Оценка влияния работы калориферных установок на эффективность проветривания калийных рудников

Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей (ВКМКС) занимает второе место в мире по запасам полезного ископаемого. В настоящее время добыча калийных солей осуществляется на рудниках БКПРУ-2, БКПРУ-4 (г. Березники), СКРУ-1, СКРУ-2, СКРУ-3 (г. Соликамск). Готовятся к вводу в эксплуатацию рудники Усольского и Усть-Яйвенского калийных комбинатов.

Добыча полезного ископаемого на действующих и проектируемых рудниках ведется (предполагается) подземным способом, в связи с чем возникает необходимость обеспечения проветривания данных предприятий.

Проветривание рудников неизбежно сопровождается возникновением естественной тяги (тепловой депрессии) – явлением, получившим свое название из-за естественного происхождения, зависящего только от происходящих в природе физических процессов. Возникновение тепловой депрессии обусловлено разностью плотностей (удельного веса) столбов воздуха в вертикальных и наклонных выработках рудника. Движение воздуха вызвано конвективным теплообменом, т.е. когда более холодный воздух стремиться опуститься вниз, а более теплый – подняться вверх.

Величина и направление естественной тяги определяет ее влияние на вентиляционную сеть. В случае если направление тяги совпадает с заданным (необходимым) направлением движения воздуха в руднике, ее принято называть положительной естественной тягой. Если естественная тяга направлена встречно движению потока воздуха, то это явление препятствует нормальному режиму проветривания – отрицательная естественная тяга.

Величина тепловых депрессий, действующих между стволами, определяется по формуле

где ρ_ср.i и ρ_ср.j – средние плотности воздуха в i-ом и j-ом сообщающихся стволах, кг/м³; H_ств – глубина стволов, м.

Таким образом, ввиду того, что величина H_ств для каждого конкретного рудника есть величина постоянная, абсолютное значение естественной тяги будет зависеть от изменения средних плотностей воздуха в стволах.

Плотность воздуха в определенной точке рудника определяется по общеизвестной формуле

где P_i и t_i – соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (⁰C) в i-ой точке.

Исходя из формул (1) и (2) очевидным становится вывод, что естественная тяга, действующая между стволами, будет зависеть от изменения температуры и атмосферного давления воздуха, подаваемого в рудник.

Кроме того, величину тепловой депрессии, определяемую по формуле (1), можно найти только для случая с двумя сообщающимися стволами. При количестве стволов более двух, величина общерудничной естественной тяги согласно [1, 2] будет определяться как алгебраическая сумма всех тепловых депрессий, действующих между стволами

где h_ei – тепловые депрессии, действующие между стволами, Па (рис. 1); n – количество сообщающихся стволов; sign – знак, определяющий направление тепловой депрессии.

Ввиду того, что на выходе из рудника (в околоствольном дворе вентиляционного ствола) температура воздуха в течение года имеет постоянное значение, величина тепловых депрессий, действующих между стволами, будет зависеть от температуры воздуха подаваемого в воздухоподающие стволы.

В холодное время года Едиными правилами безопасности [3] предписывается воздух, подаваемый в стволы подогревать в калориферных установках (КУ).

В работах [4, 5] было установлено, что немаловажную роль на величину тепловых депрессий, действующих между стволами, оказывает тепловая депрессия, возникающая при работе КУ – h_е(КУ) (рис. 2).

При исследованиях [4, 5] было установлено, что тепловая депрессия h_е(КУ) всегда имеет направление препятствующее поступлению теплого воздуха через КУ и способствующее инфильтрации (проникновению) наружного воздуха через надшахтное здание (через технологические проемы, скиповые окна и т. д.). Полученная в данных работах зависимость позволила с уверенностью утверждать, что при различных режимах работы КУ будут изменяться тепловые депрессии, действующие между стволами h_ei (рис. 1). Изменение величины и направленности данных тепловых депрессий будет влиять не только на величину общерудничной естественной тяги (увеличивая ее, либо уменьшая – формула (3)), а также может способствовать образованию «воздушной пробки» в одном из воздухоподающих стволов.

Кроме того, в работе [6] было установлено, что подача в стволы воздуха с одинаковой температурой не будет исключать возможность возникновения тепловых депрессий, действующих между стволами. Причиной тому является разность высотных отметок (взаимного расположения) стволов.

Таким образом, необходимо исследовать влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на воздухораспределение между ними и величину общерудничной естественной тяги при различных режимах работы КУ и вариантах расположения стволов.

Отличительной особенностью калийных рудников как объектов проветривания является то, что основная часть общешахтной депрессии (до 85 %) затрачивается в воздухоподающих и вентиляционном стволах. Поэтому изменение аэродинамического сопротивления стволов существенно влияет на воздухораспределение в руднике.

Согласно [7], аэродинамические сопротивления стволов зависят от их типа (клетевой или скиповой), сечения и глубины. Последний параметр учитывается при расчете h_ei в формуле (1). Для различного типа стволов значения аэродинамического сопротивления (зависящего от сечения), а, следовательно, и рассчитанные по ним средние плотности воздуха в стволах [8], будут различными.

