Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников"

На правах рукописи

□□3492345

Левин Лев Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ

РУДНИКОВ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 ФЕВ 2010

Пермь-2010

003492345

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор технических наук

Казаков Борис Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Авдрснко Сергей Семенович

доктор технических наук, профессор Качурин Николай Михайлович

доктор технических наук Конорев Михаил Максимович

Ведущее предприятие: Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН

Защита состоится "29" апреля 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан 18 февраля 2010 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а. Факс: (342) 216-75-02; e-mail: bba@mi-perm.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук, доцент / /у

Б. А. Бачурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Несмотря на кризисные явления в мировой экономике и снижение сбыта готовой продукции горные предприятия не отказываются от своих планов и активно увеличивают объемы добычи полезного ископаемого.

Наблюдается четкая тенденция увеличения размеров шахтных полей, количества проходимых горных выработок и добычных участков, находящихся в одновременной работе. В результате этого вентиляционные сети превращаются во все более разветвленные и сложные. Что, в свою очередь, приводит к увеличению поступающего в рудник воздуха и, следовательно, к увеличению затрат на его подготовку и появлению целого ряда осложнений при эксплуатации воздухоподающих стволов и горных выработок.

Увеличение количества подаваемого в рудники воздуха потребовало разработки теоретических и технологических основ ресурсосберегающих систем воздухоподготовки для разработки методов расчета, способов контроля, выбора средств управления подготовкой воздуха и воздухораспределения как основных инструментов нормализации рудничной атмосферы. Без решения этих задач невозможно создание надежных, высокоэффективных и экономичных вентиляционных сетей.

В последнее время в практике эксплуатации систем воздухоподготовки сложилась ситуация, когда главной целью работы калориферных установок стало не обеспечение равномерного обогрева шахтного воздухоподающего ствола, а безопасная и бесперебойная работа самих теплообменных аппаратов.

На большинстве предприятий системы воздухоподготовки понимают не как единое целое, а как отдельные технологические узлы, которые обслуживают принципиально разные участки. За энергетическое хозяйство и подачу теплоносителя отвечает отдел главного энергетика, за автоматику и контроль параметров работы - служба автоматизации, за состояние калориферного канала, ствола и надшахтного здания - участок подъема, а служба вентиляции выполняет функции контроля параметров воздуха, поступающего в рудник по стволу. Между тем, именно подземный участок вентиляции должен обеспечивать основной контроль и согласованность работы системы воздухоподготовки со всеми ее технологическими узлами и участками, входящими в комплекс «надшахтное здание -калориферная - ствол», на участке от устья до зоны полного выравнивания температур по его сечению.

Большинство существующих систем обогрева шахтных стволов имеют значительный процент износа и требуют полного капитального ремонта. Однако восстановление систем воздухоподготовки с запроектированными в 50-е годы технологиями нагрева и подачи воздуха в ствол представляется нецелесообразным, так как принципы, на которых основывался подход к разработке калориферных установок, на сегодняшний день являются морально

устаревшими и слабо проработанными как в научном, так и в проектном планах. Такие системы воздухоподготовки оказывают неблагоприятное влияние на сезонные и суточные колебания температуры воздуха в воздухоподающих стволах и вредное воздействие на тюбинговые и бетонные крепи, а это, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих безопасное ведение горных работ.

Под системой воздухоподготовки следует понимать все технологические узлы и участки, входящие в комплекс «надшахтное здание — калориферная - ствол, на участке от устья до зоны полного выравнивания температур по его сечению», от которых зависит эффективность обогрева шахтного ствола и формирование его теплового режима. К таким узлам следует отнести: теплогенерирующее оборудование (калориферы, газовые теплогенераторы и т.д.); помещение калориферной; калориферные каналы или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов; копер и средства его герметизации; надшахтное здание; технологическое оборудование ствола (скипы, клети и т.д.); места слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами и пр.

Исследованиям технологии подготовки воздуха на горных предприятиях посвящены работы А.Е. Красноштейна, Б.П. Казакова, В.А. Шушпанникова, М.М. Шемаханова, Н.И. Карасёва, Ю.П. Ольховикова, В.Б. Скрыпникова, В.Н. Скубы и других учёных. Проведённые исследования способствовали созданию разнообразных технологических схем подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников.

Подогрев поступающего в рудник воздуха может производиться при помощи теплообменных аппаратов по различным технологическим схемам. Такие схемы могут быть классифицированы по двум основным факторам, определяющим дальнейшую эффективность работы, специфику расчетов, проектирования, монтажа и обслуживания системы воздухоподготовки (рис. 1):

1. По способу перемещения и подачи воздуха в ствол (вентиляторные и «безвентиляторные» схемы).

2. По виду энергоносителя (водяные, газовые, электрические схемы).

В настоящее время работают и другие схемы обогрева шахтных стволов, не попадающие под данную классификацию, однако их использование неэффективно и ведет к большим эксплуатационным затратам.

Предложенная классификация охватывает все основные технологические схемы, которые в настоящее время могут представлять интерес при реконструкции старых и проектировании новых систем воздухоподготовки. Выбор одного из вариантов обуславливается техническими особенностями промышленной площадки рудника, надшахтного здания и ствола, а также экономическими условиями, а именно стоимостью энергоресурсов и их транспортировки на предприятии.

Технологические схемы систем воздухоподготовки

По способу псргмещоння и подачи воздуха с стсэл Вентиляторная «Безвентиляторная»

/ ' X. По энергоносителю \

Водяные Газовые Электрические

Рис. 1. Классификация технологических схем систем воздухоподготовки

Представленные в работе теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки шахт и рудников являются базовыми для создания разнообразных технологических схем подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников. Эти схемы отличаются как применяемым оборудованием, так и эффективностью реализации основной цели подготовки воздуха - обеспечения требуемых микроклиматических параметров рудничной атмосферы в воздухоподающих стволах и прилегающих к ним горных выработках.

Цель работы. Разработка теоретических и технологических основ систем подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами шахт и рудников при снижении энергетических затрат и обеспечении безопасных условий ведения горных работ в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках на основе развития теории тепломассообмена и создания ресурсосберегающих технологических схем.

Основная идея диссертационной работы заключается в создании систем подготовки воздуха с учетом индивидуальных свойств стволов и энергетических особенностей предприятий на основе необходимого перераспределения потоков атмосферного воздуха в комплексе «ствол - надшахтное здание - калориферная» и совершенствовании нестандартных процессов тепломассообмена в типовых теплообменных аппаратах с использованием как теоретических исследований, так и численного эксперимента.

Оспопные зачдчи работы:

- исследовать динамик}' воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов и разработать технологические схемы

«безвентиляторных» систем воздухоподготовки, позволяющих обрабатывать максимальное количество воздуха;

- разработать вентиляторную технологическую схему систем воздухоподготовки, в которой обрабатывается максимальное количество воздуха, поступающего в ствол шахты, исключены подсосы холодного воздуха и обеспечен равномерный обогрев тюбинговой колонны без образования зон ее перегрева;

- исследовать особенности процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении обрабатываемого количества воздуха и разработать методику расчета таких установок;

- разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки с использованием водяных калориферов для управления процессами тепломассообмена в руднике;

- изучить влияние аэростатического давления на тепломассообмен в однорядных крупногабаритных теплообменных аппаратах;

- исследовать аэрогазодинамические и тспломассообменные процессы в системах воздухоподготовки с применением газовых теплогенераторов и разработать специальную методику их расчета;

- на основании теплофизических расчётов нестационарного теплообмена изучить, насколько быстро и глубоко в радиальном и вертикальном направлениях промерзнет тюбинговая колонна при включении реверсивного режима проветривания, и разработать технологические схемы применения электрических калориферных установок;

- разработать методику расчета в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного комплекса SolidWorks, а также провести исследования достигнутой точности с помощью расчетов на разных, более редких и более частых расчетных сетках, для получения необходимой точности решения математической задачи (так называемой сеточной сходимости решения математической задачи).

Основные научные положения, пыпоспмые па защиту:

- синтезированные математические модели воздухоподготовки рудников, описывающие аэродинамические и термодинамические процессы в основных технологических элементах надшахтных зданий, калориферных установок и воздухоподшощих стволов, обеспечивающие равномерный обогрев тюбинговой крепи при максимальной подаче воздуха через теплообменные аппараты и минимальном энергопотреблении;

- математическая модель процессов тепломассообмена в гидравлических системах воздухоподготовки, основанная на непрерывном определении текущих переменных параметров воздуха и теплоносителя в процессе теплообмена, что дает возможность рассчитывать и разрабатывать энергосберегающие системы

обогрева шахтных стволов для скоростей воздуха, при которых существенное влияние оказывают аэростатическое давление и вертикальная стратификация аэродинамических потоков;

- системы обогрева воздухоподающих стволов с использованием газовых теплогенераторов, разработанные на основе средств трехмерного численного моделирования воздушных потоков, учитывающие индивидуальные аэродинамические особенности поверхностного комплекса и обеспечивающие работу теплообменного оборудования в условиях конденсационного режима теплообмена при максимальном коэффициенте использования топлива.

- обоснование режимов обогрева шахтных вентиляционных стволов на основе математической модели нестационарного теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающей температурный градиент горных пород и переменное значение коэффициента теплоотдачи, исключающих размораживание вентиляционных стволов при реверсивнных режимах проветривания рудников в зимнее время года;

- численно-аналитический комплекс расчета трехмерной системы «ствол -надшахтное здание - калориферная», обеспечивающий безопасные ресурсосберегающие параметры обогрева любых шахтных стволов с учетом их индивидуальных конструктивных и технологических свойств, а также энергетических особенностей горнодобывающих предприятий.

Достоверность научных положений, выводов н рекомендаций

подтверждается большим объемом наблюдений, выполненных в натурных условиях, а также соответствием приведенных результатов данным, полученными другими авторами.

Научная новизна:

- теоретически обоснована схема рационального распределения воздушных потоков в элементах поверхностного комплекса, и разработана методика расчета их аэродинамических характеристик, позволяющая переводить системы воздухоподготовки на энергосберегающий безвентиляторный режим подачи воздуха в рудник;

- разработана оригинальная методика расчета поверхностных теплообменников, заключающаяся в учете изменения теплотехнических параметров взаимодействующих сред при их перемещении вдоль пространственной координаты движения теплоносителя;

- создана математическая модель процессов тепломассообмена в нагревательных аппаратах с большими поверхностями нагрева при малом аэродинамическом сопротивлении и с учетом влияния градиента аэростатического давления в воздушном потоке;

- разработаны технологические схемы систем воздухоподготовки с использованием газовых теплогенераторов и методика их расчета;

- создана математическая модель теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающая увеличение температуры пород с глубиной и конечное значение коэффициента теплоотдачи, позволяющая моделировать изменения температурного поля окружающих пород;

- теоретически обосновано влияние режимов движения воздуха в вентиляционных стволах на процессы охлаждения крепи и закреппого пространства при реверсировании ГВУ и различных температурах атмосферного воздуха;

- разработана оригинальная методика определения аэродинамических характеристик вентиляторов систем воздухоподготовки с учетом условий минимального энергопотребления и максимальной подачи воздуха через теплообменные аппараты;

- разработана методика расчета систем воздухоподготовки в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного комплекса SolidWorks с учетом трехмерных особенностей технологических схем и определены параметры счета, позволяющие достигать необходимую точность решения математической задачи (так называемой сеточной сходимости решения математической задачи).

Практическое значение и реализация результатов работы. Реализация результатов работы на этапах проектирования и эксплуатации систем воздухоподготовки позволяет увеличить эффективность ведения горных работ, исключить возможность обмерзания стволов, повысить технико-экономические показатели систем вентиляции и надежность функционирования технологического оборудования воздухоподающих стволов и околоствольных дворов за счет улучшения климатических условий, а также снизить уровень простудных заболеваний шахтеров.

Полученные результаты реализованы на горнодобывающих предприятиях как в Пермском крае, так и за его пределами. Основные результаты выполненных исследований использованы при реконструкции водяных калориферных установок воздухоподающих стволов №1 и №2 рудника 4 РУ и в проектах реконструкции калориферных установок воздухоподающих стволов рудников 1, 2 и 3 РУ РУП «ПО «Беларуськалий». Ведется проектирование и строительство систем воздухоподготовки Краснослободского рудника и Березовского участка 4 РУ РУП «ПО «Беларуськалий», выполнены проекты реконструкции газовых калориферных установок стволов №1, №2 и №3 рудника БКПРУ-4, а также стволов №1 и №2 БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Калориферная ствола №2 рудника БКПРУ-4 в 2009 гиду введена в эксплуатацию. Разработаны исходные данные для проектов строительства основных газовых калориферных установок для воз-духоподающего ствола и вспомогательных электрических калориферных для вентиляционного ствола нового Усть-Яйвинского рудника ОАО «Уралкалий». Успешно работают газовые теплогенераторы в ОАО «КнауфГипс-Новомосковск».

Разработанные методики и программы включены в мощный программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», который предназначен для расчета сложных пространственных вентиляционных сетей шахт и рудников произвольной топологии, и позволяет проводить анализ различных процессов воздухораспределения в рудниках, а также решать задачи управления распределением воздушных масс в шахте.

Апробация работы. Отдельные разделы н материалы диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (Тула, 1999); на конференции «Научно-педагогическое наследие профессора И.И. Медведева» (Санкт-Петербург, 1999); на международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва - Санкт-Петербург, 1999); на международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2006, 2007, 2008); на научно-технической конференции «Уральский горнопромышленный форум» (Екатеринбург, 2006); на конференции «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006); на второй международной конференции «Горное дело» (Алма-Ата, 2006); на международной конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2006); на конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2008); на международной конференции «Форум горняков - 2008» (Днепропетровск, 2008); на научно-практической конференция «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008); на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999-2009). Основные положения диссертации докладывались на международной конференции (Пермь), на научной сессии Горного института УрО РАН (Пермь).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК России, получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения. Содержание работы изложено на 275 страницах машинописного текста и содержит 69 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы состоит из 176 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I научное положение: Синтезированные математические модели воздухоподготовки рудников, описывающие аэродинамические и термодинамические процессы в основных технологических элементах надшахтных зданий, калориферных установок и воздухоподающих стволов, обеспечивающие равномерный обогрев тюбинговой крепи при максимальной подаче воздуха через теплообменные аппараты и минимальном энергопотреблении.

Вне зависимости от технологических схем, используемых в системах воздухоподготовки, основным технологическим узлом является место сопряжения калориферного канала с воздухоподающим стволом. В связи с этим в единых правилах безопасности (ЕПБ) сказано, что температура воздуха в воздухоподающем стволе на отметке 5 метров ниже точки сопряжения калориферного канала со стволом должна быть не ниже +2°С.

Обогрев шахтного воздухоподающего ствола осуществляется следующим образом: холодный воздух из атмосферы подается на тенлообменные аппараты и, проходя через них, нагревается. После чего через специальный калориферный канал поступает в ствол шахты, где смешивается с холодным воздухом, поступающим через надшахтное здание. Смешанный воздух под действием депрессии, создаваемой вентилятором главного проветривания, поступает в горные выработки шахты.

Однако смешивание потоков и выравнивание температуры происходит не сразу, а на некотором расстояшш от устья калориферного канала. В связи с этим, возникает задача определения траектории струи тёплого воздуха в сносящем холодном потоке, по которой можно будет судить о длине пути перемешивания, местах обледенения и наибольшей температурной деформации тюбинговой колонны.

о

;с! " ^ Л --, ■

л!... ^ '->*, и \ • .■—а \ \ ■. \ .

\ \ -

\ \ 1 \ V.-'-.

