книги / Рудничная аэрология

Значительная сухость воздуха обусловливает его более высо­ кую охлаждающую способность, что облегчает создание нормаль­ ных климатических условий в горных выработках.

Основным фактором, влияющим на изменение температуры воздуха в шахтах, является тепло и массообмен с горными поро­ дами. Установлено, что температура горных пород с увеличением глубины возрастает.

Распределение теплового поля в земной коре при прочих рав­ ных условиях зависит от состава и физических свойств горных пород, их происхождения, литологической характеристики, воз­ раста и от структурно-тектонического строения земной коры в дан­ ном районе. Термическая характеристика горных пород в основ­ ном определяется их физическими свойствами, зависящими от структурно-текстурных особенностей пород, термических свойств породообразующих минералов и среды, заполняющей простран­ ство между ними. Интенсивность изменения температуры горных пород по глубине оценивается величиной геотермического гра­ диента (приращение температуры в °С с углублением на 1 м).

В соответствии с изменением температуры земных недр вели­ чина геотермического градиента изменяется от региона к региону,

атакже по площади в пределах региона и с глубиной, составляя

всреднем около 0,03 °С/м.

Геотермическая ступень — величина, характеризующая повы­ шение температуры горных пород с глубиной. Она выражается числом метров по вертикали, соответствующим увеличению тем­ пературы горных пород на 1° С. Значение геотермической ступени в различных местах земного шара колеблется в широких пре­ делах — от 2 до 200 м/°С. Для нефтяных и битуминозных отложе­ ний оно равно 10—15, для угольных месторождений 30—35, для рудных 45—70 м/°С и более. Значение геотермической ступени на рудниках Кольского полуострова составляет 50—70 м/°С.

Расчет ожидаемой температуры пород на глубине Н произ­ водится по формуле

зоны (зоны с постоянной температурой горных пород); Нг — сред­

рудничного воздуха, относятся следующие.

1. Естественное сжатие воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам, а также разрежение его при подъеме по этим выработкам. Ориентировочно можно считать, что при опускании на 100 м сухой воздух нагревается на 1° С,

апри подъеме на 100 м охлаждается примерно на ту же величину.

2.Окисление полезного ископаемого, горных пород и мате­ риалов крепи; окисление угля, сульфидных руд, дерева может

происходить при сравнительно низких температурах (10—15° С), причем скорость окисления определяется притоком кислорода и возрастает с увеличением последнего. Измельченное полезное ископаемое окисляется быстрее неизмельченного, так как поверх­ ность контакта его с кислородом в этом случае увеличивается. Одним из факторов, влияющим на окислительные процессы полез­ ного ископаемого, является наличие пирита в угле и в сульфидных рудах. Опытами установлено, что при окислении пирита на 1 см8 поглощенного кислорода выделяется 3,3—4,3 ккал тепла. Гниение крепежного леса обусловлено тем, что дерево содержит вещества, склонные к окислению, которое легко происходит в присутствии воды. Кроме того, дерево поражают микроорганизмы, причем жизнедеятельность их также связана с выделением тепла.

3. Процессы массообмена между воздухом и водой. Повышение влагосодержания воздуха вызывает его охлаждение. Процесс увлажнения воздуха в шахтах и рудниках может происходить адиабатически и неадиабатически. В первом случае тепло, расходу­ емое на испарение, отбирается только от воздуха, во втором слу­ чае также и от шахтной воды, если температура ее выше темпера­ туры воздуха.

4. Охлаждение горной массы при транспортировании ее по горным выработкам. Степень нагревания воздуха в этом случае зависит от способа транспортирования горной массы и от напра­ вления грузопотока по отношению к вентиляционной струе. Так, теплоотдача при транспортировании горной массы в вагонах меньше, чем конвейером. При движении грузопотока навстречу свежей струе теплоотдача его увеличивается.

