Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Управление тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников

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

Автореферат диссертации по теме "Управление тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников"

На правах рукописи

00504ьои^

НИКОЛАЕВ Александр Викторович

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ ДЕПРЕССИЯМИ В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2012

005046803

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор МОХИРЕВ Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор АЛЫМЕНКО Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ЗЕМСКОВ Александр Николаевич, доктор технических наук, ООО «ЗУМК-Инжиниринг», зам. генерального директора

ИСАЕВИЧ Алексей Геннадьевич, кандидат технических наук, ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН, старший научный сотрудник

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Защита диссертации состоится «27» апреля 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного Совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета

'О

- Бачурин Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. При добыче полезных ископаемых подземным способом одной из важнейших задач является обеспечение проветривания рудника. Подачу необходимого объема воздуха в рудник обеспечивает главная вентиляторная установка (ГВУ), наряду с работой которой постоянно действует естественная тяга (тепловая депрессия). Возникновение тепловой депрессии обусловлено разностью плотностей (удельного веса) столбов воздуха в вертикальных и наклонных выработках рудников (между стволами и в блоках и панелях, отрабатывающих наклонные пласты), в результате чего теплый воздух стремится подняться вверх, а холодный опуститься вниз. Естественная тяга может быть как положительной (способствующей проветриванию), так и отрицательной.

В зависимости от параметров наружного воздуха, взаимного расположения стволов и их аэродинамического сопротивления результирующая естественная тяга (общерудничная) может изменяться в широких пределах, что оказывает значительное влияние на работу ГВУ. Общерудничная естественная тяга также зависит от процесса предварительной воздухоподготовки в калориферных установках (КУ) и системах кондиционирования воздуха (СКВ).

Тепловые депрессии, действующие между подземными горными выработками калийных рудников, при определенных условиях, могут играть доминирующую роль в проветривании рабочих зон блоков и панелей ввиду их малого аэродинамического сопротивления.

Исходя из вышеизложенного, тепловые депрессии могут оказывать значительное влияние на воздухораспределение между выработками калийных рудников. В зависимости от их направленности возникает необходимость контролировать и, при определенных условиях, регулировать режимы работы вентилятора ГВУ, а в труднопроветриваемых рабочих зонах устанавливать дополнительные источники тяги.

Исследованию данной проблемы посвящены работы К.З.Ушакова, А.Ф. Воропаева, В.Б. Комарова, Ш.Х. Килькеева, С.П. Алехичева, А.Н. Щер-баня, O.A. Кремнева, А.Д. Вассермана , А.Е. Красноштейна, И.И. Медведева, H.H. Мохирева, Н.И. Алыменко, H.A. Трофимова, Г.З. Файнбурга, Ю.Д. Дядькина, С.Г. Гендлера, Н.О. Калединой, Б.П. Казакова, Л.Ю. Левина и др. Анализ основных научных и практических результатов показал, что данная проблема является актуальной научно-технической задачей и позволил сформулировать цель и идею работы, а также определить направление дальнейших исследований.

Цель работы - определить влияние тепловых депрессий на процесс проветривания калийных рудников и разработать мероприятия по эффективному управлению ими.

Основная идея диссертационной работы заключается в использовании эффекта тепловых депрессий для совершенствования проветривания калийных рудников.

Основные задачи работы:

- определить взаимное влияние тепловых депрессий, действующих между несколькими стволами, на величину общерудничной естественной тяги;

- разработать схемы подготовки и отработки блоков и панелей, с учетом действия тепловых депрессий, и мероприятия, повышающие эффективность проветривания рудника;

- уточнить существующие и вывести новые математические зависимости, определяющие величину и направленность тепловых депрессий, возникающих между стволами как действующих, так и проектируемых калийных рудников;

- определить наиболее значимые факторы, влияющие на величину общерудничной естественной тяги, при различных вариантах расположения абсолютных отметок стволов;

- исследовать влияние систем предварительной подготовки воздуха (КУ и СКВ) на величину общерудничной естественной тяги, с целью управления работой ГВУ, и на величину тепловых депрессий, действующих между стволами в отдельности, для исключения образования «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Тепловые депрессии, возникающие при подаче воздуха в рудник по двум и более стволам, взаимодействуют между собой, а их суммарная величина определяет абсолютное значение общерудничной естественной тяги.

2. Локальные тепловые депрессии, возникающие при проветривании блоков и панелей, отрабатывающих наклонные пласты, оказывают значительное влияние на воздухораспределение и их действие должно учитываться при разработке схем проветривания.

3. Регулирование режимов работы ГВУ и систем предварительной подготовки воздуха в зависимости от абсолютной величины общерудничной естественной тяги позволит энергоэффективно обеспечивать подачу необходимых объемов воздуха в рудник и исключить вероятность возникновения «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена математическая зависимость, определяющая взаимное влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги, для обоснования ее влияния на режимы работы ГВУ;

- установлены различные факторы, влияющие на воздухораспределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты, и разработаны схемы про-

ветривания, способствующие использованию положительного и исключению отрицательного действия тепловых депрессий;

- на основании проведенного множественного регрессионного анализа выведены математические зависимости, позволяющие определить значения температуры и барометрического давления, предназначенные для нахождения величины средней плотности воздуха в стволах, по которым рассчитывается величина прогнозируемой естественной тяги, при динамически изменяющемся режиме проветривания, как на действующих, так и на проектируемых калийных рудниках;

- исследованы процессы образования тепловых депрессий, возникающих при работе систем предварительной подготовки воздуха, позволившие разработать способы регулирования и варианты размещения систем, способствующие выбору энергосберегающих режимов работы ГВУ и исключающие образование «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием теоретических выводов практическим результатам, полученным на действующих рудниках.

Практическое значение результатов исследований заключается в выводе математических зависимостей, предназначенных для расчета величины прогнозируемой общерудничной естественной тяги и тепловых депрессий, возникающих в подземной части как действующих, так и проектируемых рудников, при динамически изменяющемся режиме проветривания. С помощью математических зависимостей моделируются различные ситуации, при обработке которых выполняется корректировка схем проветривания и разрабатываются мероприятия, способствующие снижению отрицательной естественной тяги, что сокращает затраты электроэнергии ГВУ.

Реализация результатов работы. Основные научные результаты и практические рекомендации на основе предложенных способов подготовки, отработки и проветривания блоков и панелей применены на калийных рудниках БКПРУ-4 (Березниковское калийное производственное рудоуправление № 4) и СКРУ-3 (Соликамское калийное рудоуправление № 3); при разработке исходных данных для создания эффективной системы проветривания рудника Усольского калийного комбината, Пермский край (этап договора № 467-суб-3/2009/185). Основные научные результаты используются для дипломного проектирования на кафедре ЭАГП ПермНИПУ.