Рис.2. Плоская струя в сносящем потоке

При решении задачи определения траектории струи рассматривается плоская тонкая струя (рис.2), тонкая в том смысле, что поперечный размер струи й считается много меньшим диаметра ствола О. Такое предположение вполне резонно, поскольку вряд ли можно говорить о струе в случае с/~Д так как понятия траектории и расширения теряют смысл в подобной ситуации. Для

расчёта траектории струи удобнее использовать механическую модель столкновения потоков. В механической модели рассматривается столкновение двух элементов - элемента основного потока и элемента струи. Рассматривать такое столкновение, как столкновение двух камней, разумеется, нельзя, поскольку речь идёт о непрерывной среде, а не о потоке независимых частиц. Непрерывную среду в данном случае можно представить в виде потока частиц, но частиц зависимых, и зависимость эта заключается в том, что расстояние между частицами не изменяется. Это условие означает два гидродинамических закона, которые должны быть перенесены на эту механическую модель, чтобы она стала корректной. Это закон сохранения плотности и закон сохранения расхода. Первый закон означает, что воздух несжимаем в механическом смысле, то есть давления в системе достаточно малы, чтобы не приводить к сколько-нибудь заметному изменению плотности. Однако это не означает, что плотность воздуха не зависит от температуры. Второй закон следует из первого при условии, что нет никаких утечек. Струя прижимает основной поток к стенке, сужает его, что приводит к увеличению скорости, т.к. расход должен сохраняться. Здесь, правда, не учитывается, что струя расширяется не только своим ядром, но и налипанием соседних слоев воздуха. То есть часть основного потока переходит в струю, расход основного потока становится чуть меньше, а расход струи - чуть больше. Но это на фоне ¿«Б считается несущественным.

В результате решения получено нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка для определения траектории оси х(у):

иг(у)*'=

рЯР1

2р(у)8(у)(Б-у)-

р(У)

с начальными условиямиг '(0)=^ао, функциями

Р = \(р08'+р„(8-8')), о

и(у) = —

Зу.-^ + ЗМ

В-у у 28

33 5

и нелинейным уравнением для определения полуширины ядра струи 5'

зПур 2 8

<4,-

у,У> О

0,/<0

-0' -

>,/> 01

' ) \о,у<о]

4/=г(0£/0, где у = у„

Р Д-г'

С помощью уравнения траектории оси подогретого потока можно рассчитать требуемую скорость воздуха, выходящего из калориферного канала, в зависимости от параметров потоков и геометрических размеров канала и ствола.

5/2

Ър0Л0'йпа0

IТ' ^Ш«,) 2 Т

1

Л - ^а0Т) / 2

где Б - диаметр ствола, м;

с10 - вертикальный размер калориферного окна, м;

и „ - скорость воздуха в стволе, м/с;

Т „ - температура воздуха в надшахтном здании, °К;

Т0- температура обработанного воздуха, °К;

ра- плотность воздуха в стволе до смешения, кг/м3;

рт - плотность подогретого воздуха, кг/м3;

ао - угол входа струи в ствол;

Ь - расстояние от оси калориферного канала до требуемой точки пересечения траектории потока с осью ствола.

Для реальных (существующих) скоростей потоков в воздухоподающих стволах можно пользоваться упрощенным выражением

и I +

" 2 равта0(1,2-с(Яа0) Расчеты подтвердили предположение, что фактические скорости подогретого воздуха во всех воздухоподающих стволах в настоящее время ниже требуемых в 2-3 раза, что и приводит к расслоению потоков на большом расстоянии по глубине и необходимости существенно перегревать воздух.

Решение задачи о распространении неизотермической струи в сносящем потоке позволило сформулировать основное требование при реконструкции и проектировании систем обогрева воздухоподающих стволов, а именно: при проектировании новых воздухоподающих стволов и реконструкции существующих систем воздухоподготовки необходимо предусматривать максимальную подачу воздуха через калориферный канал и теплообменные аппараты, и минимальную подачу через надшахтное здание и копер воздухоподающего ствола вне зависимости от применяемой в системе воздухоподготовки технологической схемы.

Воздух, подаваемый в ствол, перемещается либо специальными нагнетательными вентиляторами, либо за счёт депрессии вентилятора главного проветривания шахты (рудника). В соответствии с этим существуют так называемые вентиляторная и «безвентиляторная» технологии нагрева воздуха. Реализация идеи, при которой максимальная подача воздуха осуществляется через калориферный канал и теплообменные аппараты, и минимальная через надшахтное здание и копер воздухоподающего ствола в вентиляторной и «безвентиляторной» технологических схемах существенно отличается. Так в одном случае возникает задача исследования совместной работы вентилятора главного проветривания с вентиляторами системы воздухоподготовки и разработка методики определения их аэродинамических характеристик, а в другом - задача аэродинамического расчета воздушных потоков в теплообменных аппаратах, калориферных каналах, надшахтном здании и воздухоподающем стволе.

Существуют обстоятельства, когда для обогрева шахтного воздухоподающего ствола возможно применение только вентиляторной системы воздухоподго-

товки. Как правило, это воздухоподающие стволы, полностью оборудованные скиповым подъемом.

Наиболее эффективным решением в вентиляторных системах воздухоподготовки является решение, при котором вентиляторы устанавливаются параллельно и обеспечивают подачу такого количества воздуха, которое может принять вентилятор главного проветривания рудника. В этом случае вентилятор работает на один или несколько калориферов (теплогенераторов) и создает напор, необходимый для преодоления сопротивления теллообменных аппаратов, воздухозаборных и регулирующих устройств, воздуховодов и калориферных каналов. Существенным преимуществом такой технологической схемы является практически полное исключение подсосов в воздухоподающий ствол холодного воздуха через надшахтное здание.

58316 1*1 Св? Метан клмурит рвОИВСв * /лооГ.цп, 2.Э.0.1

Рис. 3. Расчет вентиляторной системы воздухоподготовки в ПВК «АэроСеть»

Для изучения совместной работы группы параллельно установленных вентиляторов системы воздухоподготовки с вентилятором главного проветривания была разработана расчетная модель вентиляционной сети рудника, выполненная в программно-вычислительном комплексе «АэроСеть» (рис.3).

Анализ выполнялся для несколько наиболее вероятных случаев работы вентиляционного оборудования в системах воздухоподготовки:

1. Работа вентиляторов, установленных с большим запасом по напору.

2. Вентиляторы установлены с запасом, который компенсируется средствами отрицательного регулирования.

3. Вентиляторы установлены с запасом и частотными преобразователями.

В результате проведенных исследований совместной работы вентилятора главного проветривания с вентиляторами системы воздухоподготовки были разработаны:

- методика определения рабочих характеристик и типов источников тяги;

- расчет влияния таких источников на вентилятор главного проветривания и перераспределение воздуха между воздухоподающими стволами;

- алгоритмы автоматического управления, в том числе работа в аварийных режимах при выходе из строя одного или нескольких вентиляторов.

При использовании «безвентиляторной» технологии нагрева воздуха возникает задача расчета количественного соотношения струй и оценки возможности увеличения подаваемого количества воздуха в ствол за счет разряжения главной вентиляторной установки через калориферные каналы и устье ствола.

Система «ствол - надшахтное здание - калориферная» моделируется в виде тройника «3-1-2» (рис. 4). Процесс смешивания потоков воздуха рассматривается как их взаимное сужение-расширение друг другом до выравнивания скоростей и давлений. Потери энергии на смешивание потоков учитываются коэффициентами ъ\ и ъг (Па/(кг/с)2), которые определяются экспериментально (Км2) - сечения каналов, Ь^кг/с) - массовые расходы).

Аэродинамические сопротивления каналов к; (Па/(кг/с)2) принимаются как известные. Сопротивление калорифера, согласно справочным данным, пропорционально расходу в степени ш, где коэффициент пропорциональности и показатель степени определяются конкретным типом калорифера. В методику расчётов заложена система калориферов, соединённых как последовательно, так и параллельно по воздуху. Суммарное аэродинамическое сопротивление системы калориферов рассчитывалось по формулам:

= К - при последовательном соединении, Л

= к '" - при параллельном соединении,

где К,(Па/(кг/с)2) - сопротивление одного калорифера (др>

Рис. 4. Динамика воздушных потоков в системе «ствол - надшахтное здание - калориферная»

Атмосферное давление Ра(Па) н давление разрежения Рз(Па) принимаются заданными.

Система уравнений движения воздуха имеет вид:

Р.=Ра(1) 2р,1,

Р2=Р.-(к2+-^)Ьг2-т2, (2)

2р2{2

(3)

^ + + (4)

^ + Р1=М1+Р3(5)

(6)

Уравнения (1) и (2) определяют потерю напора на сопротивление каналов, на приобретение воздухом кинетической энергии и, во втором уравнении, на сопротивление системы калориферов. Уравнение (3) есть уравнение непрерывности, (4) и (5) - уравнения сохранения полной энергии (кинетической

и потенциальной) с учетом потерь на смешивание потоков. Участок смешивания (до выравнивания давлений к величине Р3(Па)) предполагается достаточно коротким, чтобы его сопротивлением (к3) можно было пренебречь. Последнее уравнение (6) связывает массовые расходы и скорости воздуха. Плотности рь р2 и р3 (кг/м3) предполагаются зависящими от температуры: р(Т0, р(Т2) и р(Т3), где Ть Т2 и Т3 - температур воздуха (°С) в 1, 2 и 3 каналах соответственно. Очевидно, что после полного смешивания

Т =,Ь1Т1+Ь2Т2 (7)

3 Ц+Ь2

Система уравнений сводится к системе двух нелинейных уравнений, которые решаются численно методом двумерных секущих:

где к,=к,+2, и к2=к2+22.

При увеличении количества воздуха, проходящего через калориферные установки, потребуется установка большего числа калориферов, что в свою очередь ограничивается площадью уже существующих зданий калориферных. Существующие характеристики аэродинамических схем подготовки и подачи воздуха в шахту не всегда позволяют провести требуемые работы. С целью увеличения подачи обрабатываемого воздуха в шахту через калориферные установит необходимо увеличить сечение для прохода воздуха в калориферных каналах. Для этого была поставлена задача создания математической модели системы воздухоподготовки с двумя калориферными каналами, расположенными друг над другом. Принципиальная схема системы воздухоподготовки подобного типа изображена на рисунке 5.

Математические выкладки аналогичны системе с одним калориферным каналом, но с учетом того, что система моделируется теперь двумя тройниками. Система уравнений баланса массовых расходов в этом случае имеет вид:

12==(кЛ?2+11и?),

(8)

(Р.-РзЬк^^^Ъ)!

2рз1з

(9)

(Р.-Рз> =

а; +ь2 +ь2)2

+ к2Ь2

(Ю)

(Р.~Рэ) =

+ + гДЬ', + Ь'2

(И)

(Р."Рз> =

+ к'2Ь2 +г,(Ь', + Ь'2)2-

(12)

Рис. 5. Схема движения воздуха в системе воздухоподготовки с двумя калориферными каналами

Здесь величины со штрихом означают принадлежность к верхнему, а без штриха - к нижнему калориферным каналам соответственно. На основании полученной системы уравнений разработана методика определения аэродинамических параметров воздухоподготовительного комплекса, которая позволяет рассчитывать основные аэродинамические параметры и разрабатывать исходные данные для «безвентиляторных» систем воздухоподготовки:

- тягу, создаваемую главной вентиляторной установкой в воздухоподающем стволе после полного смешивания потоков;

- аэродинамические сопротивления копра, калориферных каналов, калориферов и другого технологического оборудования;

- расходы воздуха, поступающего в ствол через калориферные каналы и копер;

- температуру воздуха на выходе из теплообменных аппаратов, которая является одним из определяющих исходных данных для теплотехнического расчета теплообменных аппаратов.

II научное положение: Математическая модель процессов тепломассообмена в гидравлических системах воздухоподготовки, основанная на непрерывном определении текущих переменных параметров воздуха и теплоносителя в процессе теплообмена, что дает возможность рассчитывать и разрабатывать энергосберегающие системы обогрева шахтных стволов для скоростей воздуха, при которых существенное влияние оказывают аэростатическое давление и вертикальная стратификация аэродинамических потоков.

Исследования процессов тепломассообмена при подготовке атмосферного воздуха в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов выполняются для разработки методики расчета основных расходов и температурных параметров калориферных установок с целью решения вопросов подбора необходимого оборудования, регулирования и эксплуатации систем подготовки воздуха рудников.

Калориферная установка представляет собой систему теплообменных модулей, расположенных и соединённых между собой определённым образом. Воздух, проходя сквозь установку, нагревается в результате теплообмена с горячей водой, которая прогоняется по теплообменникам. При одном и том же общем расходе воды калориферы могут быть соединены как последовательно, так и параллельно по воде, или какие-то параллельно, а какие-то последовательно. Кроме того, они могут быть расположены по воздуху как в один, так и в несколько рядов.

Существующие методы расчёта теплообмена воздуха и калорифера основаны на простом усреднении температуры воздуха и воды, т.е. при расчёте теплообмена предполагается, что температура воздуха равна арифметическому среднему между начальной и конечной температурой, и аналогично для воды. Такой подход достаточно груб, поскольку предполагает линейную зависимость температуры от координаты, а это не так, тем более, если рассматривается система последовательно подключённых по воде или последовательно расположенных по воздуху калориферов. В разных вариантах теплообмен между теплоносителем и воздухом происходит по-разному, в одних случаях более интенсивно, в других - менее. Интерес представляет не только средняя температура воздуха на выходе из установки, но и температура воды на выходе из нее. Так как для расчета замерзания калорифера нужно знать не среднеарифметическую температуру воды (и даже не интегрально среднюю), а температуру в конце последнего хода калорифера (или последовательной цепочки калориферов, если они соединены последовательно), поскольку именно там чаще всего происходит замерзание. Таким образом, возникает необходимость математического описания процессов теплообмена системы калориферов с воздухом для того, чтобы спрогнозировать тепловую ситуацию конкретных установок, а также получить возможность определять наиболее удачное расположение и соединение калориферов в конкретных случаях.

С этой целью поставлена и решена задача процесса теплообмена воздушного потока с теплоносителем в безвентиляторпых калориферных установках с учетом вертикальной неравномерности скорости движения воздуха. Получены уравнения для определения температур нагретого воздуха Тл(х) (°С) и охлажденной воды Т№(х) (°С) в калориферной установке:

Т* (х) = Ти (х) - (Т№ (х) - Ту0 )ехр{---М-—}, (13)

(.4)

¿X СвдЧи Ц [

где х- координата (м) вдоль трубки теплообменника длиной Цм) по ходу теплоносителя от 0 до Ь; ТУо- начальная температура холодного воздуха (°С); к(Дж/(м2-с-°С) и Р(м2)- коэффициент и общая поверхность теплообмена; су и с„-удельные теплоёмкости воздуха и воды (Дж/(кг°С)); ^(м")- сечение калорифера по воздуху; дж(кг/с)- массовый расход воды; \у(х)- массовая скорость воздуха (кг/(м2-с)).

С целью подачи большего количества воздуха через теплообменные аппараты в «безвентиляторных» системах воздухоподготовки необходимо снижать аэродинамическое сопротивление участка «теплообменник - калориферный канал -ствол», для этого теплообменные аппараты располагают в один ряд по воздуху. Расположение теплообменных аппаратов в один ряд по воздуху в системах воздухоподготовки приводит к разработке калориферных установок с большими площадями контакта нагреваемой и греющей среды. Теплообмен при больших площадях контакта является нетипичным и имеет ряд особенностей, таких как:

- влияние аэростатического давления на движение воздуха через теплообменные аппараты в помещении калориферных установок;

- влияние направления движения теплоносителя в теплообменных аппаратах.