В связи с этим в расчетах, приведенных в данной работе, для исключения влияния аэродинамических сопротивлений стволов на корректность результатов условно принято, что все стволы являются клетевыми, по ним в рудник подается Q_ш = 300 м³/с воздуха, при помощи вентилятора ГВУ ВРЦД-4,5 (n = 500 об/мин) [6]. Коэффициент поверхностных утечек принимался равным стандартным при проектировании систем вентиляции рудников – 25% (0,25 о.е.) [7, 8].

При работе КУ необходимо поддерживать значение температуры воздуха, поступающего в стволы не ниже + 2 ⁰C [3], по верхнему пределу, т.е. выше + 2 ⁰C, изменение температуры не запрещается. Таким образом, поддерживая в одном из воздухоподающих стволов требуемую температуру + 2 ⁰C, можно увеличивать температуру воздуха, подаваемого по второму стволу.

При подобного рода регулировке следует обращать внимание на то, что на нагрев воздуха расходуется источник внешней энергии: природный газ – на нагрев воды, подаваемой в трубки теплообменников КУ, электроэнергия – расходуемая на нагрев электрокалориферов и т.д. Поэтому для каждого конкретного случая на определенном руднике следует оценивать экономическую целесообразность подобного рода регулирования.

Основной задачей данных исследований являлась проверка возможности способа регулирования работы КУ, при различных схемах взаимного расположения стволов рудника (рис. 3).

В табл. 1 приведены результаты расчета тепловых депрессий, действующих между стволами (h_ei) и общерудничной естественной тяги (h_e) для различных вариантов расположения стволов (рис. 3) для следующих условий. При равной температуре (Δt = 0) и при разности температур (t₁ <> t₂) воздуха, подаваемого в стволы.

Таблица 1

Изменение тепловых депрессий и общерудничной естественной тяги при работе КУ

Температура воздуха условно принималась соответственно: минимальная + 2 ⁰C, максимальная + 5 ⁰C. Температура наружного воздуха в наиболее холодную пятидневку согласно [10] принималась равной –36 ⁰C.

Анализ данных, приведенных в табл. 1, показал следующее. При расположении стволов по схема б и г (рис. 3), увеличение температуры воздуха, подаваемого по стволу № 2, приведет к увеличению отрицательной тепловой депрессии h_e2, однако при этом значительно снизится отрицательное действие тепловых депрессий h_e1 и h_e3, а также общерудничной естественной тяги h_e.

При равной температуре воздуха, подаваемого в воздухоподающие стволы, расположенные по схемам а и д (рис. 3), между стволами будут возникать положительная h_e1 и отрицательная h_e2, значительных по своей абсолютной величине, что может привести к изменению воздухораспределения между стволами. Увеличение температуры воздуха, подаваемого по стволу № 1, приведет к снижению положительной тепловой депрессии h_e1, что будет способствовать более равномерной подаче воздуха по стволам. Однако, при этом значительно увеличится отрицательная общерудничная естественная тяга h_e.

При расположении стволов по схемам в и г (рис. 3), необходимости изменять разность температур воздуха, подаваемого по воздухоподающим стволам, отсутствует, а, следовательно, наоборот, следует поддерживать равное их значение.

Таким образом, при проветривании рудников в холодное время года необходимо учитывать взаимное расположение стволов, их назначение (скиповой или клетевой), в результате чего появляется возможность определить режим работы КУ, исключающий возможность образования «воздушной пробки» в одном из воздухоподающих стволов и способствующий рациональному использованию тепло- и энергоресурсов.

Литература:

1. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Расчет величины общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). – М.: Издательство «Горная книга». – 2001. – № 5. – С. 18–26.

2. Алыменко Н.И., Николаев А.В. Влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги // Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. – Пермь, 2011. – №3. – С. 106–107.

3. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом: ПБ 03-553-03: утв. ГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России» 13.05.03. М., 2003. Сер. 03. Вып. 33. – 200 с.

4. Алыменко Н.И., Николаев А.В, Седнев Д.Ю. Зависимость воздухораспределения от величины тепловых депрессий, действующих между стволами // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: матер. юбилейной конф., посвященной 80-летию геолог. ф-та и 95-летию Перм. ун-та. – Пермь, 2011. – С. 199–201.

5. Алыменко Н.И., Николаев А.В, Каменских А.А., Тронин А.П. Результаты исследования системы вентиляции рудника БКПРУ-2 в холодное время года // Вестник Пермского университета. Геология. – Пермь, 2011. – Вып. 3. – С. 89–96.

6. Алыменко Н.И., Николаев А.В. О влиянии взаимного расположения шахтных стволов на величину возникающих между ними тепловых депрессий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – Новосибирск, 2011. – № 5. – С. 84–91.

7. Мохирев Н.Н., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. – 324 с.

8. Николаев А.В. Уточнение формулы, определяющей величину естественной тяги, действующей между воздухоподающими и вентиляционным стволами // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: тр. III междунар. конф. – Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. Горн. Ун-та, 2010. С. 246–250.

9. Комаров В.Б., Килькеев Ш.Х. Рудничная вентиляция. М. Недра, 1969. – 416 стр.

10. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.