Апробация результатов диссертационной работы.

Основные научные положения и практические рекомендации диссертационной работы были доложены и получили одобрение на следующих конференциях: Краевой научно-технической конференции «Проблемы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых» (Пермь, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2008 г.); на V Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, обору-

дование» (Пермь, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2009 г.); III Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2010 г.); VI Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование» (Пермь, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка - 2011» (Москва, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2011 г.); Юбилейной конф., посвященной 80-летию геолог, ф-та и 95-летию Перм. ун-та «Геология и полезные ископаемые Западного Урала».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 научных работ, в том числе 7 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 159 страницах машинописного текста и содержит 41 таблицу, 46 рисунков, список литературы из 110 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям д.т.н., проф. Мохиреву| H.H. и д.т.н., проф. Алыменко Н.И., а также д.т.н., проф. Файнбургу Г.З., к.т.н., доц. Трофимову H.A., к.т.н., доц. Захарову Н.И., д.т.н., проф. Левину Л.Ю. и сотрудникам кафедры «Электрификации и автоматизации горных предприятий» Пермского национального исследовательского политехнического университета за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Тепловые депрессии, возникающие при подаче воздуха в рудник по двум и более стволам, взаимодействуют между собой, а их суммарная величина определяет абсолютное значение общерудничной естественной тяги.

Исследования существующих методов расчета величины естественной тяги показали, что наиболее используемым является метод гидростатического расчета, позволяющий определить ее значение по формуле

K=g-{P4,.,-Pcp.j)-H г Па О)

где g - ускорение свободного падения, м/с2; рср, и pcpj - средние плотности воздуха соответственно в г'-ой и /-ой сообщающихся выработках, кг/м3; II -вертикальная длина сообщающихся выработок, м.

Ввиду того, что g и для каждого конкретного рудника Н есть величины постоянные, параметрами, определяющими абсолютное значение тепловой депрессии, будут являться величины средних плотностей воздуха в сооб-

щающихся стволах. Отсюда был сделан вывод о необходимости исследовать зависимость изменения средней плотности воздуха в стволах, в зависимости от различных факторов.

Величина плотности воздуха в определенной точке находится по формуле

0,465 • Р

= 273Л1ГТ/ (2)

где Я, и г, - соответственно барометрическое давление (мм рт. ст.) и температура воздуха (°С) в 1-ой точке.

Исходя из формул (1) и (2) был определен следующий порядок расчета средних плотностей воздуха в стволах в статическом режиме (при постоянном значении атмосферного давления Ра, относительной влажности воздуха <р, температуры наружного воздуха г„а/, и неизменном режиме работы ГВУ).

Схема на рис. 1 рассматривалась как небольшой элемент эквива-

Я,

а

1'е

а

а

Нг,

лентныи вентиляционной сети, в котором перепад давления, равный депрессии ГВУ 1, затрачивается в 3-х ветвях: в воздухоподающем стволе 2 (т.1-т.2), непосредственно в руднике (т.2-т.З) и в вентиляционном стволе 3 (т.З-т.4).

При движении вниз по возду-хоподающему и вверх по вентиляционному стволам температура воздуха изменяется в зависимости от

возрастающего (для воздухоподаю- п ...

г. _ Рис. 1. Упрощенная схема

щего) либо снижающегося

вентиляции рудника (для вентиляционного) барометрического давления за счет давления (разряжения), создаваемого столбом воздуха (работой ГВУ), а также зависит от тепло- и влагообмена между поступающим воздухом и стенками ствола.

Исследовав процесс изменения параметров воздуха при движении его по стволам, теоретическим путем были получены коэффициенты, определяющие приращение температуры и барометрического давления, обозначенные через X для воздухоподающего и через У для вентиляционного стволов. Исходя из этого были уточнены формулы, определяющие величину средних плотностей воздуха в стволах калийных рудников.

Таким образом, получив значения средних плотностей воздуха в воздухоподающем и вентиляционном стволах, можно найти величину естественной тяги, действующей между ними по формуле (1).

В действующие в настоя- П П п гву

щее время рудники Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС) воздух подается по двум и трем воздухоподающим стволам, поэтому помимо тепловой депрессии, возникающей между одним из воздухоподающих и вентиляционным стволами (Лез), будут действовать тепловые депрессии между вторым (принималось количество воздухоподающих стволов равное двум) воздухопо- Рис. 2. Упрощенная схема проветривания дающим и вентиляционным рудника с двумя воздухоподающими ство-стволами (he2) и между самими лами (всасывающий способ проветривания) воздухоподающими стволами (hei) (рис. 2).

Для того, чтобы определить значения общерудничной естественной тяги (взаимное влияние тепловых депрессий hei, he2 и /г,,3) дополнительно были выведены математические зависимости, учитывающие влияние поверхностных утечек (Qym), взаимное расположение стволов (разность абсолютных отметок устьев и околоствольных дворов), а также определяющие эквивалентное аэродинамическое сопротивление подземной части рудника и канала ГВУ.

В ходе исследований были составлены расчетные схемы, в результате обработки которых было установлено, что величина общерудничной естественной тяги (he) находится как алгебраическая сумма тепловых депрессий, действующих между стволами

he = sign (hei) + sign (lie2) + sign (he3) (3)

где sign - знак, учитывающий направление действия тепловой депрессии hei.

Полученные математические зависимости требовали проверки с экспериментальными данными. Однако существующие методы измерения естественной тяги требуют длительного отрезка времени (порядка нескольких часов, а иногда и дней), в течение которого параметры наружного воздуха могут значительно измениться. Поэтому расчет естественной тяги можно выполнять, используя существующие методы построения действительных режимов работы ГВУ на вентиляционную сеть рудника.

Измерив депрессию /г и подачу вентиляторной установки Q при различных углах установки лопаток направляющего аппарата, можно получить последовательность точек пересечения кривых характеристик вентилятора и сети А, В, С, Б и т.д. (рис. 3). По этим точкам определяется положение характеристики вентиляционной сети в координатах /г-(2 и в общем случае эта характеристика описывается выражением /г = Л'б2-

Однако возникающая в процессе работы вентилятора естественная тяга Ие неизбежно изменит положение характеристики рудника.

