bот.уч 2bкам bцел sin при Nпар.кам = 2,
H Lв.уч Lв.уч Nпар.кам bкам bцел sin при Nпар.кам > 2,
где Lв.уч – длина выемочного участка; Nпар.кам – количество парных отработанных камер; Lот.уч – длина отработанного участка за вентиляционными сбойками, м; bкам – ширина отработанных камер, м; bцел – ширина целика, м; θ – угол падения пласта, град.
Исследование перемычек, существующих в настоящее время, показало, что они не способны в полной мере выполнить данную задачу: устройства, обеспечивающие достаточную герметичность, не позволяют быстро перемещать их на новое место, и наоборот, если конструкция перемычки обеспечивает быстрое ее перемещение, небудетобеспечиватьсянадежнаяизоляциявоздуха.
Первоначально рассматривался вариант использования воздушных перемычек отечественного [12] и зарубежного [13, 14] производства, которые могут в полной мере изолировать выемочный штрек от утечек. Однако в подобные устройства необходимо закачивать большие объемы воздуха, в результате чего требуется отдельная компрессорная установка. При этом на закачку необходимо довольно много времени, что снижает производительность добычного комплекса.
174
Рис. 3. Схема подготовки и отработки блока с нанесенными расчетными величинами: 1 – рабочие камеры; 2 – отработанные камеры; 3 – шахтнаявентиляционнаяперемычка; 4 – уклон
С учетом описанных недостатков была разработана конструкция шахтной передвижной вентиляционной перемычки (рис. 4) [14].
Рис. 4. Шахтная передвижная вентиляционная перемычка: 1 – полотно; 2 – армирующий каркас; 3 – стропы; 4 – вращающиеся мачты; 5 – телескопические упоры; 6 – крепежные кольца; 7 – салазки; 8 – пневморукав
Перемычка устанавливается в части горной выработки, предназначенной для изоляции от утечек воздуха. В месте установки перемычки мачты 4 разворачиваются по периметру выработки и упираются в стенки и кровлю раздвигающимися телескопическими упорами 5. Через крепежные кольца 6 телескопических упоров 5 протягиваются стропы 3 и натягивается полотно 1, перекрывающее основную часть выработки. После закрепления полотна 1 во вшитый по его периметру пневморукав 8 подается сжатый воздух. При закачке сжатого воздуха
175
пневморукав 8 раздувается и принимает форму выработки, надежно изолируя ее от утечек воздуха. Количество закачиваемого воздуха ограничивают только объемом пнеморукава для принятия им необходимой формы и поддержания требуемогодавления.
Использование эластичного пневморукава, за счет изменения давления воздуха в нем, позволит эффективно использовать перемычку при различных неровностях стенок, кровли и почвы выработки. Для перемещения перемычки на новое место необходимо выпустить воздух из пневморукава, сложить вращающиеся мачты, расположенные в верхней части каркаса, повернуть армирующий каркас вокруг своей оси и доставить перемычку к новому месту установки.
Предлагаемая схема проветривания позволит увеличить объем воздуха подаваемого в добычной участок, а установка разработанной передвижной перемычки в блоках, отрабатываемых по падению пласта, позволит значительно снизить утечки воздуха в конвейерный штрек, в результате чего сократятся затраты электроэнергии на проветривание. При этом для перемещения перемычки на новое место установки и на операцию по ее сборкеразборке потребуется гораздо меньше времени и энергетических затрат (на закачку воздуха) по сравнению с теми же операциями для существующих
внастоящее время устройств.
Список литературы
1.Homotropal ventilation // The mining Engineering (Gr. Brit.). – 1978. – Vol. 138, № 209. – P. 498–499.
2.Hardcastle S.G., Kolada R.J., Stokes A.W. Studies into the wider application of controlled recirculation in Mine Ventilation // The mining Engineering (Gr. Brit.). – 1984. – Vol. 143, № 273. – P. 591–598.
3.Impact of using auxiliary fans on coal mine ventilation efficiency and cost / Wallace K.G., McPherson M.J., Brunner D.J., Kissel F.N.) // Bur. mines US Dep. Inter. – 1990. – № 9307. – P. 1–8.
4.Мохирев Н.Н. Разработка современных методов и средств обеспечения высокоэффективного проветривания рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями: дис. … д-ра техн. наук / Перм. гос.
техн. ун-т. – Пермь, 1994. – 302 с.