В процессе эксплуатации безвентиляторных калориферных установок было замечено, что нижние ряды калориферов чаще выходят из строя и чаще замерзают. Поэтому к уравнениям (13) и (14) для температур воздуха и воды добавлено уравнение для определения массовой скорости воздуха \у(х), вид которого зависит от конфигурации калорифера и направления подачи теплоносителя относительно силы тяжести: 1) движение теплоносителя в калориферах сверху вниз; 2) движение теплоносителя снизу вверх (боковые варианты не рассматривались).

1) Давление, создаваемое столбиком воздуха до нагрева:

Рп(х) = Рпа ) =Р„о +

п ¡=1 п

где Рп0 - давление не нагретого воздуха вверху, g - ускорение свободного падения. Давление, создаваемое столбиком воздуха после нагрева:

Рк(х)=Ркв+-г¥.р<т*Ы)>

П ,=7

где Рк0 - давление нагретого воздуха вверху, а х, определяется следующим образом:

1-1

х--, при нечётных г

п

О, 1ПХ1 X

х-2(х--)--, при четных /

2) Давление, создаваемое столбиком воздуха до нагрева:

Н Н

Р„(х) = Рп0+-Е £ р(Тув)=Ряв+—8Рув(п-1-[пх]). п ,=/ п

Давление, создаваемое столбиком воздуха после нагрева:

Рк(х) = Рк0+~8 ±Р(Тук(х,)),

11 1~[ях]+2 1-1

х +-, при нечетных /

п

[пх1, /-2

х + 2(х--) +-, при четных /

п п

(15)

х, =

(16)

Обозначая перепад давлений АР(х)=Рп(х)-Рк(х) и учитывая, что согласно экспериментальной формуле падения депрессии на калорифере АР=Ьп?"(х), где константы Ь и т определяются конкретным типом калорифера, получаем уравнения для п(х) для обоих случаев:

1) ЛУП(Х) = < -ТРМХ,))^

еН( " \

ОН у Ы[пх+2] У

где х, определяются для 1) из (15), для 2) - из (16). Оставшаяся неизвестная величина - массовая скорость воздуха вверху - определяется из условия неизменности массового расхода воздуха ([о'.

}и (х)ск^, (18)

О Ъ

где Я- площадь сечения для прохода воздуха. Следует заметить, что условие неизменности массового расхода воздуха не является очевидным, а отражает тот факт, что аэродинамическое сопротивление всей сети (калориферная -калориферный канал - ствол - и т.д.) достаточно велико, чтобы маленький гидростатический перепад давлений смог бы изменить расход.

В летний период существующие при каждом воздухоподающем стволе калориферные установки могут быть использованы для охлаждения и осушения

воздуха. Принцип действия таких установок заключается в подаче охлажденного хладоносителя в трубки воздухонагревателей, где влажный воздух, соприкасаясь с холодными стенками трубок, подвергается осушению и охлаждению. Холодный рассол или другой хладоноситель из рассолосборника через фильтр подается в теплообменник. Насосом в калориферную установку подается циркулирующая в этом кольце охлажденная вода. Осушенный воздух после воздухоохладителей по калориферному каналу поступает в ствол, где смешивается с необработанной частью воздуха. Преимущества данного метода заключаются в минимальной реконструкции калориферной и использовании её в течение всего года.

Особенностью расчета теплообменных аппаратов, работающих на охлаждение воздуха, является выделение тепла при конденсации водяных паров, которое идёт на дополнительный нагрев воды. Что касается температуры воздуха Тук(х), то предполагается, что выделение тепла при конденсации вдет только на нагрев воды, а в нагреве воздуха участвует только обычный теплообмен между водой и воздухом. Поэтому вид формулы остаётся прежним (13) (скорость воздуха в данном случае предполагается неизменной по вертикали):

Вид функции Tw(x) определяется отсутствием или наличием и местоположением критической точки х,ф теплообменника, в которой из воздуха в результате его охлаждения начинает выделяться влага.

Математическое описание осушения воздуха в калориферных установках было использовано для создания программы расчета калориферных установок в летнее время, которая позволяет спрогнозировать основные режимы работы установок, то есть температуры воздуха и хладагента на выходе из теплообменных аппаратов, критическую температуру воздуха и количество выделяющейся при этом влаги.

III научное положение; Системы обогрева воздухоподающих стволов с использованием газовых теплогенераторов, разработанные на основе средств трехмерного численного моделирования воздушных потоков, учитывающие индивидуальные аэродинамические особенности поверхностного комплекса и обеспечивающие работу теплообменного оборудования в условиях конденсационного режима теплообмена при максимальном коэффициенте использования топлива.

Как правило, в существующих системах воздухоподготовки атмосферный воздух подогревается в калориферных установках, теплоносителем в которых является перегретая вода из тепловых сетей. Потери тепла при транспортировке теплоносителя и перемещении нагретого воздуха в таких калориферных установках составляет 30-50%. Поэтому в последнее время при реконструкции систем обогрева шахтных стволов большой интерес вызывают технологические

(19)

схемы нагрева атмосферного воздуха с применением газовых нагревателей, что обусловлено сравнительно низкими эксплуатационными затратами, минимальными потерями тепловой энергии и высокой эффективностью использования топлива.

Выпускаются газовые воздухонагреватели трех типов, различающиеся способами нагревания воздуха. В первом случае атмосферный воздух нагревается за счет его смешивания с продуктами сгорания при открытом сжигании газа в воздушном потоке. Во втором функции всей системы генерации и транспортировки тепла (котельной, теплотрассы и калорифера) совмещены в едином блоке, а тепло передается с помощью термосифонных элементов. Третий тип установок характеризуется как теплогенераторы, в которых не происходит прямого контакта дымовых газов с воздухом, поступающим в шахту, а теплообмен между продуктами сгорания и атмосферным воздухом происходит через стальную перегородку. Теплоносителем при этом являются продукты сгорания газа, которые выбрасываются за пределы воздухозабора шахты. Сгорание газа происходит в топке, которую атмосферный воздух обтекает и подогревается, после чего происходит дополнительный отбор тепла в воздухо-воздушных теплообменниках-утилизаторах тепловой энергии продуктов сгорания (рис. 6).

Рис.6. Газовый рекуперативный теплогенератор

В отличие от первого типа воздухонагревателей, устройства второго и третьего типов при оснащении их должными системами управления и контроля за содержанием вредных газов в продуктах горения, могут успешно применяться в шахтных системах обогрева воздухоподающих стволов. Преимуществами этих систем являются:

- безопасность в эксплуатации;

- исключение затрат на строительство котельной, теплотрасс, калориферов;

- низкие эксплуатационные затраты;

- безинерционность, быстрый выход на заданный тепловой режим;

- высокий КПД использования газа при работе в конденсационном режиме;

- минимальные потери тепла с уходящими продуктами сгорания;

- плавное, экономичное управление процессом воздухоподготовки в зависимости от времени суток и температуры окружающего воздуха;

- широкий диапазон регулирования каждого агрегата по тепловой производительности;

- возможность диспетчеризации;

- компактность и простота монтажа.

В 2002 году на ОАО (СП) «ГипсКнауф» было принято решение о реконструкции существующей системы обогрева воздухоподающего ствола в связи с постоянными аварийными ситуациями, возникающими при эксплуатации существующей калориферной установки. По результатам обследования и проведенных научно-исследовательских работ было принято решение о применении «безвентиляторной» калориферной установки с использованием в качестве воздухонагревателей газовых генераторов ТС-800 производства фирмы GoGaS (Германия).

Эксплуатация системы обогрева шахтных стволов с помощью газовых теплогенераторов в течение двух отопительных периодов показала ее высокую надежность и эффективность. Однако было замечено, что существенную роль в обеспечении эффективной работы системы воздухоподготовки такого типа играет динамика воздушных потоков внутри помещения калориферной и равномерное распределение объемов нагреваемого воздуха между теплогенераторми.

С целью проведения исследований аэродинамических потоков в системах воздухоподготовки с газовыми теплогенераторами рассмотрено более 20 компоновочных технологических решений. Для каждого из этих решений выполнено трехмерное моделирование и серия численных экспериментов с помощью методов вычислительной гидро газодинамики, т.н. CFD (Computational Fluid Dynamics) - методов.

После анализа различных технологических схем расстановки теплогенераторов, выполненного с помощью аэродинамического приложения COSMOSFloWorks, было получено, что равномерную подачу можно обеспечить за счет равномерного удаления теплообменных аппаратов от зоны всасывания в калориферные каналы. А это возможно в случае расположения газовых агрегатов в виде т.н. «ромашки».

Использование газовых теплогенераторов в системах обогрева шахтных стволов отвечает всем требованиям правил безопасности и является эффективным и экономически оправданным мероприятием. Для внедрения таких систем при выполнении проектно-сметных работ необходима детальная научно-исследовательская проработка, включающая в себя моделирование процессов теплообмена и движения воздушных потоков в комплексах воздухоподготовки, и позволяющая учесть всю специфику вентиляционных сетей и воздухоподающих стволов отдельно взятого горного предприятия.

IV научное положение: Обоснование режимов обогрева шахтных вентиляционных стволов на основе математической модели нестационарного теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающей температурный градиент горных пород и переменное значение коэффициента теплоотдачи, исключающих размораживание вентиляционных стволов при реверсивных режимах проветривания рудников в зимнее время года.

Использование электрической энергии в качестве греющего энергоносителя ограничивают большие капитальные затраты в связи с жесткими требованиями безопасности и большие текущие затраты в связи с высокими тарифами на электроэнергию. Несмотря на известные преимущества применения электроэнергии (соблюдение точного температурного режима в стволе, широкие возможности автоматизации процесса нагрева воздуха), вышеперечисленные факторы сдерживают и будут сдерживать использование электроэнергии в шахтных калориферных установках.

Однако совсем иная ситуация может возникнуть в случаях, где требуются небольшие капитальные затраты при строительстве системы воздухоподготовки при ее кратковременном, нечастом включении в течение отопительного периода.

Вентиляционные стволы рудников, в отличие от воздухоподающих, не имеют систем тепловой защиты от зимних холодов, функцию которых выполняют калориферные установки и каналы. В холодное время года нагретый воздух по калориферным каналам подается в воздухоподающий ствол и предохраняет его крепь от промерзания. В обычном режиме проветривания тюбинговая колонна вентиляционного ствола обогревается с одной стороны теплом горного массива, с другой - теплом исходящей из рудника струи отработанного воздуха, поэтому угроза температурных деформаций крепи в этом случае отсутствует независимо от температуры наружного воздуха.

Иначе дело обстоит в случае включения реверсивного режима проветривания рудника в зимний период. При реверсировании главной вентиляторной установки (ГВУ) холодный атмосферный воздух подаётся в вентиляционный ствол без подогрева, и, как следствие, происходит охлаждение крепи ствола. Реверсивный режим работы ГВУ является аварийным и предполагает ограниченное время действия. В зависимости от температуры и количества подаваемого в ствол воздуха охлаждение крепи за время реверсивного проветривания может вызвать критические температурные деформации колонны, а может и не успеть. Время подачи холодного воздуха в ствол является величиной определяющей.

Поэтому необходимо знать насколько сильно, быстро и глубоко в радиальном и вертикальном направлениях промерзнет тюбинговая колонна за это время, что должно определяться только на основании теплофизических расчётов нестационарного теплообмена.

В настоящее время не существует каких-либо простых аналитических зависимостей, позволяющих определять временные изменения температуры среды по глубине и толщине цилиндрического слоя. Задача нестационарного теплообмена

движущегося воздуха с горным массивом, может быть решена только численно. Общепринятый метод решения задач подобного рода - нахождение так называемого «коэффициента нестационарного теплообмена», позволяет избежать постановки и решения задачи сопряжённого теплообмена двух сред, что является своего рода модельным упрощением. Как показали теоретические исследования, данный метод расчёта даёт хорошие качественные результаты. Однако количественная сторона метода «оставляет желать лучшего» - скорость теплообмена, как правило, оказывается завышенной. С целью получения более точных количественных результатов в лаборатории разработана математическая модель сопряжённого теплообмена вентиляционного воздуха с горным массивом, позволяющая с хорошей точностью рассчитывать температурные изменения движущегося по выработкам воздуха и горного массива с учётом различных осложняющих факторов. К этим факторам относятся: конечное значение коэффициента теплоотдачи стенок выработки, переменная скорость движения воздуха (учёт ответвлений), переменная начальная температура воздуха, поглощение и выделение тепла при испарении и конденсации влаги. В последнее время велись работы по адаптации разработанной модели теплообмена к расчёту температуры воздуха в воздухоподающих и вентиляционных стволах рудников, для чего в модель был привнесён ещё один осложняющий фактор - увеличение температуры массива с глубиной (рис. 7).

О Щ.

г0- радиус ствола (м);

температуропроводность массива (м'/с); объёмная теплоёмкость воздуха (Дж/(11 *°С); С/ объёмная теплоёмкость массива (Дж/?.1 *°С); г - текущая глубина (в ед гс); г - радиальная координата (в сд г„); I • текущее время (в ед гг/х„); ТГ- среднегодовая температура воздуха (°С); Т*(г)=Ч'г - температура массива при г=> х (°с, Т01); Т. (г, I) - текущая температура воздуха ('С, ТЛ; Т Ц) - температура наружного воздуха (СС, Т,'); V (г) - скорость движения воздуха (м/с); g - ускорение свободного падения (м/с1); и(г) - коэффициент теплоотдачи (Дж/(м: *с*"С);

X, с7

V

Т,ид)

ё

безразмерные комплексы

I

Т.

х»

Рис. 7. Модель теплообмена воздуха с крепью ствола

Задача сопряжённого теплообмена вентиляционного воздуха с горным массивом в стволе решалась с помощью преобразований Лапласа, результаты для изображений температур массива тт и воздуха та в приближении малых времён теплообмена представлены формулами (20) и (21).

✓ 1 Щ

1+

/г

с(г)

(21),

где

= р +

Ъ4р с(г)

Численная реализация полученного математического решения задачи теплообмена позволяет рассчитывать временные и пространственные изменения температуры воздуха и массива, как в горизонтальных, так и в вертикальных выработках (стволах).

По результатам проведённых исследований теплообмена вентиляционного воздуха с горным массивом после реверсирования ПЗУ в холодное время года сделаны следующие выводы:

- реверсирование ПЗУ зимой является безопасным только при наличии системы аварийного обогрева вентиляционных стволов;

- если система аварийного обогрева отсутствует, то охлаждение крепи ствола происходит тем сильнее и глубже, чем больше проходит времени с начала реверсирования ГВУ;

- скорость охлаждения крепи и критическое время реверсивного проветривания зависят от большого количества параметров и могут быть определены на основании теплофизических расчётов с помощью соответствующего программного обеспечения.

В зависимости от времени реверсирования воздушной струи и воздействия холодного воздуха на крепь следует различать три аварийных стадии размораживания:

1. Замерзание воды на контактах тюбинг - бетон. После чего происходит нарушение взаимосвязи между бетонной рубашкой и тюбингами и отрыв бетона от тюбинговой колонны.

2. Снижение температуры крепи, равномерное по всему сечешио, или понижение температуры части тюбинговой колонны по отношению к некоторой температуре [к, при которой происходит раскрытие соединительных швов венти-

ляционных стволов и нарушение свинцовой чеканки, что впоследствии может привести к образованию течи воды, при замерзании которой на стенках ствола, расстрелах и проводниках нарастает ледяная корка.

3. Замерзание воды на контактах бетон - порода, что может привести к разрушению крепи.

Следует отметить, что первая и вторая стадии в основном зависят от времени промерзания тюбинговой колонны. Первая стадия может наступить при промерзании тюбинговой колонны до 0°С на всю толщину спинки тюбинга. Однако в связи с тем, что многолетние наблюдения за температурой воздушного потока в вентиляционных стволах показывают, что сезонные колебания практически отсутствуют (составляют не больше 2+3°С) и не оказывают какого-либо влияния на состояние крепи ствола, можно предположить, что контакт чугунной колонны и бетонной рубашки не нарушен. И, следовательно, не должен иметь скоплений воды, которые могли бы привести к разрушению тюбинговой колонны.