рудника

При положительной естественной тяге характеристика вентиляционной сети займет положение 2 и будет описываться выражением

/гн=-а + 11р)г1-()2и (4)

При отрицательной естественной тяге характеристика вентиляционной сети будет занимать положение 1 и будет описываться выражением

К =<* + &„*-<21 (5)

Измерив, к примеру, депрессию /г и подачу 2 при различных режимах работы вентилятора ГВУ, т.е. при различных углах установки лопаток НА и воздействии отрицательной естественной тяги, получим ряд точек А', В', С', £>' и т.д. Если по данным точкам построить характеристику сети типа /г = Круд'О*) то она займет некоторое положение 3 и ее координаты будут отличаться от координат кривой (5), т.е. кривая типа /г = Яру,;О1 будет иметь ошибку при ее построении. Таким образом, величину общерудничной естественной тяги можно определить, используя следующий порядок измерений и алгоритм расчета.

1. Определяются точки пересечения кривых характеристик вентилятора и характеристики сети, что обычно и делается при проведении воздуш-но-депрессионной съемки рудников.

2. По этим точкам определяются коэффициенты кривых (4) и (5) методом наименьших квадратов, для чего решается система уравнений

характеристики вентиляционной сети

и выражение

руд

/=1 i=i

Qi ^ руд öy Qi

/=1 i=l i=1

^руд ^ Qi ^ ^i Qi

(7)

где п - число измерений.

Из первого выражения определяется а из второго -а и Л^,,. Далее сравнивается, какая из кривых наиболее точно совпадает с результатами измерения. Для этого определяются суммы квадратов абсолютных отклонений измеряемых величин давления /г, от получаемых по формулам /г = В-руоОл и h=±a+Rруъ-О,?

«1=Ё

(h-RPyd-Qt) К

(8)

h-ia + R-g)

I \ руд «-I /

(9)

и сравниваются между собой среднеквадратичные величины отклонений (вариации отклонений)

и / V /п

По значениям ^ и ,у2 оценивается точность описания кривых: выбирается та кривая характеристики, для которой значение s¡ наименьшее.

Сравнительный анализ расчетных значений тепловых депрессий, возникающих между стволами и общерудничной естественной тяги, найденных теоретическим путем, с данными воздушно-депрессионных съемок (ВДС) рудников БКПРУ-2 и СКРУ-3 приведен в табл. 1.

Таблица 1.

Рудник he\, Па Кг, Па he3, Па h 'е, Па he, Па АК, %

СКРУ-3 1,6 -506,7 -219,6 -730,9 - 724,7 0,85

БКПРУ-2 1,7 -70,0 -68,4 -139,5 -136,7 2,04

hei ~ тепловые депрессии, действующие между стволами; h - общерудничная естественная тяга, найденная при измерениях на ГВУ; he - общерудничная естественная тяга, найденная по полученным математическим зависимостям; Ahe ~ разность между полученными значениями.

10

Таким образом, полученные теоретическим путем математические зависимости определяющие значение тепловых депрессий, действующих между стволами, и общерудничной естественной тяги могут использоваться для расчета с достаточной степенью точности. Данный факт позволяет определить абсолютную величину прогнозируемой общерудничной естественной тяги при различных параметрах атмосферного воздуха и режимах работы ГВУ не только на действующих, но и на проектируемых рудниках, а, следовательно, определить объемы воздуха, которые будут поступать в рудник с учетом действия естественной тяги.

2. Локальные тепловые депрессии, возникающие при проветривании блоков и панелей, отрабатывающих наклонные пласты, оказывают значительное влияние на воздухораспределение и их действие должно учитываться при разработке схем проветривания.

На рудниках ВКМКС в основном применяется пластовая подготовка блоков, когда вентиляционные штреки отнесены на его границы. В этих условиях возможно выполнение основных требований, предъявляемых к схемам вентиляции: организация сквозного проветривания камер и пропуск значительных объемов воздуха через рабочие камеры без осуществления специальных мер по регулированию воздухораспределения.

Схема проветривания в общем виде приведена на рис. 4. Свежий воздух от панельного транспортного штрека подается в рабочие блоки по блоковому транспортному (выемочному) штреку (БТШ-Кр.2) в пласте Красный-2. Часть этого воздуха идет к рабочим камерам (на рис. 4 показаны только две камеры на каждом горизонте блока), а часть по уклону 1 подается в блоковый транспортный штрек (БТШ-АБ) в пласте АБ и далее к камерам. В конвейерный штрек свежий воздух также подается с панельного транспортного штрека по уклону 2. Отработанный воздух удаляется по вентиляционным штрекам 3 в блоковый транспортный штрек в пласте АБ и далее в панельный вентиляционный штрек. БТШ-АБ служит и для подачи свежей струи к камерам, и для удаления исходящей струи блока, поэтому он разделен перемычкой 4.

Подобная схема вентиляции блоков хорошо зарекомендовала себя при отработке горизонтальной площади месторождения.

В случае наклонного залегания пластов, согласно проведенным исследованиям, подобная схема эффективна только при проветривании блоков, отрабатываемых по восстанию пласта. В блоках расположенных по падению

- Выработка в пласте АБ

- Выработка в пласте Крас вы 1-2

- Выработка а пожттлаюшей камеявой сала

- Напрвалснве потека свсакга в вздут а

- Наораклеввс потека «трабетаввога вошуха

Рис. 4. Упрощенная схема вентиляции блока

пласта данная схема не работает. Причиной тому послужили тепловые депрессии hei, возникающие в выработках блоков.

В случае отработки блоков по восстанию пласта тепловые депрессии hei, he2, heз (на рис. 4 показанные сплошными линиями) играют положительную роль, т.е. способствуют проветриванию. В случае отработки блоков по падению пласта тепловые депрессии heU he2, he3 (на рис. 4 показанные пунктирными линиями) действуют против необходимого направления потоков свежего воздуха и, в некоторых случаях, реверсируют поток воздуха в конвейерном штреке.

Для исключения негативного и использования положительного влияния тепловых депрессий на процесс проветривания было предложено схему подготовки, отработки и проветривания блоков, расположенных по восстанию пласта оставить без изменения, а для блоков, расположенных по падению пласта, применять схему, приведенную на рис. 5.

Основной идеей является то, что вентиляционные штреки необходимо проходить только на длине той части блока, в которой ведутся очистные работы, а конвейерный штрек использовать в качестве вентиляционного. Эти штреки могут быть сформированы путем сбойки в конце камер: первый ход комбайна (первый слой) сбивается с соседней уже отработанной камерой, как показано на рис. 5, тем самым на границе блока формируется выработка.

На рис. 5 показаны выработки только в пласте Красный-2, но точно таким же образом можно сформировать выработки и в пласте АБ.

Основные естественные тяги he 1 и A'ei в таких условиях (рис. 6) возникают между блоковыми выемочными в пластах Красный-2 и АБ и конвейерным штреками. Эти тепловые депрессии способствуют поступлению свежего воздуха в блок по выемочным штрекам и выдаче исходящей струи по конвейерному. Возможны ситуации (при большом перепаде высот Н\), когда естественные тяги по величине могут превышать

падение общешахтной депрессии на этом участке вентиляционной сети. Но эти тяги заставят также поступающий в блок воздух пройти мимо рабочих камер по выемочному штреку в гезенк 5 (рис. 4).