5.Тепловыделения при работе машин и механизмов. Трение частей рабочих механизмов, работа электродвигателей, двигате­ лей внутреннего сгорания сопровождаются выделением тепла. Особенно заметно повышение температуры по этой причине в ту­ пиковых выработках. Так, при работе проходческих комбайнов температура воздуха^мржет повышаться на 10—12° С. Повышение температуры на 2—3° С наблюдается при работе вентиляторов местного проветривания.

6.К прочим причинам, способствующим повышению темпера­ туры воздуха, относится тепловыделение людей, охлаждение шахтных кабелей, трубопроводов сжатого воздуха, горение све­ тильников и пр.

Особые климатические условия имеют место в шахтах и руд­ никах, расположенных в районах многолетней мерзлоты. Воздухо­

подающие горные выработки этих шахт характеризуются резкими годовыми колебаниями температуры воздуха, а очистные выра­ ботки — отрицательной температурой. В летнее время в воздухо­ подающих выработках происходит оттаивание пород, в зимнее — промерзание.

Оттаивание пород существенно затрудняет ведение горных работ, так как вызывает понижение прочности и устойчивости

(до 34%); теплоты, образующейся при охлаждении транспортиру­ емого ископаемого (до 13%); скрытой теплоты, поглощаемой при изменении влагосодержания воздуха (до 7%).

Из приведенных примеров следует, что в годовом тепловом балансе шахт основное значение имеет теплоотдача породного массива.

§ 25. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА

Под кондиционированием понимают комплекс мероприятий, позволяющих поддерживать в горных выработках состав и со­ стояние воздуха, отвечающие санитарно-гигиеническим требова­ ниям. Одна из задач кондиционирования — поддержание климати­ ческих параметров рудничного воздуха, и в частности его темпе­ ратуры, в заданном режиме. Эта задача достигается:

1)предохранением воздуха от нагревания при его движении

кместам потребления;

2)охлаждением воздуха без применения специальных холо­ дильных машин;

3)охлаждением воздуха с помощью холодильных машин. Для предохранения воздуха от повышения температуры ис­

пользуют различные теплоизолирующие покрытия (см. § 95). Предохранение воздуха от нагревания обеспечивается также сокращением пути его движения к местам потребления, что дости­ гается выбором соответствующей схемы проветривания, проведе­

нием дополнительных выработок и скважин.

Замена восходящего проветривания нисходящим, когда све­ жий воздух поступает в лаву по верхнему (вентиляционному) штреку, а отводится по нижнему (откаточному) штреку при гео­ термической ступени 30—40 м/°С, позволяет снизить температуру воздуха на 2—2,5° С.

Для сокращения времени контакта воздуха с нагретыми по­ верхностями его подают к местам потребления по специально пройденным выработкам, где скорость движения воздуха может быть существенно увеличена.

Увеличение количества воздуха, поступающего в шахту, также способствует снижению его температуры. Возможности примене­ ния этого способа на действующих газовых угольных шахтах ограничены, так как скорости движения воздуха в них близки к допустимым Правилами безопасности.

Замена деревянной крепи металлической уменьшает количе­ ство тепла, которое выделяется за счет окислительных процессов. По данным Г. В. Дуганова и В. Н. Кухарева, такая мера позволяет снизить тепловыделения почти в 2 раза — с 10—12 до 6— 8 ккал/(ч-м2). Уменьшения тепловыделений за счет окислитель­ ных процессов достигают также сокращением запыленности выра­ боток угольной и другой окисляемой пылью, уменьшением вре­ мени нахождения отбитой горной массы в подземных выработках.

образуется при внезапном расширении сжатого воздуха. В ка­

(смертельная концентрация 2% по объему), имеет неприятный резкий запах, способен в смеси с воздухом взрываться при контакте с открытым огнем или электрической искрой, поэтому его можно использовать только в действующих холодильных машинах, уста­

новленных на поверхности.

В холодильных подземных машинах чаще всего используют фреоны — фтористые и хлористые производные насыщенных углеводородов — фреон-12 (CF2G12), фреон-22 (CHF2C1).