Дальнейшее понижение температуры тюбингов вызывает изменения геометрических размеров отдельных элемыггов крепи. Вследствие различия теплофи-зических и физико-механических свойств, отдельные элементы крепи (тюбинговая колонна, бетонная рубашка и т.д.) по-разному реагируют на колебания температуры. Теплообмен между бетоном и воздушным потоком происходит через тюбинговую колонну, обладающую большим коэффициентом температуропроводности. Переход от одной температуры к другой у бетонной рубашки совершается значительно медленнее, чем у тюбинговой колонны, что, в свою очередь, вызывает различие в температурных деформациях и может привести к отрыву чугунной колонны от бетонной рубашки, нарушается их взаимосвязь.

Снижение температуры крепи, равномерное по всему сечению, или понижение температуры части тюбинговой колонны по отношению к некоторой нейтральной температуре /„к, при которой крепь имеет наибольшую герметичность, а температурные напряжения в крепи имеют минимальные значения, приводит к раскрытию горизонтальных и вертикальных соединительных швов.

При наличии хорошего сцепления между бетоном и чугуном каждый тюбинг как бы зафиксирован на бетонной рубашке, поэтому при резком и равномерном по периметру понижении температуры происходит равномерное увеличение ширины соединительных швов между соседними тюбингами. При этом натяжение болтовых соединений временно возрастает и вызывает деформацию свинцовых гидроизоляционных шайб. Наибольшую возможность раскрытия, при реверсировании воздушной струн, имеет первый пикотажный шов вентиляционного ствола, так как в этом случае используют специальные тюбинговые кольца - верхние и нижние пикотажные, которые не имеют болтовых отверстий.

Проведено два варианта расчёта изменения температуры массива на расстоянии 5 см от поверхности ствола - 1) массив является бетоном и 2) массив является чугуном. Отличие: теплопроводность чугуна на порядок выше, чем у бе-

тона. Согласно полученным результатам процесс охлаждения массива может быть разделён на две временные стадии:

1. Первая стадия - до 1 часа с начала охлаждения. Часть массива за пределами 5 см поучаствовать в теплообмене ещё не успевает. Поэтому тонкий цилиндрический слой чугуна охлаждается быстрее, чем слой бетона, по причине большей теплопроводности (рис. 8).

Рис. 8. Расчётные изменения температуры закрепного пространства при реверсировании ГВУ (сплошные линии - чугун, пунктирные линии - бетон)

2. Вторая стадия - после 1 часа с начала охлаждения. Окружающий массив начинает участвовать в теплообмене, выполняя функцию холодоотвода. Разумеется, чугун с этой функцией справляется значительно лучше, чем бетон. Поэтому на этой стадии охлаждение массива на 5 сантиметровой глубине для чугуна идёт значительно медленней, чем для бетона, поскольку бетон, по сравнению с чугуном является теплоизолятором для выделенного цилиндрического слоя (рис. 9).

В реальности задача является двухслойной - тонкий внутренний слой массива (тюбинговый) чугунный, внешний - из бетона (далее горный массив - по характеристикам может быть приравнен к бетону). Согласно проведённому анализу для этого варианта результаты будут следующие:

1. Первая стадия до 1 часа - такая же, как и для чугуна, поскольку внешний массив в теплообмене ещё не участвует.

2. Вторая стадия после 1 часа - сценарий «хуже», чем для бетона. Поступает холод, по-прежнему, со скоростью, соответствующей теплопроводности чугуна, а отводится с гораздо меньшей скоростью в бетон. Таким образом, следует ожидать, что решение двухслойной задачи даст ещё большую скорость охлавде-ния тюбингов.

Рис. 9. Расчётные изменения температуры закрепного пространства прн реверсировании ГВУ (сплошные линии - чугун, пунктирные линии - бетон)

На графиках видно, что расчет выполнялся для девяти вариантов начальных температур. Изменение начальной температуры Т (°С), поступающего в ствол реверсивного воздуха, зависит от мощности системы воздухоподготовки IV (МВт), установленной в вентиляционном канале ствола, и приведено в таблице 1.

Таблица 1

Т(СС) -48 -45 -42 -39 -36 -33 -30 -27 -24

\У(МВт) 0 1.96 3.92 5.88 7.84 9.80 11.76 13.72 15.68

Следует заметить, что при температурах охлаждения тюбинговой колонны до -12-:--150С существенное влияние начинает оказывать начальная температура воздуха, т.е. мощность системы обогрева вентиляционного ствола. Так при повышении начальной температуры воздуха в стволе с -48°С до - 24°С продолжительность размораживания тюбинговой колонны увеличивается практически в

пять раз и составит почти 20 часов. Этого времени уже может хватить для проведения спасательных мероприятий при введении в действие плана ликвидации аварий. Кроме того, при обеспечении безопасного реверсирования в таком временном интервале отпадает необходимость выполнения расчетов теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов для абсолютно минимальной температуры наружного воздуха, согласно СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», на период более одних суток. Эта температура должна быть заменена температурой воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 0,92. Для условий Верхнекамского месторождения калийных солей эта температура составляет -39°С. Такое изменение расчетной температуры приведет к значительному снижению стоимости строительства системы воздухоподготовки при одновременном увеличении возможного периода реверсирования воздушной струи. Следовательно, можно сделать вывод, что вентиляционные стволы должны оборудоваться системами воздухоподготовки мощностью, обеспечивающей безаварийную работу вентиляционного ствола в течение суток при абсолютно минимальной температуре наружного воздуха.

ю

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

Т(град.Ц)

<(мес)

-24

-27 -30 -33 -36 -39 -42 -45

0.00 0.10 0.20 Рис. 10. Расчётные изменения температуры закрепного пространства при реверсировании ГВУ (бетон)

Наиболее опасной является третья стадия, при которой происходит промерзание бетонной рубашки (рис. 10) с последующим замерзанием воды на контактах бетон - порода, что может привести к разрушению крепи. На участке крепления стволов чугунными тюбингами изменения температуры тюбинговой колонны передаются бетонной рубашке. Бетонная крепь имеет в 5-Н0 раз большую толщину и в 20-^25 раз меньшее значение коэффициента температуропроводности. Вследствие этого бетонная крепь с большим запаздыванием, чем тюбииго-

вая колонна, следит за изменениями температуры воздушного потока в стволе. В результате этого возникают дополнительные температурные напряжения, способствующие растрескиванию бетона. При дальнейшем размораживании бетонной крепи начинают замерзать грунтовые воды, создавая дополнительное давление на бетонную рубашку, которая впоследствии может разрушиться.

На основе разработанной математической модели теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов были произведены расчеты промерзания бетонной рубашки для условий вентиляционного ствола №4 рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий». Диаметр вентиляционного ствола 8 м; температура пород до реверсирования +8°С; температура наружного воздуха рассматривалась от -48°С без учета работы системы воздухоподготовки до -24°С при работе системы нагрева воздуха мощностью 15 МВт; расход воздуха в стволе при реверсировании принят 30000 м3/мин (скорость - 13 м/с). Расчеты температуры приведены на рис. 8 при толщине бетонной рубашки 500 мм.

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что промерзание бетонной крепи возможно не ранее, чем через 4 дня после включения реверсивного режима проветривания, что нужно учитывать при введении в действие плана ликвидации аварий и выбора вентиляционных режимов при длительном его исполнении.

Наступление перечисленных выше трех аварийных стадий размораживания крепи вентиляционных стволов зависит главным образом от продолжительности реверсирования и температуры наружного воздуха, которая зависит от выбранной мощности системы воздухоподготовки.

о ю 20 ^ « ба ао го ао оо |м но (го со но >м 1 м ш г.". :оо

-й -13

■и

Я

■12 -К

Рис. 11. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха без применения системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий»: 1 - первая стадия; 2 - вторая стадия;

3 - третья стадия.

___ -- ----- — _ --- —

)

/

/

/ 2

/

3

1

/

/

«час)

О 10 20 30 40 И 60 70 80 50 1СО 110 120 130 140 150 180 170 130 190 200

О

-12 -16 -20

28

-32

-Зв

-»О

-м

-48

Рис. 12. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха с применением системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий»: 1 - первая стадия; 2 - вторая стадия; 3 - третья

стадия.

Примеры таких зависимостей для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» без системы обогрева ствола и с ней представлены соответственно на рис. 11 и 12. Эти графики приложены к плану ликвидации аварий и учитываются при введении его в действие.

V научное положение: Числеино-аналитический комплекс расчета трехмерной системы «ствол - надшахтное здание - калориферная», обеспечивающий безопасные ресурсосберегающие параметры обогрева любых шахтных стволов с учетом их индивидуальных конструктивных и технологических свойств, а также энергетических особенностей горнодобывающих предприятий.

Разработанные теоретические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки позволяют выполнять аналитические расчеты основных технологических узлов для проектов строительства и реконструкции систем обогрева шахтных воздухоподающих стволов. Под расчетом основных технологических узлов следует понимать:

- расчет теплогенерирующего оборудования (калориферов, газовых теплогенераторов и т.д.);

-- г —

/ / 1

/

1

1 2

/

/ у' 3

- расчет распределения воздушных потоков в помещении калориферной, образующихся между калориферами и теплогенераторми с учетом гидростатического давления;

- расчет калориферных каналов или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов, с учетом конвективных воздушных потоков;

- расчет копра и средств его герметизации с учетом технологии оборудования подъема;

- расчет надшахтного здания с определением возможных тепловых утечек и определением способов их уменьшения;

- расчет влияния технологического оборудования ствола (скипов, клетей и т.д.) на качество работы системы воздухоподготовки;

- расчет мест слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами, определение качества перемешивания этих струй и эффективности обогрева шахтного ствола.

Для расчета каждого технологического узла системы воздухоподготовки разработаны соответствующие методики расчета, которые вошли в программно-вычислительный комплекс «Тг_ка1ог». Моделирование и расчет таких технологических узлов, как теплогенерирующее оборудование, калориферные каналы, надшахтное здание и ствол в программно-вычислительном комплексе «Тг_ка1ог» выполняется аналитическими способами в двухмерной постановке задач. Эта позволяет рассчитать и подобрать основное технологическое оборудование с учетом индиводуатьных особенностей каждого воздухоподающего ствола и разработать основные технические решения по реконструкции и проектированию систем воздухоподготовки для рудников.

На рис. 13 представлены диалоговые окна программно-вычислительного комплекса «Тг_ка1ог», отражающие основные технические параметры системы возду хоподготов ки.

Однако для окончательной детальной проработки с учетом всех геометрических особенностей предлагаемых систем должно выполняться трехмерное моделирование и численный эксперимент с помощью методов вычислительной гидрогазодинамики, т.н. СРО - методов.

Инженерная практика в России и других странах СНГ традиционно опирается на проведение экспериментальных исследований, что при их правильном планировании обычно обеспечивает высокую надежность техники. Единственный, но существенный в современных условиях недостаток таких исследований - их высокая стоимость и время, необходимое для подготовки и проведения таких исследований. Поэтому достаточно эффективным мероприятием является использование параметрических расчетов (расчетных исследований или численных экспериментов), которые достаточно адекватно моделируют физические явления, определяющие характеристики системы, с экспериментальными исследованиями, необходимыми для проверки этой

адекватности. Естественно, расчеты должны выполняться с помощью оптимального программного обеспечения, то есть базирующихся на достаточно адекватных учитываемым физическим явлениям математических моделях и обеспечивающих выполнение всей совокупности необходимых расчетов за приемлемое количество времени с достаточной точностью.

Рис. 13. Диалоговые окна программно-вычислительного комплекса «Тг_ка1ог»

Одним из наиболее эффективных и удобных в использовании программных пакетов является пакет SolidWorks с аэродинамическим приложением COSMOS FloWorks, который использует блочно-структурированные сетки, имеет высокую скорость счета и возможность задания исходных данных и просмотр результатов непосредственно в окне графического проектирования пакета SolidWorks.

COSMOS FloWorks базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, с до-, транс- и сверхзвуковыми областями, стационарные и нестационарные течения многокомпонентных текучих сред в каналах и/или вокруг тел, с учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок, с теплообменом между текучей средой и твердым телом и т.д.

H-/C

13В

500000.00 1500(08.09

Лаадепне в стволе <Пл> Сппр.на*ич>лги.здлннп СПв> Относит.погреииост* счета <» О 1.ао»к.в »м«н.к«ы.км..<гр**.Ц> Сеч.ними.калври«.канлл& <».«.) Сеч ,iwm .пяяориФернои (нв.м.) Т.воэд.в верх.кал.кап.<гр«».Я> Сеч.верх.к«л(>ри<*.канала <ио.к.>

Сеч.верх.кплориоериси! <яе-н.5 Имиоа евчояив копра <кв.м.> Поаклменно каналов паралл.

Нймшй калорив«рнш4 канал: Кипрния <стлтич.г; -20.55 1{<(лорис<рнвя-. -23. т

Сухвиии: -S.34

Иэгнв-14.?? Сне «и: ни«: -1й.в2

liepxHHii каяормфермлй кика; Ингримя <статич.-2B.5S Кллормэврман: . -51.64 Сачепие'- -0.10

Рлсх.вфЭЛ.чо ftj

Mf. Hi -i ЦК 13255.38 ку глд.в): -М-» -

Поосмото

Темп.воды на входе Сград.Ц) Общ.нач.расх.возд.См.к уб/ч) Общий расход воды <кг/час>

Число калори4»еров в обвязке 2

Число обвязок в ряду 25

Число рядов по возд. Спаралл.) 1

Тип калориферов - КСК4~12 ►

Усреднение I после каждого ряда ► <Зоби1.<и.куб/час> 700000.60

Относит.влажн.воздуха Си> 0.0

-.корасть воды:

Переход

Температура по ходам <град.Ц>:

Вода<кон.> Воздух<ср.>

(перв.ряд> (поел.ряд >;

120.0 32.6

110.6 28.5

101.8 24.6

93.S 21.0

85.7 17.6

78.4 14.3

71.5 11.3 65.0 8.S

Ср . темп . возд. е конце: 19. 8 гр . Ц: С^.пжгтн .возд. :1-340 кг/кнб -_м.

Нач.скорость воздуха: 1.116 м/с Коэвир. теплопередачи: 27.39 Вт/<кв.м» Аэродин.сопротивление: 20.71 Па Гмдроднн-сопротивление: 17076.90 Па Теп л. нагрузка !=си*с[У*(Тикз-ТуО>:11424 ОешА кон-расход воздуха: 611219.89 Яля одной калорий, с общим расходом Требуемая тепл.нагрузка: 9157.98 кВт Сумм.темпер, в стволе: 11.40 град.Ц ЙН-Х Выход Нижняя калорифер

r.aifijwng .и jg

SEIK

Для нахождения искомого численного решения задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов, используемая в COSMOS FloWorks, дискретизируется как по пространству, так и по времени. Чтобы выполнить дискретизацию по пространству, вся расчетная область покрывается расчетной сеткой, грани ячеек которой параллельны координатным плоскостям используемой в расчете декартовой Глобальной системы координат модели SolidWorks. Поскольку грани расчетных ячеек не аппроксимируют соприкасающиеся с текучей средой поверхности твердых тел, то для разрешения расчетной сеткой относительно небольших геометрических особенностей этих поверхностей (участков повышенной криволинейности, выступов, впадин, отверстий, поверхностей тонких тел, окруженных текучей средой и т.д.) используются процедуры соответствующего локального дробления ячеек сетки около этих участков поверхностей. Кроме того, дополнительное дробление может происходить и для областей с большими градиентами физических параметров.