Появление в районе ведения очистных работ вентиляционных штреков будет являться причиной возникновения тепловых депрессий he2 и he3, которые будут иметь направление, показанное на рис. 5.

Рис. 5. Схема подготовки и отработки блока (пласт Красный-2)

Панельный транспортный штрек

Панельный вентиляционный штрек

Эти две тяги направят струю воздуха в вентиляционных штреках сверху вниз, но будут препятствовать нормальному движению воздуха в выемочном штреке, т.е. должны заставить воздух двигаться в первые рабочие камеры. Рис 6 Схема проветривания блока по

В результате обработки предлагаемой схеме

данных, полученных при со- (разрез по выемочному и заглубленному ставлении вентиляционной конвейерному штрекам)

модели 18 южной панели (18 ЮП) рудника СКРУ-3, когда блок №1, расположенный по восстанию пласта, отрабатывался по традиционной схеме, а блок №2, расположенный по падению пласта - по предлагаемой, выяснилось, что предложенная схема действительно способствует положительному действию тепловых депрессий: расчетное значение воздуха, подаваемого в панель увеличилось с 19,63 до 21,99 м3/с, т.е. на 10,7 %. Также улучшилась вентиляционная обстановка в рабочих камерах.

Однако были замечены и следующие негативные факторы. Частичное поступление отработанного воздуха в рабочие камеры (для блоков, расположенных по восстанию - через конвейерный штрек; для блоков, расположенных по падению пласта - через последние отработанные камеры и выемочный штрек). При этом в предлагаемой схеме, по мере приближения отрабатываемых камер (обратный ход отработки) к началу панели, значительно увеличиваются утечки через рудоспуски, «закарачивающие» на себя вентиляционную струю. Утечки воздуха через отработанные камеры, наоборот, будут снижаться по мере приближения фронта работ к началу блока, т.к. будут увеличиваться тепловые депрессии /г,,2 и 1ге3 (рис. 5). В результате было предложено ограждать рабочие камеры передвижной перемычкой, располагаемой сразу после них (на начальном этапе отработки блока) и рудоспуски, при помощи вентиляционных клапанов или затворов.

Для исследования влияния различных факторов на процесс проветривания блоков, отрабатывающих наклонные пласты, были составлены вентиляционные модели с различным расстоянием между выработками, при расположении конвейерного штрека параллельно выемочным (рис. 6) и при горизонтальном его расположении, а также с применением изолирующих устройств (перемычек и вентиляционных клапанов) и без применения таковых.

В результате исследований выяснилось, что конвейерные штреки, расположенные в подстилающей каменной соли (заглубленные), необходимо проходить горизонтально, а не параллельно выемочным, как это принято на всех рудниках ВКМКС. Кроме этого выяснилось, что необходимо изолировать выемочный штрек сразу после рабочих камер передвижной перемычкой и установить вентиляционные клапана, препятствующие утечкам воздуха

через рудоспуски. Соблюдение данных мероприятий позволит значительно снизить утечки воздуха через выработанные пространства, а отработка блоков по предлагаемой схеме использовать положительное и исключить негативное влияние тепловых депрессий.

С учетом предложенных мероприятий и схем были проведены расчеты воздухораспределения в блоках панелей некоторых рудников, расположенных на территории ВКМКС. Полученные результаты приведены в табл. 2, где под Отрад. приведен расход воздуха в панели при использовании традиционной, а под (2„Ред. ~ при предлагаемой схемах проветривания.

Таблица 2.

Результаты расчета воздухораспределения в панелях некоторых рудников ВКМКС, при проветривании их по традиционной и предлагаемой

схемам, с применением изолирующих устройств

Рудник Панель Отрад., М3/С (¿„вед., М3/С АО, м3/с АО, %

СКРУ-3 18 ЮП 19,63 23,61 3,98 16,86

БКПРУ-2 10 ЗП 7,60 11,18 3,58 32,02

12 ЗП 8,00 11,46 3,46 30,19

13 ВП 11,51 13,75 2,24 16,29

БКПРУ-4 2 СВП 19,11 24,10 4,99 20,71

3 СВП 18,63 23,71 5,08 21,43

Как видно из таблицы, при применении предлагаемых схем и изолирующих устройств, в панели подается гораздо больший объем воздуха. В результате появляется возможность значительно снизить затраты электроэнергии на проветривание. Так, например, за счет изменения схемы проветривания всего одной 18 южной панели рудника СКРУ-3 экономия электроэнергии составит 3396,0 МВт-ч в год.

3. Регулирование режимов работы ГВУ и систем предварительной подготовки воздуха в зависимости от абсолютной величины общерудничной естественной тяги позволит энергоэффективно обеспечивать подачу необходимых объемов воздуха в рудник и исключить вероятность возникновения «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

По математическим зависимостям, определяющим изменение параметров воздуха при движении его по стволу, полученным ранее, возможно получить значение естественной тяги, действующей между стволами, в определенный момент времени. Поэтому использовать данные выражения можно для определения естественной тяги, которая будет возникать (прогнозируемая) или возникла во время проведения измерений, при известных климатических условиях, режиме работы ГВУ и технологических параметрах рудника. В результате расчетов можно спрогнозировать режим работы ГВУ и определить ее способность обеспечивать подачу необходимого объема воздуха.

Ввиду того, что параметры наружного воздуха (температура, атмосферное давление, относительная влажность) постоянно изменяются, определение зависимости для всех возможных вариантов и факторов, влияющих на

это изменение, является довольно трудоемкой задачей. Вывод математических зависимостей, определяющих абсолютную величину естественной тяги, способных адекватно оценивать изменение ее в динамике, достаточно сложен, т.к. для этого потребуется учитывать не только изменение параметров воздуха, при движении его по стволу, а также принимать во внимание следующие факторы: турбулентность движения воздуха; перемещение по стволу подъемных сосудов с разной скоростью; изменение аэродинамического сопротивления, создаваемого крепью на различных участках ствола; в случае установки ГВУ на клетевом стволе - снижение производительности вентилятора при спуске-подъеме людей; в случае установки ГВУ на скиповом стволе - изменение аэродинамического сопротивления канала и диффузора вследствие накапливания на их поверхности слоев пыли; изменение аэродинамических характеристик вентилятора, связанное с ржавлением лопаток или налипанием на них пыли и т.д.

Эти факторы необходимо учитывать и при расчетах в статике. Однако, в отличие от динамики, для расчетов, проводимых для момента времени существует целый ряд формул и коэффициентов, позволяющих вычислить необходимые величины с достаточной степенью точности.