5.Мохирев Н.Н., Постникова М.Ю., Николаев А.В. Выбор схем вентиляции крыльев, панелей и блоков калийного рудника с учетом фактора возникновения и влияния тепловых депрессий // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование: сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. – Пермь, 2009. – Вып. 5. – С. 88–91.
6.Мохирев Н.Н. Влияние естественной тяги на воздухораспределение
ввентиляционной сети // Изв. вузов. Горный журнал. – 1984. – № 4. – С. 30–33.
176
7.Мохирев Н.Н., Трофимов Н.А. Расчет величины естественной тяги, возникающей в наклонных выработках выемочных участков // Изв. вузов. Горный журнал. – Свердловск, 1987. – № 5. – С. 42–44.
8.Мохирев Н.Н., Третьякова Н.Г., Трофимов Н.А. Экспериментальное исследование влияния естественной тяги на воздухораспределение // Проблемы безопасной разработки калийных месторождений: тез. докл. науч.-
техн. конф. – Минск, 1990. – С. 134–135.
9.Николаев А.В. Влияние различных факторов на воздухораспределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. – Пермь, 2010. – № 3. – С. 97–103.
10.Николаев А.В. Управление тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников: дис. … канд. техн. наук / Перм. нац. исслед. политехн. ун-т. – Пермь, 2012. – 159 с.
11.Способ проветривания выемочного участка при обратном порядке отработки: пат. 2529459 Рос. Федерация, МПК E21F1/00 / А.В. Николаев, Н.И. Алыменко, А.Н. Земсков, В.А. Николаев. – № 2013132295/03; заявл. 11.07.2013; опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27.
12.Устройство локализации энергии взрывной волны: пат. 2153075 Рос. Федерация, МПК E21F5/00 / Чуприков А.Е., Лагутин В.И., Гуттер А.А., Гильденберг А.И.; заявитель и патентообладатель Российский научноисследовательский институт горноспасательного дела. – № 96117738/03; за-
явл. 02.09.1996; опубл. 20.07.2000, Бюл. № 6.
13.Trevits M.A., McCartney C., Roelots H.J. (B.) Testing and evaluation of an inflatable temporary ventilation control device // Printed works of SME Annual Meeting and Exhibit, February 22–25, Denver, Colorado. – 2009. – P. 9–18.
14.Pat. № 6547492 US B1. Inflatable mine support / D.N. Degville. – Date of patent 15.04.2003.
15.Николаев А.В., Алыменко Н.И., Николаев В.А. Пат. 116575 Рос. Федера-
ция, МПК E21F17/107; № 201200720/03; заявл. 11.01.2012; опубл. 27.05.2012,
Бюл. №15.
Получено 30.06.2014
Николаев Александр Викторович – кандидат технических наук, до-
цент, ПНИПУ, ГНФ, e-mail: nikolaev0811@mail.ru.
Королев Николай Александрович – студент, ПНИПУ, ГНФ,
гр. ЭАПУ-09, e-mail: nizachem@mail.ru.
177
УДК 622.481.22:697.921.452:662.987.4
А.В. Николаев, Т.Р. Мифтахов
A.V. Nikolaev, T.R. Miftakhov
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Perm National Research Polytechnic University
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ НА ПРОЕКТИРУЕМОМ РУДНИКЕ ГРЕМЯЧИНСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА
AUTOMATION OF PREPARATION AIR PROCESS OF THE PROJECTED GREMYATCHINSK MOUNTAIN PROCESSING PLANT
Представлена разработка системы автоматизированной подачи воды из подземных резервуаров и котельной установки в калориферную установку проектируемого рудника Гремячинского горно-обогатительного комбината. Построение подобной системы позволит осуществлять подготовку воздуха при минимальном расходе энергоресурсов (природного газа).
This paper presents the development of an automated water supply from underground storage tanks and boiler installation in air heater installation projected Gremyatchinsk mountain processing plant. Building such a system will allow for the preparation of the air with a minimum of energy (natural gas).
Ключевые слова: калориферная установка, теплообменник, котельная установка, ресурсосберегающие технологии, геотермальная энергия земных недр, подземные резервуары.
Keywords: air heater plate, heat exchanger, boiler installation, energy saving technologies, geothermal subsurface, underground storage tanks.
Повсеместное внедрение ресурсосберегающих технологий позволяет снизить себестоимость продукции и увеличить прибыль предприятия. Калийные рудники потребляют колоссальный объем природного газа на подогрев подаваемого в стволы воздуха, температура которого по правилам1 должна быть не ниже +2 °С. При проектировании вводимых в эксплуатацию рудников предпочтение отдается газовым калориферам, как наиболее экономичным (по цене
1 Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553–03). Сер. 03. Вып. 33.