Естественно, полученное на сформированной таким образом некоторой расчетной сетке дискретное (в COSMOS FloWorks в центре ячеек) решение поставленной непрерывной (дифференциальной) математической задачи в общем случае зависит от размеров ячеек расчетной сетки, покрывающих расчетную область.

Поэтому для проведения численного эксперимента в 3D моделях систем воздухоподготовки выполнены исследования достигнутой точности с помощью расчетов на разных, более редких и более частых расчетных сетках с целью определения такой частоты расчетной сетки, начиная с которой решение задачи перестает значимо зависеть от частоты сетки, т.е. выходит на «полку», что указывает на достижение необходимой точности решения математической задачи (так называемой сеточной сходимости решения математической задачи).

Для проведения исследований точности решения математической задачи была разработана тестовая модель системы воздухоподготовки ствола №1 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий». Трехмерная тестовая модель здания калориферной выполнена согласно плану реконструкции воздухонагревательной установки ствола №1 БКПРУ-4.

Принципиальная схема системы воздухоподготовки подобного типа изображена на рисунке 14. Копер герметично зашит листами металла. В перекрытиях оставлены технологические проемы для разгрузки скипов и отверстия для подъемных канатов клети и скипов.

Система воздухоподготовки состоит из двух помещений с установленными в них теплообменными аппаратами. Подача подготовленного воздуха осуществляется по двум калориферным каналам, расположенным друг над другом. Тестовая модель системы воздухоподготовки составлена таким образом, что она соответствует физическим и геометрическим особенностям задач такого класса с учетом реальных граничных условий и действия сил гравитации.

Рис. 14. Трехмерная модель системы воздухоподготовки (1, 2 -отверстия, моделирующие утечки воздуха через скиповое и клетьевое отделение соответственно; 3 - отверстия моделирующие утечки через ворота здания копра;

4 - калориферная установка)

В результате исследований, выполненных на различных сетках, получено, что, погрешность из-за незавершенной сеточной сходимости существенно выше рассмотренной погрешности идентификации установления решения, поэтому окончательное решение данной задачи необходимо получать на предельно большой (по количеству ячеек) расчетной сетке. Кроме исследований сеточной сходимости, в работе выполнены исследования стационарного решения в приложении COSMOS FloWorks, т. е. с локальным выбором шага по времени и получены критерии для идентификации установления решения задач данного класса.

Как показали исследования, применение аэродинамического приложения COSMOS FloWorks позволяет проводить численные эксперименты и учитывать трехмерные особенности систем воздухоподготовки. На основе исследований тестовой модели была разработана методика проведения численного эксперимента для систем подготовки воздуха шахт и рудников. При проведении таких экспериментов определяются трехмерные поля температур и скоростей воздуха. Примеры таких полей приведены на рис. 15.

Рис. 15. Поля скоростей и поля температур в системе «ствол - надшахтное здание - калориферная»

Результаты, полученные в процессе проведения численного моделирования, позволяют рассчитывать компенсационные вентиляционные окна, обтекатели и рассекатели воздушных потоков, учитывать образование конвективных потоков и разрабатывать мероприятия, препятствующие их образованию, а также оценивать качество принятых и рассчитанных аналитическим путем технологических решений и эффективность работы проектируемой системы воздухоподготовки в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработаны теоретические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки шахт и рудников, включающие в себя взаимосвязанные математические модели технологических узлов комплекса «ствол - надшахтное здание -калориферная».

2. Математическая модель распространения неизотермической струи в сносящем потоке позволила сформулировать основное требование при реконструкции и проектировании систем обогрева воздухоподающих стволов и доказать, что для эффективного использования энергии, затрачиваемой на подогрев атмосферного воздуха, и создания благоприятных условий работы воздухоподающих стволов действующих рудников необходимо проведение комплекса мероприятий, направленных на создание условий рационального слияния потоков в воз-духоиодающем стволе. Для этого необходимо увеличить скорость воздуха в окне калориферного канала ствола до максимальных значений и поддерживать указанную скорость в течение всего отопительного периода. Регулирование количества тепла, подаваемого в ствол, осуществлять не за счёт изменения количества воздуха, а за счёт изменения параметров теплоносителя при непрерывной работе калориферных установок и постоянном количестве подогреваемого воздуха. При проектировании новых воздухоподающих стволов и реконструкции существующих систем воздухоподготовки следует предусматривать максимальную подачу воздуха через калориферный канал и теплообменные аппараты, и минимальную подачу через надшахтное здание и копер воздухоподающего ствола.

3. Создана математическая модель движения воздушных потоков в системах воздухоподготовки, которая позволяет решать задачу расчета количественного соотношения струй и оценки возможности увеличения подаваемого количества воздуха в ствол через калориферные каналы и устье ствола за счет разряжения главной вентиляторной установки. Также разработана математическая модель системы воздухоподготовки с несколькими калориферными каналами, расположенными друг над другом, для увеличения подачи в рудник воздуха, подготовленного в калориферных установках.

4. Разработаны новые методы расчета теплообменных установок, позволяющие использовать их при проектировании не только типовых систем, но и новых энергосберегающих «безвентиляторных» калориферных. Методика расчета новых калориферных установок выполнена с учетом изменения теплообмена вдоль пространственной координаты теплоносителя и распределения массовой скорости воздуха по высоте установки. Разработана методика определения основных параметров калориферных установок в летний период года для расчета осушения и охлаждения рудничного воздуха. Математическое описание процессов осушения и охлаждения воздуха выполнялось с учетом выделения тепла при конденсации, которое идет на дополнительный нагрев воды.

5. Разработана технологическая схема систем обогрева воздухоподающих стволов с использованием газовых теплогенераторов, выполненная на основе аэродинамического расчета воздушных потоков в помещении калориферной и обеспечивающая равномерное распределение тепловой нагрузки между тепло-обменными аппаратами. Разработана методика расчета и проектирования таких систем.

6. Создана математическая модель теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающая увеличение температуры пород с глубиной п конечное значение коэффициента теплоотдачи, что существенно расширяет параметрическую область моделирования теплообменных процессов и улучшает точность получаемых численных результатов. На основе математической модели теплообмена воздуха и крепи разработаны технологические основы системы воздухоподготовки вентиляционных стволов, что позволит создать надежный и устойчивый подогрев воздуха на период реверсирования. В результате применения таких систем, стадии размораживания тюбинговой и бетонной крепей будут значительно отнесены во времени, что создаст условия для продления возможного периода реверсирования вентиляционной струи и увеличения эффективности плана ликвидации аварий.

7. Выполнены исследования точности решения математической задачи при решении стационарных задач систем воздухоподготовки в аэродинамическом приложении COSMOS Flo Works программного пакета SolidWorks. В результате исследований, выполненных на различных сетках, получено, что погрешность из-за незавершенной сеточной сходимости существенно выше рассмотренной погрешности идентификации установления решения, поэтому окончательное решение данной задачи необходимо получать па предельно большой (по количеству ячеек) расчетной сетке. Также в работе выполнены исследования стационарного решения в приложении COSMOS FloWorks, т. е. с локальным выбором шага по времени и получены критерии для идентификации установления решения задач данного класса.

8. Разработаны методики расчета систем воздухоподготовки с включенными в них аналитическими расчетами в программно-вычислительном комплексе «Тг_ка1ог» и численным моделированием в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного пакета SolidWorks с учетом трехмерных особенностей технологических схем, что позволяет разрабатывать исходные данные для проектирования систем обогрева любых шахтных стволов с учетом их индивидуальных свойств и энергетических особенностей

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г., Снежневский А.Ю. Способы нормализации влажностных параметров рудничной атмосферы калийных рудников // Известия вузов. Горный журнал. - 2004. - № 2. - С.56-58.

2. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Тепломассообмен в энергосберегающих системах обогрева шахтных стволов рудников // Известия вузов. Горный журнал. - 2004. - № 5. - С.40-44.

3. Левин Л.Ю., Круглов Ю.В., Исаевич А.Г. Сравнительный анализ современных алгоритмов расчета вентиляционных сетей // Известия вузов. Горный журнал. - 2006. - №5. - С.41-48.

4. Казаков Б.II, Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Разработка программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. - 2006. - С. 21-32.

5. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Исследование и разработка рециркуляционных систем проветривания крыльев рудника // Горный журнал. - 2006. - № 12. - С. 71-73.

6. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Использование газовых тепловых генераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - № 1 . - С.44-46.

7. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Использование газовых теплогенераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов калийных рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. - 2008. - С.55-59.

8. Левин Л.Ю.Моделирование и расчет систем обогрева шахтных воздухоподающих стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. -2008. -С.49-54.

9. Левин Л.Ю., Круглов Ю.В. Исследование рециркуляционного способа проветривания калийных рудников и его экономическая эффективность // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. - 2008. - С.39-48.

10. Казаков Б.П., Левин Л.Ю., Круглов Ю.В., Исаевич А.Г., Шалимов A.B., Стукалов В.А. Совершенствование ресурсосберегающих систем вентиляции рудников Верхнекамского месторождения калийных солей // Горный журнал. -2008. -№ 10. - С. 81-83

Патенты

11. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «АэроСеть»: № 2006612154/ Ю.В. Круглов, Б. П. Казаков, Л.Ю. Левин, А. Г. Исаевич, А. В. Шалимов.

Публикации в других изданиях

12. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Энергосбережение в системах обогрева шахтных воздухоподающих стволов // Энергосбережение, экология и безопасность: тез. докл. международн. научн.-технич. конф., ТулГУ . - Тула, 1999. - С.28-29.

13. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Оптимизация технологических режимов подготовки вентиляционного воздуха для шахт и рудников // Научно-педагогическое наследие профессора И.И. Медведева: сб. научн. докл. - Санкт-Петербург, 1999. - С. 169-174.

14. Левин Л.Ю. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: тез. докл. международн. конф. - Пермь, 1999. - С. 142-144.

15. Левин Л.Ю. Особенности обогрева воздухоподающих стволов и основы энергосбережения при их реконструкции // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: тез. докл. международн. конф. - Пермь, 1999. -С. 144-147.

16. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Динамика тепловых потоков и особенности обогрева воздухоподающих стволов // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: матер, междунар. конф. - Пермь, 1999. - С. 7780.

17. Левин Л.Ю. Особенности обогрева воздухоподающих стволов и основы энергосбережения при их реконструкции // Проблемы горного недроведения и системологин: матер, научн. сессии Горного института УрО РАН. - Пермь, 1999. - С.124-126.

18. Левин Л.Ю. Тепловые утечки в системах обогрева воздухоподающих стволов // Материалы научи, сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 1999 году. -Пермь, 2000. - С.18-21.

19. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Научно-технический журнал «Горная механика». - Солигорск, 2001. -№1-2. - С.35-38.

20. Левин Л.Ю., Шалимов A.B. Особенности тепломассообмена в системах подогрева воздуха для воздухоподающих стволов рудников // Материалы научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 г. - Пермь, 2001. -С.44-50.

21. Левин Л.Ю. Осушение воздуха в теплообменных аппаратах и его влияние на выпадение влаги в шахтных стволах и околоствольных выработках калийных рудников // Проблемы комплексного мониторинга на месторождениях полезных ископаемых: сб. докл. Горный институт УрО РАН. - Перхмь, 2002. -С. 150-152.

22. Левин Л.Ю. Управление процессами ТМО в транспортных выработках // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов: сб. докл. Горный институт УрО РАН. - Пермь, 2003. - С.210-212.

23. Левин Л.Ю. Управление климатическими параметрами в транспортных выработках рабочих горизонтов 4 РУ РУП "ПО "Беларусысалий" // Стратегия и

процессы освоения георесурсов: матер, научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2004 г. - Пермь, 2005. - С.233-236.

24. Круглов Ю.В., Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Использование программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» для моделирования процессов воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников // Уральский горнопромышленный форум: матер, научн.-техн. конф. - Екатеринбург, 2006 -С. 45-48.

25. Левин Л.Ю. Исследование и разработка многоцелевых рециркуляционных систем проветривания рудников // Демидовские чтения на Урале: тез. докл. I всеросс. научн. форума. - Екатеринбург, 2006. - С. 88-92.

26. Левин Л.Ю. Разработка рециркуляционных систем проветривания калийных рудников // Горное дело: матер. II международн. конф. - Алма-Ата, 2006. - С.67-70.

27. Левин Л.Ю. Исследование газовой обстановки на калийных рудниках при наличии рециркуляционных потоков // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2006 г.. - Пермь, 2007. - С.96-102.

28. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г., Южанин A.C. Исследование и разработка многоцелевых рециркуляционных систем проветривания калийных рудников // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: труды конф. с участием иностр. ученых. Т. И. Машиноведение. - Ин-т горного дела СО РАН. - Новосибирск:, 2007. - С. 106-112.

29. Левин Л.Ю. Моделирование и расчет энергосберегающих систем воздухоподготовки для рудников // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научн. сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2007 г.. - Пермь, 2008. - С.229-232.

30. Левин Л.Ю. Оценочный расчет поршневого эффекта в воздухоподающем стволе и его влияния на работу системы воздухоподготовки // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. -Пермь, 2008. - С.318-321.

31. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Использование газовых рекуперативных теплогенераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников // Форум прниюв - 2008: матер1али лмжнарродно1 конференцп. -Д.:Нацюналышй прничий ушверситет, 2008. - С.172-176.

32. Левин Л.Ю., Головатый И.И. Рециркуляция как способ энергосберегающего проветривания // Форум пршшв - 2008: матер1али м1жнаррод1кн конференцп. - Д. :Нацюнальний прничий ушверситет, 2008. -С.160-171.

33. Левин Л.Ю. Современные принципы расчета систем обогрева шахтных воздухоподающих стволов // Форум прниюв - 2008: матер1али м1жнарродно1 конференцп. - Д. :Нацюналышй прничий ушверситет, 2008. -С.177-183.

34.Левин Л.К)., Елькин B.C. Борьба с внешними утечками воздуха за счет-тепловой депрессии // Проблемы рационального природопользования: матер, мсждународн. научи.-техн. конф. -ПГТУ. -Пермь, 2008. - С. 116-119.

35. Левин Л.Ю. Влияние работы систем воздухоподготовки на процессы охлаждения крепи и закрепного пространства при реверсировании ГВУ // Стратегия и процессы освоения георесурсов: матер, ежегодн. научи, сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2008 г. - Пермь, 2009. -С.45-49.

36. Казаков Б.П., Левин Л.Ю., Шагбутдинов Р.И. Применение подземных главных вентиляторных установок на рудниках Старобинского месторождения калийных солей для борьбы с внешними утечками воздуха // Международный научно-технический журнал «Горная механика». - Солигорск, 2009. - №3. -С. 38-42.

37. Левин Л.Ю., Казаков Б.П., Головатый И.И. Охлаждения крепи и закрепного пространства вентиляционных стволов при реверсировании ГВУ // Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках: матер. XIX международн. научи, школы им. академика С.А. Христиановнча. - Симферополь, 2009. - С.56-62.

Сдано в печать 16.02.2010 г. Формат 60x84/16. Тираж 120 экз.

Отпечатано сектором НТИ Горного института УрО РАН 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а

Содержание диссертации, доктора технических наук, Левин, Лев Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ, ОСОБЕННОСТИ ИХ РАБОТЫ И ВЛИЯНИЯ НА БЕЗОПАСНОЕ ВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ.

1.1. Анализ технологических схем систем воздухоподготовки с различными способами перемещения и подачи воздуха в ствол.

1.1.1. Вентиляторные системы воздухоподготовки.

1.1.2. «Безвентиляторные» системы воздухоподготовки.

1.2.Анализ технологических схем с применением различных типов энергоносителей.

1.2.1. Технологические схемы с применением перегретой воды.

1.2.2. Газовые системы воздухоподготовки.

1.2.3. Электрические системы обогрева шахтных стволов.

1.3 .Методы расчета систем воздухоподготовки.