Для снижения арифметических операций было принято решение провести множественный регрессионный анализ для различных условий, в результате чего были получены уравнения регрессии, позволяющие определять температуру ((аЛ) и барометрическое давление (Рил) в околоствольном дворе воздухоподающего и на выходе из вентиляционного стволов (/„„,„ Р„ых)

Ро.д. = я. • К' + «2 • 'г + «3 • а? + «4 • А"4 + «5 • ат; (Ю)

К*. = <*\<'1 +а\-Н,"> +а'4-Д"4 (11)

Р„ш = Ъх • О+ь2 ■ ср- + ь3 ■ а + Ь4 ■ Н- + 65 • + ь6 • /С. + + Ъп ■ + \ ■ А+ Ь9 ■ Вт> + Ь1й ■ Ст" + V ;

+ь\-Ат«+ь'9-вт'> +ь\0-ст'ш

где а„ а'„ Ь1 и Ь\ - коэффициенты регрессии; «,, п '„ /и, и т \ - степени при параметре; II,, Ц и Q¡ - соответственно температура воздуха, поступающего в ствол ниже отметки калориферного канала (°С), глубина (м), диаметр (м) ¿-го воздухоподающего ствола и объем воздуха, поступающего в него, м3/с; РоЛ, <р и 10 асоответственно барометрическое давление (мм рт. ст.), относительная влажность воздуха (%) и температура (°С) в околоствольном дворе вентиляционного ствола; Н и £) - соответственно глубина (м) и диаметр (м) воздухоподающего ствола; К«,,,,, - аэродинамическое сопротивление параллельно соединенных воздухоподающих стволов, (Н-с2)/м8; ()в - производительность вентилятора, м /с; А, В, С - коэффициенты кривой, соответствующей определенным углам установки лопаток направляющих аппаратов (цен-

15

тробежный), рабочего колеса (осевой) вентилятора или скорости вращения рабочего колеса ГВУ; Кут- коэффициент поверхностных утечек, o.e.

Коэффициенты регрессии и степени при параметре зависят от типа ствола - скиповой (скипоклетевой) или клетевой.

По выведенным зависимостям определяется плотность воздуха в заданной точке по формуле (2), а средние плотности воздуха в стволах находятся как среднее арифметическое между плотностями поступающего и выдаваемого воздуха.

В ходе проведения ВДС, выяснилось, что отклонение замеренных параметров от значений, полученных по формулам (10) - (13) лежит в пределах 1%. Помимо проверки полученных формул, в ходе проведения ВДС, требовалось выяснить как влияет работа КУ на величину общерудничной естественной тяги.

В результате исследований выяснилось, что основными факторами, влияющими на величину тепловой депрессии, возникающей между стволами, являются температура воздуха, подаваемого в стволы и атмосферное давление. При неравномерном подогреве воздуха в КУ, работающих на воздухо-подающих стволах, между стволами наблюдается значительное перераспределение воздуха и изменение общерудничной естественной тяги. В результате перераспределения воздуха в одном из воздухоподающих стволов может образоваться «воздушная пробка», препятствующая движению по нему воздуха. Именно данный факт позволил сделать вывод о необходимости регулирования работы КУ с учетом возникновения при ее работе тепловых депрессий, действующих между воздухоподающими стволами.

При работе СКВ, в случае применения таковой, наблюдается обратная картина, связанная со снижением отрицательной, либо возникновением положительной общерудничной естественной тяги.

Для исследования были рассмотрены схемы проветривания с различным взаимным расположением стволов и различными вариантами размещения СКВ, приведенные на рис. 7.

В результате были получены данные, свидетельствующие о том, что в случае применения на руднике СКВ, вариант расположения, приведенный на рис. 7, в, приводит к значительному увеличению положительной естественной тяги и исключает образование отрицательной тепловой депрессии, возникающей между воздухоподающими стволами, которая может вызвать образование «воздушных пробок» в них.

Применение СКВ на рудниках ограничено, ввиду того, что затраты электроэнергии на работу подобных систем колоссальные. Однако их отсутствие на рудниках приводит к следующим негативным последствиям. В неглубоких рудниках (порядка 500 м и менее), которыми являются все рудники ВКМКС, в теплое время года происходит конденсация влаги на стенках горного массива. В результате образующиеся растворы солей - электролиты -выводят из строя электрооборудование, т.к. увеличивается его износ, затруд-

няют работу техники, разрушают покрытие дорог, ведут к затоплению выработок, уменьшают несущую способность целиков. Выпадая на лентах конвейеров, влага вызывает их пробуксовку на приводных барабанах. Поэтому на калийных рудниках (не глубоких), несмотря на большие затраты электроэнергии, применение СКВ является одним из основных направлений в комплексе мероприятий по улучшению условий работы рудника.

. 141> |-| 1М1 1-1

п

о а

СКИ

а)

п

б)

с к к

_±ь..

в)

г)

Рис. 7. Различные варианты расположения СКВ

Таким образом, в результате исследований выяснилось, что тепловые депрессии, возникающие между стволами, значительно влияют на воздухораспределение между ними. В результате неравномерного прогрева воздуха в КУ в холодное и охлаждения в СКВ в теплое время года, в воздухоподающих стволах могут образоваться «воздушные пробки», которые будут препятствовать поступлению по ним воздуха. Кроме этого, изменение температуры воздуха, подаваемого в рудник, приведет к изменению общерудничной естественной тяги. В случае отсутствия СКВ в теплое время года в руднике будет действовать отрицательная естественная

тяга, препятствующая работе ГВУ. При применении СКВ в руднике будет возникать положительная общерудничная естественная тяга, а наилучшим вариантом расположения СКВ будет размещение ее по варианту, приведенному на рис. 7, в.

При работе СКВ и при параметрах наружного воздуха, обуславливающих возникновение положительной общерудничной естественной тяги, появляется возможность регулировать режим работы ГВУ, в результате чего будет снижаться ее энергопотребление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится решение научно-практической задачи управления тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников.

Основные теоретические положения и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выведена математическая зависимость взаимного влияния тепловых депрессий, действующих между несколькими стволами, на величину общерудничной естественной тяги. В результате проведения сравнительного анализа данных полученных теоретическим путем с эмпирическими данными было

установлено, что отклонение величин общерудничной естественной тяги для двух рудников СКРУ-3 и БКПРУ-2 составляет 0,85 и 2,04 % соответственно. С помощью полученной математической зависимости с высокой степенью точности определяется величина общерудничной естественной тяги, возникающая в калийных рудниках, при известных (заданных) параметрах наружного воздуха, в результате чего выбирается режим работы ГВУ.