178
газа и КПД теплообмена). Согласно Бюджетному посланию Председателя Правительства Российской Федерации Д.А. Медведева на 2013–2015 гг., сформированного на основании указа Президента РФ, увеличение цены на природный газ прогнозируется в 2015 г. на уровне 14,6–15 %. В связи с этим применение новых ресурсосберегающих технологий при воздухоподготовке на калийных рудниках является существенным резервом для снижения себестоимости продукции.
Система автоматизации. С целью сбережения энергоресурсов в системах вентиляции в России [1, 2] и за рубежом [3–6] все большее применение находит способ использования геотермальной энергии земных недр.
В работе [7] была предложена схема автоматизации подачи воды в калориферную установку, в которой будут использоваться водяные теплообменники (рисунок). Подача воды в калориферную установку по предложенной схеме будет осуществляться с котельной установки, всегда присутствующей на горно-обогатительном комбинате (ГОК) и из подземных резервуаров, вода в которых подогревается от стенок подземного горного массива.
Рис. Схема автоматизации подачи воды в калориферную установку: F – датчик расхода; P – датчикдавления; T – датчиктемпературы; L – датчикуровня; NS – приводзадвижки
В максимально холодный период года в шахтную калориферную установку (ШКУ) теплоноситель будет подаваться с котельной. При снижении температуры наружного воздуха до значений, вызывающих перерасход теплоносителя, система автоматизации приступит к подаче воды из резервуаров, и в ШКУ начнет поступать уже смешанный поток воды. Резервуары будут пополняться водой из артезианских скважин, а излишки теплоносителя на выходе из котельной отправятся на промышленные нужды. Если же для подогрева воздуха в ШКУ достаточно будет подавать воду с температурой, рав-
179
ной температуре воды в резервуаре, подача воды от котельной и из скважин прекратится, а снабжение теплоносителем будет производиться только из подземных резервуаров.
Действующие калийные рудники отрабатываются на сравнительно небольшой глубине (400–500 м), где температура пород колеблется в пределах 7–11 °С. В связи с этим предложенная установка согласно расчетам [7] способна обеспечить подогрев воздуха, используя исключительно воду из подземных резервуаров температурой от –3 °С и выше.
В отличие от действующих в настоящее время калийных рудников, залегание полезного ископаемого на проектируемом руднике Гремячинского ГОК (Волгоградская область) согласно [8] располагается на глубине 1270 м. На такой глубине температура пород составляет порядка 34 °С [9, 10]. В связи с этим требовалось установить максимальную отрицательную температуру наружного воздуха, при которой калориферная установка, теплоноситель в которую будет подаваться только из подземных резервуаров, сможет обеспечивать подогрев воздуха до требуемого значения (+2 °С). Расчеты проводились согласно алгоритму, приведенному в работе1, в которой в качестве водяных калориферов использовались воздухонагревательные блоки (ВНБ) КЦКП-100, производимые компанией «Веза»2.
Вскрытие шахтного поля согласно [8] будет осуществляться двумя стволами: один воздухоподающий и один вентиляционный. Ввиду того, что воздухоподающий ствол будет являться клетевым (т.е. в его поверхностном комплексе практически будут отсутствовать подсосы внешнего воздуха), принималось, что весь воздух Qш = 378,3 м3/с будет проходить через ШКУ.
Температура воздуха на выходе из калориферной установки (tКУ), выполненной на базе ВНБ КЦКП-100, с учетом установки в них двух теплообменников ВНВ 243.1-163-200-04-1,8-02-2, и расход воды из подземных резервуаров (W) при температуре теплоносителя 34 °С и различных значениях температуры наружного воздуха (tнар) приведены в таблице. Данные таблицы показывают, что температуры воды, нагретой в подземных резервуарах до температуры 34 °С, будет достаточно, чтобы подогревать подаваемый в ствол рудника воздух даже при температуре –36 °С. Однако при этом потребуется колоссальный объем воды, закачиваемый в установку из подземных резервуаров, а следовательно, большие емкости самих резервуаров.
Вто же время: плюсы неоспоримы: подогрев воды в резервуарах произво-
1Разработка исходных данных для проектной документации на строительство Усольского калийного комбината. Исходные данные для разработки проектной документации на проветривание рудника. Этап договора № 467-суб-3/2009/185 / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2009. – 52 с.
2«Веза». Каталог продукции. Кондиционер центральный каркасно-панельный. Вып. 1 (редакция № 10 от 01.04.2009 г.).
180