1.3.1. Аналитические методы расчета.

1.3.2. СББ - методы в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена.

1.4.Энергетические показатели различных способов подготовки атмосферного воздуха для шахт и рудников.

1.5.Цели и задачи исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УЗЛАХ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ РУДНИКОВ.

2.1.Аэродинамические процессы в местах слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами.

2.2.Распределение воздушных потоков в калориферных каналах, надшахтном здании и воздухоподающем стволе.

2.3. Аэродинамический расчет калориферных каналов или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов.

2.4.Исследование потоков атмосферного воздуха через неплотности надшахтного здания и расчет средств его герметизации с учетом технологии оборудования подъема.

2.5.Оценка влияния технологического оборудования ствола на показатели работы системы воздухоподготовки.

2.6.Исследование совместной работы вентилятора главного проветривания с вентиляторами системы воздухоподготовки.

2.7. Выводы к главе 2.

3. ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕПЛООБМЕННЫХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В

СИСТЕМАХ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ РУДНИКОВ.

3.1.Проведение численного эксперимента в 3D моделях систем воздухоподготовки.

3.2.Разработка тестовой модели системы воздухоподготовки.

3.3 .Исследование идентификации установления решения.

3.4. Стационарное решение задач.

3.5.Исследование сеточной сходимости решения задач теплооб-менных и аэродинамических процессов в системах воздухоподготовки рудников.

3.6.Выводы к главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-МАССООБМЕНА В

ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ РУДНИКОВ.

4.1.Дифференциальный подход к моделированию теплообмена воздуха с теплоносителем.

4.2.Влияние нагрева воздуха системой калориферов на вертикальное перераспределение воздушных потоков.

4.3.Охлаждение и осушение воздуха с помощью калориферных установок.

4.4.Технико-экономические особенности применения водяных систем воздухоподготовки.

4.5.Выводы к главе 4.

5. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВЫХ

ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМАХ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ

РУДНИКОВ.

5.1.Разработка технологических схем систем воздухоподготовки с использованием газовых теплогенераторов.

5.2.Исследование образования вертикальной и горизонтальной стратификации воздушных потоков при нагреве воздуха и ее влияние на эффективность работы самих теплогенераторов.

5.3.Алгоритм системы управления газовых воздухонагревателей.

5.4.Технико-экономические особенности применения газовых теплогенераторов.

5.5.Выводы к главе

6. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ

ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СТВОЛОВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРОВ.

6.1.Математическая модель теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов.

6.2.Исследование режимов движения воздуха в вентиляционных стволах и их влияния на процессы охлаждения крепи и закреп-ного пространства при реверсировании ГВУ и различных температурах атмосферного воздуха.

6.3.Влияние работы систем воздухоподготовки на процессы охлаждения крепи и закрепного пространства при реверсировании ГВУ.

6.4.Технологические схемы и способы применения электрокалориферов в системах воздухоподготовки вентиляционных стволов.

6.5.Технико-экономическое обоснование применения электрокалориферов систем воздухоподготовки вентиляционных стволов.

6.6.Выводы к главе 6.

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРОЕКТОВ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ.

7.1.Методика расчета систем воздухоподготовки в программно-вычислительном комплексе «Tr kalor».

7.1.1. Расчет аэродинамических параметров воздухоподготови-тельного комплекса.

7.1.2. Расчет теплообменных аппаратов.

7.2.Методика определения аэродинамических характеристик вентиляторов систем воздухоподготовки.

7.3.Методика расчета требуемой мощности вспомогательных калориферных установок.

7.4.Методика проведения численного эксперимента для систем воздухоподготовки рудников.

7.5.Выводы к главе 7.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников"

Актуальность темы диссертации. Кризисные явления в мировой экономике и снижение сбыта готовой продукции не сказались на планах горнодобывающих предприятий, направленных на увеличение объемов добычи полезных ископаемых.

Наблюдается четкая тенденция увеличения размеров шахтных полей, количества проходимых горных выработок и добычных участков, находящихся в одновременной работе. В результате этого вентиляционные сети становятся все более разветвленными и сложными. Что, в свою очередь, приводит к увеличению поступающего в рудник воздуха и, следовательно, к увеличению затрат на его подготовку и появлению целого ряда осложнений при эксплуатации воздухоподающих стволов и горных выработок.

Увеличение количества подаваемого в рудники воздуха потребовало разработки теоретических, а на их базе, и технологических основ ресурсосберегающих систем воздухоподготовки для создания методов расчета, способов контроля, выбора средств управления подготовкой воздуха и воздухораспределением как основных инструментов нормализации рудничной атмосферы. Без решения этих задач невозможно создание надежных, высокоэффективных и экономичных вентиляционных сетей.

В последнее время в практике эксплуатации систем воздухоподготовки сложилась ситуация, когда главной целью работы калориферных установок стало не обеспечение равномерного обогрева шахтного воздухоподающего ствола, а безопасная и бесперебойная работа самих теплообменных аппаратов.

На большинстве предприятий системы воздухоподготовки понимают не как единое целое, а как отдельные технологические узлы, которые обслуживают принципиально разные участки. За энергетическое хозяйство и подачу теплоносителя отвечает отдел главного энергетика, за автоматику и контроль параметров работы - служба автоматизации, за состояние калориферного канала, ствола и надшахтного здания - участок подъема, а служба вентиляции выполняет функции контроля параметров воздуха, поступающего в рудник по стволу. Между тем, именно результативность работы подземного участка вентиляции должна влиять на согласованность и основной контроль работы системы воздухоподготовки со всеми ее технологическими узлами и участками, входящими в комплекс «надшахтное здание - калориферная - ствол», на участке от устья до зоны полного выравнивания температур по его сечению.

Большинство существующих систем обогрева шахтных стволов имеют значительный процент износа и требуют полного капитального ремонта. Однако восстановление систем воздухоподготовки с запроектированными в 50-е годы технологиями нагрева и подачи воздуха в ствол представляется нецелесообразным, так как принципы, на которых базировался подход к разработке калориферных установок, на сегодняшний день являются морально устаревшими и слабо проработанными как в научном, так и в проектном планах. Такие системы воздухоподготовки оказывают неблагоприятное влияние на сезонные и суточные колебания температуры воздуха в воздухоподающих стволах и вредное воздействие на тюбинговые и бетонные крепи, а это, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих безопасное ведение горных работ.

Под системой воздухоподготовки следует понимать все технологические узлы и участки, входящие в комплекс «надшахтное здание - калориферная -ствол, на участке от устья до зоны полного выравнивания температур по его сечению», от которых зависит эффективность обогрева шахтного ствола и формирование его теплового режима. К таким узлам следует отнести: тепло-генерирующее оборудование (калориферы, газовые теплогенераторы и т.д.); помещение калориферной; калориферные каналы или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов; копер и средства его герметизации; надшахтное здание; технологическое оборудование ствола (скипы, клети и т.д.); места слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами и пр.

Исследованиям технологии подготовки воздуха на горных предприятиях посвящены работы А.Е. Красноштейна, Б.П. Казакова, В.А. Шушпанникова, М.М. Шемаханова, Н.И. Карасёва, Ю.П. Ольховикова, В.Б. Скрыпникова, В.Н. Скубы и других учёных. Проведённые исследования способствовали созданию разнообразных технологических схем подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников.

Подогрев поступающего в рудник воздуха может производиться при помощи теплообменных аппаратов по различным технологическим схемам. Такие схемы могут быть классифицированы по двум основным факторам, определяющим дальнейшую эффективность работы, специфику расчетов, проектирования, монтажа и обслуживания системы воздухоподготовки:

1. По способу перемещения и подачи воздуха в ствол (вентиляторные и «безвентиляторные» схемы).

2. По виду энергоносителя (водяные, газовые, электрические схемы).

В настоящее время работают и другие схемы обогрева шахтных стволов, не попадающие под данную классификацию, однако их использование неэффективно и ведет к большим эксплуатационным затратам.

Предложенная классификация охватывает все основные технологические схемы, которые в настоящее время могут представлять интерес при реконструкции старых и проектировании новых систем воздухоподготовки. Выбор одного из вариантов обуславливается техническими особенностями промышленной площадки рудника, надшахтного здания и ствола, а также экономическими условиями, а именно стоимостью энергоресурсов и их транспортировки на предприятии.

Представленные в работе теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки шахт и рудников являются базовыми для создания разнообразных технологических схем подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников. Эти схемы отличаются как применяемым оборудованием, так и эффективностью реализации основной цели подготовки воздуха - обеспечения требуемых микроклиматических параметров рудничной атмосферы в воздухоподающих стволах и прилегающих к ним горных выработках.

Цель работы. Разработка теоретических и технологических основ систем подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами шахт и рудников при снижении энергетических затрат и обеспечении безопасных условий ведения горных работ в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках на основе развития теории тепломассообмена и создания ресурсосберегающих технологических схем.

Основная идея диссертационной работы заключается в создании систем подготовки воздуха с учетом индивидуальных свойств стволов и энергетических особенностей предприятий на основе необходимого перераспределения потоков атмосферного воздуха в комплексе «ствол -надшахтное здание - калориферная» и совершенствовании нестандартных процессов тепломассообмена в типовых теплообменных аппаратах с использованием как теоретических исследований, так и численного эксперимента.

Основные задачи работы: - исследовать динамику воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов и разработать технологические схемы «безвентиляторных» систем воздухоподготовки, позволяющих обрабатывать максимальное количество воздуха;

- разработать вентиляторную технологическую схему систем воздухоподготовки, в которой обрабатывается максимальное количество воздуха, поступающего в ствол шахты, исключены подсосы холодного воздуха и обеспечен равномерный обогрев тюбинговой колонны без образования зон ее перегрева;

- исследовать особенности процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении количества обрабатываемого воздуха и разработать методику расчета таких установок;

- разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки с использованием водяных калориферов для управления процессами тепломассообмена в руднике;

- изучить влияние аэростатического давления на тепломассообмен в однорядных крупногабаритных теплообменных аппаратах;

- исследовать аэрогазодинамические и тепломассообменные процессы в системах воздухоподготовки с применением газовых теплогенераторов и разработать специальную методику их расчета;

- на основании теплофизических расчётов нестационарного теплообмена изучить, насколько быстро и глубоко в радиальном и вертикальном направлениях промерзнет тюбинговая колонна при включении реверсивного режима проветривания, и разработать технологические схемы применения электрических калориферных установок;

- разработать методику расчета в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного комплекса SolidWorks, а также провести исследования достигнутой точности с помощью расчетов на разных, более редких и более частых расчетных сетках, для получения необходимой точности решения математической задачи (так называемой сеточной сходимости решения математической задачи).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- синтезированные математические модели воздухоподготовки рудников, описывающие аэродинамические и термодинамические процессы в основных технологических элементах надшахтных зданий, калориферных установок и воздухоподающих стволов, обеспечивающие равномерный обогрев тюбинговой крепи при максимальной подаче воздуха через теплообменные аппараты и минимальном энергопотреблении;

- математическая модель процессов тепломассообмена в гидравлических системах воздухоподготовки, основанная на непрерывном определении текущих переменных параметров воздуха и теплоносителя в процессе теплообмена, что дает возможность рассчитывать и разрабатывать энергосберегающие системы обогрева шахтных стволов для скоростей воздуха, при которых существенное влияние оказывают аэростатическое давление и вертикальная стратификация аэродинамических потоков;

- системы обогрева воздухоподающих стволов с использованием газовых теплогенераторов, разработанные на основе средств трехмерного численного моделирования воздушных потоков, учитывающие индивидуальные аэродинамические особенности поверхностного комплекса и обеспечивающие работу теплообменного оборудования в условиях конденсационного режима теплообмена при максимальном коэффициенте использования топлива.

- обоснование режимов обогрева шахтных вентиляционных стволов на основе математической модели нестационарного теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающей температурный градиент горных пород и переменное значение коэффициента теплоотдачи, исключающих размораживание вентиляционных стволов при реверсивнных режимах проветривания рудников в зимнее время года;

- численно-аналитический комплекс расчета трехмерной системы «ствол

- надшахтное здание - калориферная», обеспечивающий безопасные ресурсосберегающие параметры обогрева любых шахтных стволов с учетом их индивидуальных конструктивных и технологических свойств, а также энергетических особенностей горнодобывающих предприятий.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- непротиворечивостью фундаментальным физическим законам;

- сопоставимостью результатов аналитического решения, численных (компьютерных), физических (лабораторных) и натурных экспериментов;

- соответствием приведенных результатов данным, полученными другими авторами;

- большим объемом наблюдений, выполненных в натурных условиях при проведении опытно-промышленных испытаний и положительными результатами многолетней реализации предложенных рекомендаций на практике Старобинского и Верхнекамского месторождений.

Научная новизна:

- теоретически обоснована схема рационального распределения воздушных потоков в элементах поверхностного комплекса, и разработана методика расчета их аэродинамических характеристик, позволяющая переводить системы воздухоподготовки на энергосберегающий безвентиляторный режим подачи воздуха в рудник;

- разработана оригинальная методика расчета поверхностных теплообменников, заключающаяся в учете изменения теплотехнических параметров взаимодействующих сред при их перемещении вдоль пространственной координаты движения теплоносителя;

- создана математическая модель процессов тепломассообмена в нагревательных аппаратах с большими поверхностями нагрева при малом аэродинамическом сопротивлении и с учетом влияния градиента аэростатического давления в воздушном потоке;

- разработаны технологические схемы систем воздухоподготовки с использованием газовых теплогенераторов и методика их расчета;

- создана математическая модель теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающая увеличение температуры пород с глубиной и конечное значение коэффициента теплоотдачи, позволяющая моделировать изменения температурного поля окружающих пород;

- теоретически обосновано влияние режимов движения воздуха в вентиляционных стволах на процессы охлаждения крепи и закрепного пространства при реверсировании ГВУ и различных температурах атмосферного воздуха;

- разработана оригинальная методика определения аэродинамических характеристик вентиляторов систем воздухоподготовки с учетом условий минимального энергопотребления и максимальной подачи воздуха через теплообменные аппараты;

- разработана методика расчета систем воздухоподготовки в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного комплекса SolidWorks с учетом трехмерных особенностей технологических схем и определены параметры счета, позволяющие достигать необходимую точность решения математической задачи (так называемой сеточной сходимости решения математической задачи).

Практическое значение и реализация результатов работы. Реализация результатов работы на этапах проектирования и эксплуатации систем воздухоподготовки позволяет увеличить эффективность ведения горных работ, исключить возможность обмерзания стволов, повысить технико-экономические показатели систем вентиляции и надежность функционирования технологического оборудования воздухоподающих стволов и околоствольных дворов за счет улучшения климатических условий, а также снизить уровень простудных заболеваний шахтеров.

Полученные результаты реализованы на горнодобывающих предприятиях как в Пермском крае, так и за его пределами. Основные результаты выполненных исследований использованы при реконструкции водяных калориферных установок воздухоподающих стволов №1 и №2 рудника 4 РУ и в проектах реконструкции калориферных установок воздухоподающих стволов рудников 1, 2 и 3 РУ РУП «ПО «Беларуськалий». Ведется проектирование и строительство систем воздухоподготовки Краснослободского рудника и Березовского участка 4 РУ РУП «ПО «Беларуськалий», выполнены проекты реконструкции газовых калориферных установок стволов №1, №2 и №3 рудника БКПРУ-4, а также стволов №1 и №2 БКПРУ-2 ОАО «Уралкалий». Калориферная ствола №2 рудника БКПРУ-4 в 2009 году введена в эксплуатацию. Разработаны исходные данные для проектов строительства основных газовых калориферных установок для воздухоподающего ствола и вспомогательных электрических калориферных для вентиляционного ствола нового Усть-Яйвинского рудника ОАО «Уралкалий». Успешно работают газовые теплогенераторы в ОАО «КнауфГипс-Новомосковск».