2. В результате исследования влияния различных факторов на воздухо-распределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты, были установлены основные причины, способствующие возникновению отрицательных тепловых депрессий и утечек воздуха через выработанное пространство и рудос-пускные скважины. На основании полученных результатов были разработаны новые схемы подготовки, отработки и проветривания блоков, а также мероприятия, повышающие эффективность их проветривания. Изменение способа отработки блока, расположенного по падению пласта, с учетом действия тепловых депрессий, будет способствовать увеличению общего объема воздуха в панель. Для исследуемой 18 панели рудника СКРУ-3 объем поступающего воздуха увеличился с 19,63 до 21,99 м3/с, т. е. на 10,7 %. Расчет воздухораспре-деления для данной панели с учетом применения изолирующих устройств (передвижная перемычка и вентиляционный клапан) показал, что общий объем воздуха увеличится до 23,61 м3/с, т. е. на 16,86 %. Исследования вентиляционных моделей панелей отрабатываемых по предлагаемой схеме с учетом применения изолирующих устройств на других рудниках показали, что увеличение общего объема воздуха, подаваемого в них, будет достигать 32 %.

3. Выведены новые математические зависимости, полученные в результате проведения множественного регрессионного анализа, на основании которых рассчитываются значения температуры и барометрического давления в околоствольном дворе воздухоподающих стволов и на выходе вентиляционного. Используя полученные математические зависимости, определяются значения средних плотностей воздуха в стволах, в результате чего можно рассчитать величину прогнозируемой естественной тяги, действующей между стволами, как для действующих, так и для проектируемых калийных рудников. Сравнительный анализ данных полученных в ходе измерений на действующем руднике с теоретическими данными показал, что их разность лежит в пределах 1 %.

4. Установлено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на величину естественной тяги, при различных вариантах расположения абсолютных отметок стволов, являются атмосферное давление и температура воздуха, подаваемого в стволы. Изменить атмосферное давление воздуха не представляется возможным, поэтому единственным фактором, значительно влияющим на величину естественной тяги, является температура, которая кроме атмосферных параметров зависит от работы систем предварительной подготовки воздуха (КУ и СКВ).

5. Исследовано влияние систем предварительной подготовки воздуха на величину общерудничной естественной тяги и тепловых депрессий, дейст-

вующих между стволами. В результате исследований были разработаны способы регулирования и варианты размещения данных систем, способствующие выбору энергосберегающих режимов работы ГВУ и исключающие образование «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах. Экономия электроэнергии, потребляемой ГВУ с учетом действия общерудничной естественной тяги, для исследуемого рудника Усольского калийного комбината составила 1842,7 МВт-ч за год.

Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Николаев A.B., Постникова М.Ю. Результаты испытания вентиляторной установки главного проветривания на руднике СКРУ-3. Материалы краевой науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых в Пермском крае». Пермь, 2008. - С. 313-317.

2. Николаев A.B., Постникова М.Ю. Выбор схемы вентиляции панелей и блоков с учетом действия тепловых депрессий // Молодежь и наука: начало XXI века: сб. материалов всерос. науч.-техн. конф. студ., аспир. и молодых ученых. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2008. - ч. 4. - С.32-35.

3. Мохирев H.H., Постникова М.Ю., Николаев A.B. Выбор схем вентиляции крыльев, панелей и блоков калийного рудника с учетом фактора возникновения и влияния тепловых депрессий // Научно-технический журнал «Рудник будущего». Вып. 5. Пермь, 2009. - С. 88-91.

4. Николаев A.B. Анализ теоретической формулы, определяющей величину естественной тяги между воздухоподающим и вентиляционным стволами // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - М., 2009. -№10. - С. 72-75.

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

6. Николаев A.B. Влияние различных факторов на воздухораспреде-ление в блоках, отрабатывающих наклонные пласты // Научно-технический журнал «Рудник будущего». Вып. 3. Пермь, 2010. - С. 97-103.

7. Алыменко Н.И., Николаев A.B. Расчет эквивалентного аэродинамического сопротивления подземной части проектируемого рудника для определения естественной тяги, действующей между стволами // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - М., 2010. - № 12. - С. 68-70.

8. Николаев A.B. О возможности использования тепловой энергии земных недр в системе кондиционирования воздуха, подаваемого в рудник // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. - М., 2010.-№ 12.-С. 70-73.

9. Алыменко Н.И., Николаев A.B. Регулирование режимов работы ГВУ при использовании поверхностной системы кондиционирования воздуха на руднике Усольского калийного комбината // Научный журнал «Научные исследования и инновации». - Пермь, 2011. Том 5, № 1. - С. 143-145.

Ю.Николаев A.B. Потребление электроэнергии поверхностной системой кондиционирования воздуха парокомпрессорного типа на проектируемом руднике Усольского калийного комбината // Научный журнал «Научные исследования и инновации». - Пермь, 2011. Том 5, № 1. - С. 146-149.

11. Алыменко Н.И., Николаев A.B. Расчет параметров воздуха в околоствольном дворе воздухоподающих стволов // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: тр. 9-ой Междунар. научн.-практич. конф. -Воркута, 2011.-Том 1.-С. 156-160.

12. Алыменко Н.И., Николаев A.B. Расчет параметров воздуха на выходе из вентиляционных стволов // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: тр. 9-ой Междунар. научн.-практич. конф. - Воркута, 2011.-Том 1.-С. 161-165.

13. Николаев A.B. Метод расчета общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельн. ст. Горного информ.-анал. бюллетеня. - Препр. - М., 2011. - № 5. С. 12-17.

14. Алыменко Н.И., Николаев A.B. Расчет общерудничной естественной тяги // Воздушная завеса и общерудничная естественная тяга: Отдельн. ст. Горного информ.-анал. бюллетеня. - Препр. - М., 2011. - № 5. С. 18-26.

15. Алыменко Н.И., Николаев A.B., Каменских A.A., Тронин А.П. Результаты исследования системы вентиляции рудника БКПРУ-2 в холодное время года // Вестник ПГУ. Геология. - 2011. - Вып. 3. С. 89-96.

16. Алыменко Н.И., Николаев A.B., Седнев Д.Ю. Зависимость возду-хораспределения от величины тепловых депрессий, действующих между стволами // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы юбилейной конф., посвященной 80-летию геолог, ф-та и 95-летию Перм. унта, 6-7 октября 2011 г. - Пермь: Изд-во Перм. гос. нац. иссл. ун-та, 2011. - С. 199-201.

П.Николаев A.B. Зависимость потребления электроэнергии главной вентиляторной установкой от способа проветривания добычных участков калийных рудников // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - Пермь: Изд-во Перм. нац. иссл. политех, ун-та, 2011. - №1. - С. 143— 151.