Рис. 24. Принципиаль­ ная схема холодильной установки

Фреон-12 — бесцветный газ со слабым запахом, который ощу­ щается при концентрации более 20%, неядовит, невзрывоопасен. Температура кипения его 29,8° С. Опасен при высокой темпера­ туре (более 400° С), так как при такой температуре он разлагается с образованием ядовитого газа фосгена. Фреон-22 так же опасен, как и фреон-12, однако его хладопроизводительность выше (тем­ пература кипения 40,8° С).

Холодильная установка (рис. 24) состоит из двух основных I

Холодильная установка работает следующим образом: в испа­ рителе 1 происходит испарение хладагента за счет разрежения, создаваемого компрессором 2. Хладагент сжимается компрессором и подается через дросселирующий клапан сначала в конденса­ тор 5, а затем насосом 6 вновь в испаритель. Образующийся в испа­ рителе холод передается хладоносителю, который направляется в воздухоохладитель 3, расположенный в том месте, где требуется охладить воздушный поток. Из воздухоохладителя хладоноситель насосом 4 возвращается в змеевик, расположенный в испари­ тельной камере.

В качестве хладоносителей чаще всего используют воду, а также водные растворы хлористого натрия и хлористого каль­ ция, а иногда хлористого магния, температура замерзания кото­ рых соответственно составляет —21,2, —55 и —33,6° С. Во вспомо­ гательном контуре происходит отвод тепла конденсации, осуще­

'У////////////////////////'/У////////;

Рис. 25. Схема подзем­ ного расположения хо­ лодильной установки:

г — воздухоохладитель; 2 — испаритель; 3 — конденса­ тор; 4 — охладитель воды конденсатора; 5 и 6 — на­ сосы

ствола и через них проходит весь воздух, подаваемый в шахту, или часть его. Эта схема рациональна лишь при небольшом рас­ стоянии между забоями и воздухоподающим стволом.

2.Участковое или полуцентрализованное охлаждение воздуха. Эта схема применяется в случаях, когда требуется охлаждать только часть воздуха, подаваемого на данный горизонт.

3.Местное охлаждение воздуха, т. е. охлаждение воздуха, поступающего в забой.

Схемы охлаждения воздуха подразделяются vno принципу раз­ мещения холодильного оборудования:

1)холодильная машина и воздухоохладитель размещены на поверхности;

2)холодильная машина размещена на поверхности, а воздухо­

охладитель под землей; 3) холодильная машина и воздухоохладитель расположены

под землей (рис. 25).

При размещении оборудования по первой схеме достигаются высокая надежность и безопасность работы, централизация произ­ водства холода и высокая производительность холодильной ма­ шины. Недостаток этой схемы заключается в том, что приходится

охлаждать весь поступающий в шахту воздух, даже если в этом нет необходимости; воздух по пути движения нагревается, вслед­ ствие чего уменьшается его охладительный эффект; в воздухо­ подающем стволе и околоствольном дворе температура воздуха значительно снижается и, кроме того, скорость движения воздуха в этих выработках, как правило, велика, что приводит к простуд­ ным заболеваниям у работающих.

При размещении оборудования по второй схеме положитель­ ным является, как и в первом случае, удобство монтажа, простота обслуживания и надежность работы холодильных машин, удобный

Рис. 26. Схема ступенчатого охлаждения воздуха:

1 — испаритель; 2 — воздухоохладитель; з — передвижной в о з д у х о о х л а д и т е л ь ; 4 — кон­ денсатор; 5 — охладитель воды конденсатора

и простой способ отвода тепла конденсации. К недостаткам схемы следует отнести: высокое давление в системе подачи хладоносителя, большую протяженность |трубопроводов и потерю холода на пути движения хладоносителя до воздухообменника, что тре­ бует более низкой первоначальной температуры хладоносителя.

Третья схема, когда холодильная машина и воздухоохладитель установлены под землей, наиболее проста и эффективна, так как при этом сокращается длина трубопроводов, уменьшаются потери холода и возможно применение труб низкого давления. Недоста­ ток схемы — сложность охлаждения воды после конденсации хладагента.