Разработанные методики и программы включены в мощный программно-вычислительный комплекс «АэроСеть», который предназначен для расчета сложных пространственных вентиляционных сетей шахт и рудников произвольной топологии, и позволяет проводить анализ различных процессов воздухораспределения в рудниках, а также решать задачи управления распределением воздушных масс в шахте.

Апробация работы. Отдельные разделы и материалы диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (Тула, 1999); на конференции «Научно-педагогическое наследие профессора И.И. Медведева» (Санкт

Петербург, 1999); на международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва - Санкт-Петербург, 1999); на международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2006, 2007, 2008); на научно-технической конференции «Уральский горнопромышленный форум» (Екатеринбург, 2006); на конференции «Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006); на второй международной конференции «Горное дело» (Алма-Ата, 2006); на международной конференции «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2006); на конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2006, 2008); на международной конференции «Форум горняков - 2008» (Днепропетровск, 2008); на научно-практической конференция «Интехмет-2008» (Санкт-Петербург, 2008); на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999-2009). Основные положения диссертации докладывались на международной конференции (Пермь), на научной сессии Горного института УрО РАН (Пермь).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 10 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК России, получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения. Содержание работы изложено на 275 страницах машинописного текста и содержит 69 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы состоит из 176 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Левин, Лев Юрьевич

7.5. Выводы к главе 7

В результате выполненных исследований разработан численно-аналитический комплекс расчета трехмерной системы «ствол - надшахтное здание - калориферная», обеспечивающий безопасные ресурсосберегающие параметры обогрева шахтных стволов с учетом их индивидуальных свойств и энергетических особенностей. Получены существенный для практической реализации выводы и заключения:

1. Разработанные теоретические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки позволяют выполнять аналитические расчеты основных технологических узлов для проектов строительства и реконструкции систем обогрева любых шахтных воздухоподающих стволов.

2. Для расчета каждого технологического узла системы воздухоподготовки разработаны соответствующие методики расчета, которые вошли в программно-вычислительный комплекс «Тгка1ог». Моделирование и расчет таких технологических узлов, как теплогенерирующее оборудование, калориферные каналы, надшахтное здание и ствол в программно-вычислительном комплексе «Тгка1ог» выполняется аналитическими способами в двухмерной постановке задач. Эта позволяет рассчитать и подобрать основное технологическое оборудование с учетом индивидуальных особенностей каждого воздухоподающего ствола и разработать основные технические решения по реконструкции и проектированию систем воздухоподготовки для рудников.

3. Проектирование систем воздухоподготовки должно осуществляться на основе аналитических расчетов в программно-вычислительном комплексе «Trjkalor» и численного моделирования в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного пакета SolidWorks с учетом трехмерных особенностей технологических схем.

4. Результаты, полученные в процессе проведения численного моделирования, позволяют рассчитывать компенсационные вентиляционные окна, обтекатели и рассекатели воздушных потоков, учитывать образование конвективных потоков и разрабатывать мероприятия, препятствующие их образованию, а также оценивать качество принятых и рассчитанных аналитическим путем технологических решений и эффективность работы проектируемой системы воздухоподготовки в целом.

255

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе, представляющей собой законченную научную работу, на основании критического анализа многолетних наблюдений и экспериментов, выполненных на рудниках Верхнекамского и Старобинского месторождений калийных солей, предложены и разработаны теоретические и технологические основы систем подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами рудников. В результате широкого комплекса аналитических, численных ■ и натурных исследований сформулированы способы снижения энергетических затрат систем воздухоподготовки при обеспечении безопасных условий ведения горных работ в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках.

Поставленная в диссертационной работе цель достигнута путем решения комплекса самостоятельных задач, изложенных в отдельных главах диссертационной работы.

Результаты отдельных исследований приведены в выводах к главам, в заключение отметим лишь основные итоги, которые в кратком изложении сводятся к следующему:

1. Разработаны теоретические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки шахт и рудников, включающие в себя взаимосвязанные математические модели технологических узлов комплекса «ствол - надшахтное здание - калориферная».

2. Математическая модель распространения неизотермической струи в сносящем потоке позволила сформулировать основное требование при реконструкции и проектировании систем обогрева воздухопо-дающих стволов и доказать, что для эффективного использования энергии, затрачиваемой на подогрев атмосферного воздуха, и создания благоприятных условий работы воздухоподающих стволов действующих рудников необходимо проведение комплекса мероприятий, направленных на создание условий рационального слияния потоков в воздухопо-дающем стволе. Для этого необходимо увеличить скорость воздуха в окне калориферного канала ствола до максимальных значений и поддерживать указанную скорость в течение всего отопительного периода. Регулирование количества тепла, подаваемого в ствол, осуществлять не за счёт изменения количества воздуха, а за счёт изменения параметров теплоносителя при непрерывной работе калориферных установок и постоянном количестве подогреваемого воздуха. При проектировании новых воздухоподающих стволов и реконструкции существующих систем воздухоподготовки следует предусматривать максимальную подачу воздуха через калориферный канал и теплообменные аппараты, и минимальную подачу через надшахтное здание и копер воздухоподающего ствола.

3. Создана математическая модель движения воздушных потоков в системах воздухоподготовки, которая позволяет решать задачу расчета количественного соотношения струй и оценки возможности увеличения подаваемого количества воздуха в ствол через калориферные каналы и устье ствола за счет разряжения главной вентиляторной установки. Также разработана математическая модель системы воздухоподготовки с несколькими калориферными каналами, расположенными друг над другом, для увеличения подачи в рудник воздуха, подготовленного в калориферных установках.

4. Разработаны новые методы расчета теплообменных установок, позволяющие использовать их при проектировании не только типовых систем, но и новых энергосберегающих «безвентиляторных» калориферных. Методика расчета новых калориферных установок выполнена с учетом изменения теплообмена вдоль пространственной координаты теплоносителя и распределения массовой скорости воздуха по высоте установки. Разработана методика определения основных параметров калориферных установок в летний период года для расчета осушения и охлаждения рудничного воздуха. Математическое описание процессов осушения и охлаждения воздуха выполнялось с учетом выделения тепла при конденсации, которое идет на дополнительный нагрев воды.

5. Разработанная технологическая схема систем обогрева воздухо-подающих стволов с использованием газовых теплогенераторов, выполненная на основе аэродинамического расчета воздушных потоков в помещении калориферной и обеспечивающая равномерное распределение тепловой нагрузки между теплообменными аппаратами. Разработана методика расчета и проектирования таких систем.

6. Создана математическая модель теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов, учитывающая увеличение температуры пород с глубиной и конечное значение коэффициента теплоотдачи, что существенно расширяет параметрическую область моделирования теплообменных процессов и улучшает точность получаемых численных результатов. На основе математической модели теплообмена воздуха и крепи разработаны технологические основы системы воздухоподготовки вентиляционных стволов, что позволит создать надежный и устойчивый подогрев воздуха на период реверсирования. В результате применения таких систем, стадии размораживания тюбинговой и бетонной крепей будут значительно отнесены во времени, что создаст условия для продления возможного периода реверсирования вентиляционной струи и увеличения эффективности плана ликвидации аварий.

7. Дана оценка точности решения математической задачи при решении стационарных задач систем воздухоподготовки в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного пакета SolidWorks. В результате исследований, выполненных на различных сетках, получено, что, погрешность из-за незавершенной сеточной сходимости существенно выше рассмотренной погрешности идентификации установления решения, поэтому окончательное решение данной задачи необходимо получать на предельно большой (по количеству ячеек) расчетной сетке. Также в работе выполнены исследования стационарного решения в приложении COSMOS FloWorks, т. е. с локальным выбором шага по времени и получены критерии для идентификации установления решения задач данного класса.

8. Разработаны методики расчета систем воздухоподготовки с включенными в них аналитическими расчетами в программно-вычислительном комплексе «Тгка1ог» и численным моделированием в аэродинамическом приложении COSMOS FloWorks программного пакета SolidWorks с учетом трехмерных особенностей технологических схем, что позволяет разрабатывать исходные данные для проектирования систем обогрева любых шахтных стволов с учетом их индивидуальных свойств и энергетических особенностей.

9. Разработаны методика определения аэродинамических характеристик вентиляторов с учетом минимального энергопотребления систем воздухоподготовки и методика расчета требуемой мощности вспомогательных калориферных установок.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Левин, Лев Юрьевич, Пермь

1. A.c. 347525 СССР, МКИ 53 О Е21 3/00. Устройство для осушения воздуха / A.A. Чернецов, В.Д. Котенко, В.Н. Осипов (СССР).

2. A.c. 907359 СССР, МКл F 24 Н 3/06// Е 21 F 1/16. Шахтная калориферная установка / Б.К. Кретов, В.А. Шушпанников (СССР). Опубл. 1982. Бюл. № 7.

3. A.c. 914885 СССР, МКИ 53 0 Е21 3/00. Устройство для осушения воздуха / A.A. Чернецов (СССР).

4. A.c. SU 1254169 AI, Е 21 F 1/00. Устройство для нагрева и подачи в ствол воздуха / B.C. Мочков, В.И. Могилевский, В.Г. Франк, Ю.И. Леви-ант (СССР). Опубл. 1986. Бюл. № 32.

5. A.c. SU 1314209 AI, F 24 Н 3/06// Е 21 F 1/16. Шахтная калориферная установка / В.В. Назаревич, В.Н. Бизенков, Г.Ф. Капралов, В.М. Ворон-чихин (СССР). Опубл. 1987. Бюл. № 20.

6. A.c. SU 1442795 AI, F 24 Н 3/06. Шахтная калориферная установка / Л.Я. Гимельшейн, И.С. Фрейдлих (СССР). Опубл. 1988. Бюл. № 45.

7. A.c. 331228 СССР, МКИ 53 0 Е21 3/00. Воздухоосушитель / Н.И. Во-лынкин и др. (СССР).

8. Абрамов Ф.А. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра. 1972.

9. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Часть 1. Наука, 1991. 600 с.

10. Алехичев С.П., Калабин Г.В. Естественная тяга и тепловой режим рудников. Л.: Наука, 1974. 110 с.

11. Алътшулъ А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиз-дат, 1975.

12. Алямовскиг! А.А, Собачкин A.A., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пона-морев Н.Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 800 с.

13. Андреичев А.Н. Разработка калийных месторождений. М.: Недра, 1969. 256 с.

14. Андрияшев М.М. Техника расчета водопроводной сети. М.: ОГИЗ Советское законодательство, 1932.

15. Архипов Г.В. Автоматическое регулирование поверхностных теплообменников. М.: Энергия, 1971. 394 с.

16. Байжанов С.С.Совершенствование технологии нагрева воздуха в системах вентиляции угольных и рудных шахт. Караганда, 1982.

17. Белан А.Е. Универсальный метод гидравлического увязочного расчета кольцевых водопроводных сетей // Изв. ВУЗов. Строительство и архитектура. 1964. №4. С. 69-73.

18. Беннет К., Майерг Т. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. М.: Недра, 1966. 726 с.

19. Березин КС., Жидков Н.П. Методы вычислений. 3-е изд. М.: Наука, 1966.

20. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Физматлит, 1994. - 448с.

21. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и хол о доснабжение. М.: Стройиздат, 1985. 367 с.

22. Бодягия М.Н. Рудничная вентиляция. М.: Недра, 1967.

23. Бойко В.А., Скрыпников В.Б., Стрижка П.Н., Черниченко В.К, Журав-ленко В.Я. Перспективы использования низкопотенциального тепла шахтных энергетических установок // Уголь Украины. 1977. №12. С. 3738.

24. Борецкий В.М. Передвижная калориферная установка для сооружения шахтных стволов // Шахтное строительство. 1986. №10. С.26-27.

25. Бршайнт B.C. Аналитический расчет сети труб // Труды Томского элек-тромех. ин-та ж.-д. транспорта. 1948. т. 13. С. 30-57.

26. Брошей М.Ф., Щеглов В.П. Проектирование отопления и вентиляции производственных зданий. М.: Стройиздат, 1965.

27. Бурчаков A.C. и др. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1971. 373 с.

28. Ваганова Л Д. Номографический метод расчета теплоотдающей поверхности и расхода пара для безвентиляторных калориферных установок шахт // Вопр. механизации и автоматизации в горной промышленности: Научн. тр. КНИУИ. М.: Недра, вып. 20. С. 444-456.

29. Ваганова Л.Д., Герцен К.А. Исследование аварийных режимов, встречающихся при эксплуатации калориферных установок // Вопр. механизации и автоматизации в горной промышленности: Научн. тр. КНИУИ. М.: Недра, 1967, вып. 23. С. 287-292.

30. Васшьченко М.П. Расчет кольцевых водопроводных сетей с учетом взаимного влияния колец // Водоснабжение и санитарная техника. 1965. №5. С. 21-24.

31. Вересов A.B. Электрокалориферы для горнорудных и угольных предприятий // Горная промышленность. 2009. №2. С. 39-41.

32. Воднев В.Т., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Основные математические формулы. 2-е изд. Минск: Высш. школа, 1988. 272 с.

33. Воронин В.Н. Основы рудничной аэрогазодинамики. M.-JI.: Углетехиз-дат, 1951. 491 с.

34. Воронина Л.Д., Багриновский А.Д., Никитин B.C. Расчет рудничной вентиляции. М.: Госгортехиздат, 1962. 127 с.

35. Воропаев А. Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. М.: Недра, 1966.

36. Вулъман Ф.А., Харьков Н.С. Тепловые расчеты на ЭВМ теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1975.

37. Геращенко O.A. и др. Температурные измерения: Справочник. Киев: Наукова думка, 1984. 493 с.

38. Гнеденко В.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988. 448 с.

39. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: Наука, 1973.

40. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке (методы планирования эксперимента). М.: Мир, 1981. 520 с.

41. Дядьюм Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера. М.: Наука, 1968. 172 с.

42. Дядытн Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников севера. М.: Недра, 1968.

43. Дядъкин Ю.Д, Шувалов Ю.В., Тгшофеевский Ю.С. Горная теплофизика. Регулирование теплового режима шахт и рудников. JL: ЛГИ, 1976. 159 с.

44. Евдокимов А.Г. Оптимальные задачи на инженерных сетях. Харьков: Высш. школа, 1976.

45. Ермольев Ю.М., Мельник И.М. Экстремальные задачи на графах. Киев: Наукова думка, 1968.

46. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. М.: Энергия, 1976. 335 с.

47. Ибикус У.Ю., Герцен К.А., Ваганова ЛД. Исследование технологических процессов в безвентиляторной калориферной установке методом подобия // Вопр. механизации и автоматизации в горной промышленности: Науч. тр. КНИУИ. М.: Недра, 1967. вып. 20. С. 410-420.

48. Ибикус У.Ю., Герцен К.А., Ваганова Л.Д. Исследование характера нагрузки калориферных секций в безвентиляторных калориферных установках // Вопр. механизации и автоматизации в горной промышленности: Науч. тр. КНИУИ. М.: Недра, 1967. вып. 20. С. 398-410.

49. Ибикус У.Ю., Карасёв Н.И., Шатохин В.Н. Автоматический отвод конденсата в безвентиляторных калориферных установках // Вопросы механизации и автоматизации в горной промышленности: Науч. тр. КНИУИ. М.: Госгортехиздат, 1962. вып. 11.

50. Иделъчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Машиностроение, 1992.

51. Изменение действующей схемы подачи подогрева и смешивания воздуха для проветривания шахты в зимнее время: Информлисток. Свердловский ЦНТИ, 1986. №541-86.

52. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. 240 с.

53. Исаченко В.П., Осипова В.А. Сукомел A.C. Теплопередача. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1981.