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

19. Николаев A.B., Алыменко Н.И. Применение системы кондиционирования воздуха с учетом тепловых депрессий, действующих между стволами // Горное оборудование и электромеханика. - М., 2011. - № 12. - С. 12-15.

Подписано в печать 12.03.2012. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 686 / 2012

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского

политехнического университета 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.: (342) 219-80-33

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Николаев, Александр Викторович, Пермь

61 12-5/3111

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический

университет»

НИКОЛАЕВ Александр Викторович

УДК 622.663.3

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ ДЕПРЕССИЯМИ В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научные руководители:

докт .техн .наук, профессор ¡Мохирев Н.Н.|,

докт .техн .наук, профессор Алыменко Н.И.

Пермь-2012

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ................................................................ 2

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 5

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСТАВЛЕННЫХ В РАБОТЕ.................. 12

1.1 Современное состояние исследований по определению величины

и направленности общерудничной естественной тяги................ 12

1.2 Анализ изученности вопросов, связанных с положительным действием естественной тяги................................................ 16

1.3 Цель и задачи исследования................................................. 20

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ....................... 21

2.1 Расчет величины и направленности естественной тяги, действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами на основе эмпирических данных.............................. 22

2.2 Уточнение и анализ математических зависимостей, определяющих величину и направленность естественной тяги, действующей между воздухоподающим и вентиляционным стволами......................................................................... 26

2.2.1 Расчет величины естественной тяги с использованием, вычисленных при измерениях, величин средних плотностей воздуха................................................................... 31

2.2.2 Расчет величины естественной тяги, действующей в руднике СКРУ-1 (между стволом №1 и 2бис), с использованием теоретических формул............................. 32

2.3 Расчет общерудничной естественной тяги, при измерениях на

ГВУ.............................................................................. 35

2.4 Определение эквивалентного аэродинамического сопротивления подземной части рудника.................................................... 41

2.5 Вывод формулы, определяющей величину аэродинамического сопротивления канала при различных вариантах его конфигурации.................................................................. 44

2.6 Вывод математической зависимости, определяющей величину и направленность общерудничной естественной тяги.................. 49

Выводы.................................................................................

3. СХЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ, ПОВЫШАЮЩИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКА................. 56

3.1 Анализ существующих традиционных схем проветривания добычных участков............................................................. 56

3.2 Расчет воздухораспределения в вентиляционных сетях............... 61

3.3 Результаты исследования вентиляционной сети рудников, отрабатываемых по традиционной схеме................................. 68

3.3.1 Результаты исследования вентиляционной обстановки в

18 панели рудника СКРУ-3 (ОАО «Сильвинит»)................. 68

3.3.2 Результаты исследования вентиляционной обстановки в панелях рудника БКПРУ-4 (ОАО «Уралкалий»)............... 73

3.4 Исследование предлагаемой схемы подготовки, отработки и проветривания выемочных участков....................................... 77

3.5 Влияние различных факторов на воздухораспределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты................ ....................... 85

Выводы................................................................................. 93

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЕЛИЧИНУ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЯГИ............................................................... 94

4.1 Определение параметров воздуха в основных точках рудника

методом проведения множественного регрессионного анализа..... 95

4.2 Возникновение тепловой депрессии при работе устройств подогрева воздуха............................................................. 105

4.3 Анализ полученных математических зависимостей................... 112

4.4 Влияние изменения параметров воздуха, подаваемого в стволы рудника........................................................................... 117

4.4.1 Расчет абсолютной величины тепловых депрессий, возникающих между стволами и общерудничной естественной тяги при изменении параметров наружного воздуха................................................................. 119

4.4.2 Расчет абсолютной величины тепловых депрессий, возникающих между стволами и общерудничной естественной тяги при изменении температуры воздуха, подаваемого в воздухоподающие стволы...................... 123

4.5 Влияние взаимного расположения стволов.............................. 126

4.6 Зависимость воздухораспределения между стволами и регулирование режимов работы ГВУ при изменении величины тепловых депрессий........................................................... 130

4.7 Влияние работы установок предварительной подготовки воздуха

на величину тепловых депрессий.......................................... 136

4.7.1 Регулирование работы калориферных установок............ 137

Регулирование работы системы кондиционирования

4.7.2

воздуха................................................................. 139

Выводы................................................................................. 146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................

Список использованных источников...................................... 149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач в промышленности в настоящее время является внедрение энергосберегающих технологий, способных рационально использовать генерируемую энергию с малыми потерями.

При добыче полезных ископаемых подземным способом одной из важнейших задач является обеспечение проветривания рудника. Основным источником, обеспечивающим подачу необходимых объемов воздуха в рудник является главная вентиляторная установка (ГВУ), которая одновременно является одним из главных потребителей электроэнергии (-1,5-6 МВт-ч). При этом значимой задачей является обеспечение оптимальных параметров работы ГВУ, способствующих нормальному режиму проветривания, при минимальных затратах электроэнергии.

Наряду с работой вентилятора, круглый год, ежесуточно, действует естественная тяга (тепловая депрессия) - явление, получившее свое название из-за естественного происхождения, зависящего только от происходящих в природе физических процессов. Возникновение тепловой депрессии обусловлено разностью плотностей (удельного веса) столбов воздуха в вертикальных и наклонных выработках рудника. Движение воздуха вызвано конвективным теплообменом, т.е. когда теплый воздух стремиться подняться вверх, а холодный - опуститься вниз. Таким образом, совместно с работой главной вентиляторной установки действует дополнительный источник тяги - тепловая депрессия.

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

При определенных условиях отрицательная естественная тяга может

достигнуть величины, при которой ГВУ не сможет обеспечить подачу

5

требуемых объемов воздуха в рудник. В этом случае потребуется переводить работу вентилятора в область более высоких давлений, что приведет к увеличению ее энергопотребления. Снижая значение отрицательной естественной тяги, появляется возможность уменьшить затраты электроэнергии, потребляемой ГВУ. При действии положительной естественной тяги, наоборот, в рудник будет подаваться больший объем воздуха, следовательно, работу вентилятора можно будет перевести в область более низких давлений, т.е. снизить потребляемую ей электроэнергию.

Расчет величины и направленности естественной тяги, возникающей между стволами рудника в данный момент времени производятся по данным воздушно-депрессионных съемок (ВДС), либо с датчиков расположенных на основных участках рудника, если таковые имеются.

Однако, для расчета прогнозируемой естественной тяги, которая будет возникать между стволами действующего рудника при определенных атмосферных параметрах и на вновь проектируемых рудниках, в которых невозможно провести ВДС, потребуются расчетные формулы.