В глубоких шахтах (1000 м и более) для охлаждения воздуха, поступающего в лаву, до заданных пределов на всем протяжении рабочего пространства и чтобы избежать отрицательных темпе­ ратур у воздухоохладителя, применяют схемы ступенчатого охла­ ждения (рис. 26).

Производительность холодильных машин, установленных на поверхности, колеблется от 1.10е до 10*10® ккал/ч; местных установок, предназначенных для обслуживания одной или двух

лав, — от 0,1-10° до 0,6*10° ккал/ч; установок, обслуживающих тупиковые выработки, — от 0,03-10° до 0,06-10° ккал/ч.

Опыт эксплуатации холодильных установок показал, что наиболее перспективным является применение передвижных уста­ новок.

При проведении выработок большой протяженности на прак­ тике применяют передвижные воздушные холодильные установки, которые позволяют снизить температуру воздуха в подготови­ тельных выработках на 7—9° С. Хладопроизводительность пере­ движных холодильных установок колеблется от 15 до 120 тыс. ккал/ч. На шахтах нашей страны применяются пере­ движные шахтные холодильные установки типа КПШ и РВК-1. Установка типа КПШ состоит из компрессора, конденсатора и воздухоохладителя, смонтированных на общей раме, снабжен­ ной вагонеточными скатами. КПШ-3 и КПШ-40 имеют электри­ ческий привод, КПШ-40п — пневматический. Производительность по холоду от 40 до 90 тыс. ккал/ч. Установка РВК-1 основана на принципе использования охлаждающего эффекта сжатого воздуха при его расширении. Она компактна, проста по конструкции, не требует охлаждающей воды. Затраты на изготовление ее в 6— 7 раз, а на эксплуатацию в 2—2,5 раза меньше, чем при исполь­ зовании фреоновых машин. Кондиционирование воздуха с по­ мощью стационарных холодильных установок и передвижных кондиционеров используется в настоящее время на 30 шахтах страны.

§ 27. ПОДОГРЕВ ПОДАВАЕМОГО В ШАХТУ ВОЗДУХА

На большей части территории Советского Союза в зимнее время температура воздуха имеет отрицательное значение. Для предотвращения обмерзания и обледенения стенок ствола, а также расстрелов, проводников, лестничных отделений, при просачива­ нии в ствол грунтовых и поверхностных вод воздух, поступающий в ствол, необходимо подогревать.

Подогрев воздуха осуществляется с помощью калориферов. Последние бывают паровые, водяные и реже электрические. Обычно подогревают не весь воздух, поступающий в шахту, а только часть его (20—25%). Подогретый воздух по каналам с по­ мощью специальных вентиляторов подается в воздухоподающий ствол, где он смешивается с холодным воздухом. В ствол воздух подается через специальные окна, расположенные но окружности ствола на минимальной глубине 1 ,5 -2 м от уровня пола над­ шахтного здания. Иногда воздух вводят в ствол через окно канала, расположенного по касательной к окружности ствола (танген­ циально), что обеспечивает винтовое движение воздуха и более равномерный нагрев стенок ствола.

Расчет теплопроизводительности калориферной установки про­ изводят следующим образом. Вводят обозначения:

энтальпия воздуха QHap (в ккал/мин), поступающего через устье воздухоподающего ствола без подогрева,

энтальпия воздуха QCM (в ккал/мин) после смешивания двух потоков

Так как сумма энтальпий первых двух потоков равна энталь­ пии смеси этих потоков, то после приравнивания уравнений (IV.7) и (IV.8) уравнению (IV.9) и сокращения на массовую тепло­ емкость воздуха при постоянном давлении получают

По этому уравнению подсчитывают массовое количество подо­ греваемого воздуха. Теплопроизводительность калориферной уста­ новки W (в ккал/мин) определяют по формуле

-Для условий Крайнего Севера Ю. Д. Дядькин в зимний период рекомендует подогревать весь поступающий в рудник воздух, а в летнее время полностью его охлаждать с таким расчетом, чтобы температура воздуха всегда была несколько ниже темпе­ ратуры мерэлых пород»