54. Казаков Б.П. Нетрадиционные методы исследования энергии в системах подготовки воздуха для калийных рудников. Разработка калийных месторождений//Межвуз. сб. науч. тр. Пермь, 1989. С. 51-54.

55. Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников. Дис. . докт. техн. наук. Пермь, 2001.

56. Казаков Б.П., Круглое Ю.В., Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Разработка программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» для расчета вентиляционных сетей шахт и рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень. Аэрология. 2006. - С. 21-32.

57. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Динамика тепловых потоков и особенности обогрева воздухоподающих стволов // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: Материалы междунар. конф. Пермь, 1999. С. 77-80.

58. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Науч.-техн. журн. «Горная механика». Солигорск, 2001. №1-2. С. 35-38.

59. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Оптимизация технологических режимов подготовки вентиляционного воздуха для шахт и рудников // Научно-педагогическое наследие профессора И.И. Медведева: Сб. науч. докл. Санкт-Петербург, 1999. С.169-174.

60. Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Энергосбережение в системах обогрева шахтных воздухоподающих стволов // «Энергосбережение, экология и безопасность»: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 1999. С.28-29.

61. Казаков Б.П., Шалимов A.B. О температуре крепи вентиляционных стволов при реверсировании главных вентиляторных установок // Безопасность труда в промышленности. 2006. №10.

62. Камке Д., Кремер К. Физические основы единиц измерения. М.: 1980, 204 с.

63. Карасёв Н.И. К вопросу исследования основных динамических закономерностей безвентиляторной калориферной установки // Вопросы механизации и автоматизации промышленности: Научн. тр. КНИУИ, вып.20. Под ред. Г.Е. Иванченко М. Недра, 1967. С. 421-434.

64. Карасёв Н.И. Математическая модель динамики теплопередачи в шахтной калориферной установке, работающей на перегретой воде. Изв. ВУЗов. Горный журнал, 1968. №10. С. 85-92.

65. Киселёва H.И., Ольховиков Ю.П. Температура воздуха в воздухоподаю-щих стволах Верхнекамского калийного месторождения // Сб. науч. тр. Пермского политехнического института. Пермь, 1977. №206. С. 72-75.

66. Клименко А.П., Каневец Г.Е. Расчет теплообменных аппаратов на электронных вычислительных машинах. M.-JL: Энергия, 1966.

67. Койда Н.У., Казимиров Е.Я. Расчет гидравлических сетей на ЭВМ. Минск: Высш. школа, 1964.

68. Комаров В.Б., Килъкеев Ш.Х. Рудничная вентиляция. М.: Недра, 1969. 315 с.

69. Комаров В.Б., Килъкеев Ш.Х. Рудничная вентиляция. М.: Металлургиз-дат, 1959.

70. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П. Исследование слияния струй на модели воздухоподаюгцего ствола // Сб. науч. тр. Пермского политехнического института. Пермь, 1973. №115. С. 89-93.

71. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Новожилов C.B., Самарина Т.А. Неизотермическая струя в воздухоподающем стволе // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1975. №6. С. 168-171.

72. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Левин Л.Ю. Использование газовых тепловых генераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников // Безопасность труда в промышленности. 2007. - №1. С .44-46.

73. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов A.B. Математическое моделирование процессов теплообмена рудничного воздуха с массивом горных пород при пожаре // ФТПРПИ. 2006. №3.

74. Красноштейн А.Е., Лужецкая Н.Д., Казаков Б.П. Микроклимат калийных рудников, его значение и регулирование // Сб. науч. тр. Пермского политехнического института. Пермь, 1974. №150. С. 145-148.

75. Краснощекое Л.Ф. Расчет и проектирование воздухонагревательных установок для систем приточной вентиляции. Л.: Стройиздат, 1972.

76. Кремнев O.A. Тепло- и массообмен в горном массиве и подземных сооружениях. Киев: Наукова думка, 1989. - 344 с.

77. Кремнев O.A. и др. Тепловлагообмен свежеобнаженного горного массива с вентиляционной струей воздуха. Инж. физ. журнал, 1977, Т.4, С. 644-648.

78. Кремнев O.A. Теплообмен между вентиляционной струей и горным массивом старых шахт и выработок // Труды ИТЭ АН УССР, 1954, №10.

79. Круглое Ю.В., Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Сравнительный анализ современных алгоритмов расчета вентиляционных сетей // Известия вузов. Горный журнал. 2006. - №5. - С.41-48.

80. Ландау Л.Д., Лифшиц ЕМ. Теоретическая физика т.6 Гидродинамика. Наука, 1988.

81. Левенталъ Б.Б., Поприн Л.С. Оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1970.

82. Левин Л.Ю. Моделирование и расчет систем обогрева шахтных возду-хоподающих стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. 2008. - С.49-54.

83. Левин Л.Ю. Общие принципы работы безвентиляторных систем отопления шахтных стволов // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: Тез. докл. междунар. конф. Пермь, 1999. С. 142-144.

84. Левин Л.Ю. Особенности обогрева воздухоподающих стволов и основы энергосбережения при их реконструкции // Проблемы безопасности и совершенствования горных работ: Тез. докл. междунар. конф. Пермь, 1999. С. 144-147.

85. Левин Л.Ю. Особенности обогрева воздухоподающих стволов и основы энергосбережения при их реконструкции // Проблемы горного недрове-дения и системологии: Материалы науч. сес. Горного института УрО РАН. Пермь, 1999. С.124-126.

86. Левин Л.Ю. Тепловые утечки в системах обогрева воздухоподающих стволов // Материалы науч. сес. Горного института УрО РАН по результатам НИР в 1999 году, Пермь, 2000. С. 18-21.

87. Левин Л.Ю. Управление процессами ТМО в транспортных выработках // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов: Сб. докл. Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003. С. 210-212.

88. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г., Снеэктевский А.Ю. Способы нормализации влажностных параметров рудничной атмосферы калийных рудников. // Изв. вузов. Горный журнал. Екатеринбург, 2004. №2. С. 56-58.

89. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г. Тепломассообмен в энергосберегающих системах обогрева шахтных стволов рудников // Известия вузов. Горный журнал. 2004. - № 5. - С.40-44.

90. Левин Л.Ю., Казаков Б.П. Использование газовых теплогенераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов калийных рудников // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 10. 2008. - С.55-59.

91. Левин Л.Ю., Шалимов A.B. Особенности тепломассообмена в системах подогрева воздуха для воздухоподающих стволов рудника // Материалы науч. сес. Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000 году, Пермь, 2001. С. 44-50.

92. Лобачев В.Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей. Санитарная техника, 1934.

93. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978. 300 с.

94. Манец И.Г., Снегирев Ю.Д., Паршинцев В.П. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. М., Недра, 1979.

95. Медведев А.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. Свердловск: УрО РАН, 1990. 250 с.101 .Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. М.: Недра, 1970. 207 с.

96. Методика сравнения и подбора калориферов калориферных установок. НИИСТ. -М.: Госстройиздат, 1962.

97. Минин Е.М. Воздухонагреватели для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1976.

98. МихеевМ.А. Основы теплопередачи. 3-е изд. М.: Госэнергоиздат, 1956.10Ъ.Мохирев H.H., Радько В.В. Инженерные расчеты вентиляции шахт.

99. Строительство. Реконструкция. Эксплуатация. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 324 с.

100. Ольховиков Ю.П. Исследование влияния температурного режима на водопроницаемость тюбинговой крепи в воздухоподающих стволах. Пермь, 1970.

101. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных горных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238 с.

102. Павленко Е.А., Шушпанников В.А. Влияние здания на надёжность работы и интенсификацию теплообмена калориферной установки // Сб. научн. тр. Кузбасского политехнического ин-та. Кемерово, 1974. №66. С. 171177.

103. ПБ-03-553-03. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. 199 с.

104. Правила безопасности в угольных шахтах. Федеральный горный и промышленный надзор России. М., 1995.

105. Правила технической безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь. Минск, 2006.

106. Проханов Ю.В., Розанов Ю.А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1987. 400 с.

107. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. — М.: ООО «Бином-Пресс», 2004 г. — 448 с.

108. Руководство по проектированию вентиляции шахт. М.: Недра, 1975.

109. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт / А.М. Карпов, М.А. Патрушев, A.A. Мясников и др. М.: Недра, 1975.

110. Руководство по техническому обслуживанию калориферных установок шахт / Н.И. Карасёв и др. М.: Недра, 1984.

111. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. M.-JI.: Энергия, 1967.

112. Рысин С.А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов: Справочник. М.: Машиностроение, 1964.

113. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ «АэроСеть»: № 2006612154/ Ю.В. Круглов, Б. П. Казаков, Л.Ю. Левин, А. Г. Исаевич, А. В. Шалимов. 2004.

114. Северин Л.П. Теоретическое обоснование условий ввода подогретого воздуха, поступающего в шахтный ствол из калориферных каналов // Записки ЛГИ, т. XXVII, вып. I. Углетехиздат, 1952.

115. Скочинский A.A., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. М.: Углетехиздат, 1958. с. 632.

116. Скрыпников В.Б. Обогрев шахтных стволов низкопотенциальным теплом энергетических установок И Изв. ВУЗов, Горный журнал, 1978. №11. С. 90-93.

117. Скрыпников В.Б., Флоров C.B. Выбор режимов испарительного нагрева при поддержании стабильной температуры в шахтном стволе // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1978. С. 95-98.

118. С куба В.Н. Влияние теплового режима на эффективность работ на шахтах Севера. Уголь, 1975. №12. С. 58-60.

119. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М.: Изд. стандартов., 1999.-67 с.

120. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: Изд. стандартов., 1997. - 76 с.

121. Соболев С.Л. Уравнения математической физики. М.: Недра, 1950.

122. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. 4-е изд., перераб. М.: Энергия, 1975. 335 с.

123. Сотников А.Т. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции. Теория, техника и проектирование на рубеже столетий. В двух томах. Том I. С.-Петербург: ООО «АТ», 2005. 504 с.

124. Сосин М.Л. Защита от замораживания оборудования систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Зарубежный опыт // Исследование, расчёт, проектирование санитарно-технических систем: Тр. ГИПРОНИН АН СССР, 1970. вып. 2. С. 77-80.

125. Специальные мероприятия по безопасному ведению горных работ на Верхнекамском месторождении калийных солей в условиях газового режима в ОАО «Уралкалий». Пермь Березники, 2005.

126. Технологический регламент по организации проветривания рудников ОАО «Уралкалий». Пермь Березники, 2005.

127. Тику Ш. Эффективная работа: БоНсГМогкз 2004. — СПб.: Питер, 2005. — 768 с.

128. Трупак Н.Г. Способы борьбы с водой на калийных и соляных рудниках при проходке стволов. М., Госгортехиздат, 1961.

129. Ушаков КЗ. и др. Аэрология горных предприятий. М.: Недра, 1987. С. 334-336.

130. Ушаков КЗ. и др. Безопасность ведения горных работ и горноспасательное дело. М.: Изд-во Академии горных наук. 1999. 487 с.

131. Фшъней М.И. Проектирование вентиляционных установок. М.: Высш. школа, 1966.

132. Флетчер К Вычислительные методы в динамике жидкости. М.: Мир, 1991, Т.1. 502с., Т.2. 552с.141 .Харев А.А. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. . -М.: Углетехиздат, 1954, с. 247.

133. Хасилев В.Я., Меренков А.П., Каганович Б.М. и др. Методы и алгоритмы тепловых сетей. М.: Энергия, 1978.

134. Худевенц Д. Результаты дискуссии на конференции по улучшению климатических условий в шахтах, "Глюкауф", №12,1984, С. 38.

135. Цейтлин Ю.А. и др. Проектирование и эксплуатация шахтных систем кондиционирования воздуха. М.: Недра, 1983. С. 16-17.

136. Цой С., Цхай С.М. Электронно-вычислительная техника в вентиляционной службе шахт. Алма-Ата: Наука, 1966.

137. Шемаханов М.М. Отопление шахтных стволов. М.: Госгортехиздат, 1960.

138. Шпаков П.С., Попов В.Н. Статистическая обработка экспериментальных данных. М.: Издательство МГТУ, 2003. с. 268.

139. Шубин Е.П., Левин Б.И. Проектирование теплоподготовительных установок ТЭЦ и котельных. М.: Энергия. 1970.

140. Шушпанников В.А. Исследование работы шахтной паровой безвентиляторной установки: Дис. . канд. техн. наук. Кемерово, 1972. 208 с.

141. Шушпанников В.А., Колчанова В.И. Анализ работы калориферных установок на шахтах Кузбасса // Сб. научн. тр. Кузбасского политехнического ин-та. Кемерово, 1974. С. 177-183.

142. Шушпанников В.А., Шушпанников Б.В. Шахтная паровая безвентиляторная калориферная установка. A.c. SU №138563 Е 21 F 03/00. Заявлено 23.02.1960. Опубл. 1961.

143. Щеглов A.B. Паровые турбины. М.: Энергия, 1967.153 .Щекин Р.В. и др. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Вентиляция и кондиционирование. Киев: Будивельник, 1968. 342 с.

144. Щербанъ А.Н., Кремнев O.A., Журавленко Я.В. Руководство по регулированию теплового режима шахт. М.: Недра, 1977. - 359 с.

145. Щербанъ А.Н., Кремнев O.A., Журавленко Я.В. Справочное руководство по тепловым расчетам шахт и проектированию установок для охлаждения рудничного воздуха. М.: Недра, 1977. 500 с.

146. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт, том 1, Киев, 1959. 36 с.

147. Щербань АН. Основы теории и методы тепловых расчетов рудничного воздуха. Углетехиздат, 1953, 221 с.

148. Черниченко В.К., Коптиков В.П., Подгорный Н.Е. Обоснование требований безопасности к огневым калориферам воздухоподающих стволов // Уголь Украины. Киев, 2004, №3.

149. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. «ANSYS для инженеров. Справочное пособие» Москва, Машиностроение 2004. - 267 с.

150. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 2-е изд., М.: Наука, 1985. 512 с.161 .Andrews О.Е. Ventilation of Shore Mines // Mining in Canada. Northern Mine Press LTD, 1957. 45p.

151. Bogchi S. Ventilation of Deep Mines // Journal of the Institut of Eng. (India), 1987. Vol. 11.

152. Chadwick J.R. New techniques for ventilation and regeneration // World Mining, 1981. Vol. 8.

153. Chien K.Y. Predictions of channel and boundary-layer flows with a low-Reynolds-number turbulence model I I AIAA Journal, 1982, Vol.20, No.l, pp.33-38.

154. Hall A.E., Gangal M.K., Stewart S.B. Atmospheric fog in Canadian mines CIM Bulletin. 1988. Vol. 921.

155. 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. Vol. 9307.

156. Jons J.D., Hinstey F.B. The use of the models in the predication of mine airway resistance. "Colliery Guardian", 1959, August, 20, Vol. 5131.

157. Kazakov B.P., Shalimov A.V. The connected task of non-stationary heat exchange between mine air and mining massif. Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress (Poland), 2001.

158. Launder B.E., Sharma B.I. Application of the energy-dissipation model of turbulence to the calculation of flow near a spinning disk // Letters in Heat and Mass Transfer, 1974, Vol.1, pp.131-138.

159. Morris LH. Walker G. Changes in the approach to ventilation in recent years // The Mining Engineer, 1982. Vol. 244.

160. Sadik W.A., Stanley B.T., Mirza M.B. Ventilation of on underground testing facility in sail // Mining Engineering (USA), 1988. Vol. 10.

161. Short B. Ventilation and air conditioning of the Magma Mine // Mining Engineering, 1957. Vol. 3.

162. Stateham R.M., Radcliffe D.E. Time variation in coal mine roof fall rates // Cycles, 1979. Vol. 29.

163. Ventilation of South African Gold Mines // The South African Mining and Eng., 1961. Vol. 6.