Существующие формулы, используемые в настоящее время, созданы в основном для угольных шахт и рудников с малым эквивалентным отверстием, поэтому подсчет тепловых депрессий по ним для условий рудников с малым аэродинамическим сопротивлением (большим эквивалентным отверстием) дает значительные ошибки. При этом в существующих формулах не учитывается ряд факторов, без которых нельзя говорить об эффективных мероприятиях по противодействию отрицательной и использованию положительной естественной тяги.

Помимо естественной тяги, возникающей между стволами, в руднике действуют тепловые депрессии, возникающие в панелях и блоках, отрабатывающих наклонные пласты.

Ввиду того, что подземные выработки калийных рудников обладают

малыми аэродинамическими сопротивлениями, в них наблюдается

незначительные потери общешахтной депрессии. Поэтому тепловые

6

депрессии, возникающие между подземными выработками, оказывают значительное влияние на воздухораспределение. Кроме того, данные тепловые депрессии также могут способствовать (положительные) и препятствовать (отрицательные) нормальному режиму проветривания. Так, например, в традиционных схемах проветривания в некоторых случаях наблюдается возникновение тепловых депрессий, реверсирующих поток воздуха в отдельных выработках добычных участков.

Моделируя различные ситуации, можно выбрать наиболее экономичные, с точки зрения энергопотребления ГВУ, способы проветривания добычных участков.

Таким образом, исследование факторов, влияющих на величину и направленность прогнозируемой естественной тяги между стволами и в подземных горных выработках, а также разработка мероприятий по противодействию отрицательной и использованию положительной естественной тяги является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы - определить влияние тепловых депрессий на процесс проветривания калийных рудников и разработать мероприятия по эффективному управлению ими.

Основная идея диссертационной работы заключается в использовании эффекта тепловых депрессий для совершенствования проветривания калийных рудников.

Основные задачи работы:

- определить взаимное влияние тепловых депрессий, действующих между несколькими стволами, на величину общерудничной естественной тяги;

- разработать схемы подготовки и отработки блоков и панелей, с учетом действия тепловых депрессий, и мероприятия, повышающие эффективность проветривания рудника;

- уточнить существующие и вывести новые математические зависимости, определяющие величину и направленность тепловых

депрессий, возникающих между стволами как действующих, так и проектируемых калийных рудников;

- определить наиболее значимые факторы, влияющие на величину общерудничной естественной тяги, при различных вариантах расположения абсолютных отметок стволов;

- исследовать влияние систем предварительной подготовки воздуха (калориферных установок - КУ и систем кондиционирования воздуха - СКВ) на величину общерудничной естественной тяги, с целью управления работой ГВУ, и на величину тепловых депрессий, действующих между стволами в отдельности, для исключения образования «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Тепловые депрессии, возникающие при подаче воздуха в рудник по двум и более стволам, взаимодействуют между собой, а их суммарная величина определяет абсолютное значение общерудничной естественной тяги.

2. Локальные тепловые депрессии, возникающие при проветривании блоков и панелей, отрабатывающих наклонные пласты, оказывают значительное влияние на воздухораспределение и их действие должно учитываться при разработке схем проветривания.

3. Регулирование режимов работы ГВУ и систем предварительной подготовки воздуха в зависимости от абсолютной величины общерудничной естественной тяги позволит энергоэффективно обеспечивать подачу необходимых объемов воздуха в рудник и исключить вероятность возникновения «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена математическая зависимость, определяющая взаимное влияние тепловых депрессий, действующих между стволами, на величину общерудничной естественной тяги, для обоснования ее влияния на режимы работы ГВУ;

- установлены различные факторы, влияющие на воздухораспределение в блоках, отрабатывающих наклонные пласты, и разработаны схемы проветривания, способствующие использованию положительного и исключению отрицательного действия тепловых депрессий;

- на основании проведенного множественного регрессионного анализа выведены математические зависимости, позволяющие определить значения температуры и барометрического давления, предназначенные для нахождения величины средней плотности воздуха в стволах, по которым рассчитывается величина прогнозируемой естественной тяги, при динамически изменяющемся режиме проветривания, как на действующих, так и на проектируемых калийных рудниках;

- исследованы процессы образования тепловых депрессий, возникающих при работе систем предварительной подготовки воздуха, позволившие разработать способы регулирования и варианты размещения систем, способствующие выбору энергосберегающих режимов работы ГВУ и исключающие образование «воздушных пробок» в воздухоподающих стволах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием теоретических выводов практическим результатам, полученным на действующих рудниках.

Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований влияния естественной тяги на систему вентиляции калийных рудников, что позволило повысить эффективность проветривания и снизить затраты электроэнергии, потребляемой ГВУ на ее преодоление.

Практическое значение результатов исследований заключается в выводе математических зависимостей, предназначенных для расчета величины прогнозируемой общерудничной естественной тяги и тепловых депрессий, возникающих в подземной части как действующих, так и

проектируемых рудников, при динамически изменяющемся режиме проветривания. С помощью математических зависимостей моделируются различные ситуации, при обработке которых выполняется корректировка схем проветривания и разрабатываются мероприятия, способствующие снижению отрицательной естественной тяги, что сокращает затраты электроэнергии ГВУ.

Реализация результатов работы. Основные научные результаты и практические рекомендации на основе предложенных способов подготовки, отработки и проветривания блоков и панелей применены на калийных рудниках БКПРУ-4 (Березниковское калийное производственное рудоуправление № 4) и СКРУ-3 (Соликамское калийное рудоуправление № 3); при разработке исходных данных для создания эффективной системы проветривания рудника Усольского калийного комбината, Пермский край (этап договора № 467-суб-3/2009/185). Основные научные результаты используются для дипломного проектирования на кафедре ЭАГП ПермНИПУ.

Апробация результатов диссертационной работы.

Основные научные положения и практические рекомендации

диссертационной работы были доложены и получили одобрение на

следующих конференциях: Краевой научно-технической конференции

«Проблемы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых»

(Пермь, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции

«Молодежь и наука: начало XXI века» (Красноярск, 2008 г.); на V

Международной научно-практической конференции «Рудник будущего:

проекты, технологии, оборудование» (Пермь, 2009 г.); Международной

научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь,

2009 г.); III Международной конференции «Проектирование, строительство и

эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2010 г.);

VI Международной научно-практической конференции «Рудник будущего:

проекты, технологии, оборудование» (Пермь, 2010 г.); Всероссийской

научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь,

10

2010 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка - 2011» (Москва, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2011 г.) ; Юбилейной конф., посвященной 80-летию геолог, ф-та и 95-летию Перм. ун-та «Геология и полезные ископаемые Западного Урала».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 научных работ, в том числе 7 в и