Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ

Влияние теплового режима рудничного воздуха сказывается на производительности труда горнорабочих, обеспечении безопасных условий их труда, поддержании устойчивости горных выработок (в условиях многолетней мерзлоты) и технологии разработки место­рождений.

С увеличением температуры рудничного воздуха обеспечить баланс между тепловыделением в организме человека и его теплооб­меном с окружающей средой становится все сложнее. Сбалансиро­вать тепловыделение и теплообмен возможно двумя путями: 1) со­кращением тепловыделения горнорабочего за счет увеличения пере­рывов в работе на отдых, что ведет к снижению производительности его труда; 2) изменением температурного режима рудничного возду­ха до нормативных требований, что связано с удорожанием ведения горных работ и не беспредельно по возможностям.

Оптимальным температурным режимом рудничного воздуха следует считать такой, при котором обеспечиваются безопасные ус­ловия для здоровья человека, минимальное удорожание горных работ за счет затрат на создание благоприятного микроклимата и макси­мальная производительность. При оптимизации температурного ре­жима рудничного воздуха, кроме этого, должны быть учтены без­опасность и надежность ведения горных работ, а также возможность применения той или иной системы разработки.

Исследованиями установлено, что при скорости движения воз­духа в выработках, равной 2 м/с, и относительной его влажности равной 0,9, условия труда считаются вредными для здоровья челове­ка, выполняющего тяжелый физический труда, если температура воздуха превышает 305К (32°С), а температура стенок выработок — 308К (35°С). В этих условиях потеря массы тела горнорабочего за смену достигает 1,9 кг, температура тела — 311,7К (38,7°С), а частота пульса—до 60. Выполнение тяжелой физической работы при температуре рудничного воздуха от 293 до 302К (от 20 до 29°С) не сопровождается нарушением кровообращения, дыхания и нервно-мышечной деятельности, однако приводит к усталости и снижению производительности горнорабочих до 27 %. Максимальная произво­дительность горнорабочих наблюдается при температуре рудничного воздуха равной 293,3К(20,3°С).

Проветривание подземных выработок производят не только с целью обеспечения нормативных требований по тепловому режиму рудничного воздуха, но и с целью регулирования газового режима, запыленности воздуха, предотвращения самовозгорания угля и руд, надежности противопожарного водоснабжения и ряда других мероп­риятий по обеспечению безопасных условий труда.

С повышением температуры массива угольных пластов и углевмещающих пород значительно интенсифицируется процесс сорб­ции метана. Так, например, при увеличении температуры угля от 273К до 303К (от 0 до 30°С) сорбционная способность углей увеличи­вается примерно в 2 раза.

Повышение температуры рудничного воздуха сопровождается увеличением его запыленности в результате процессов разрушения горных пород. Это приводит к накоплению «рыхлой» пыли на стенках выработок и сужает возможности регулирования скорости движения воздуха для обеспечения нормативных требований по его темпера­турному режиму. В большей степени это проявляется при низкой влажности рудничного воздуха и слабоводонасыщенных породах. По мере увеличения влажности рудничного воздуха и разрабатываемых пород интенсифицируются процессы седиментации и связывания пыли, что расширяет возможности регулирования скорости движе­ния воздуха, как одного из факторов, оказывающих влияние на па­раметры теплообмена.

С увеличением температуры рудничного воздуха возрастает ин­тенсивность окислительных процессов при разработке угольных и сульфидных месторождений. Например, при отрицательной темпе­ратуре угля возможность его самовозгорания практически отсутствует, а при температурах больше 273К (0°С) это может произойти в течение года.

Охлаждение рудничного воздуха ниже 273К (0°С) при разра­ботке месторождений в условиях многолетней мерзлоты сопровожда­ется конденсацией водяных паров, что приводит к интенсивному образованию наледей и снежной «шубы» на стенках выработок. Это увеличивает аэродинамическое сопротивление выработок, затрудня­ет их проветривание и эксплуатацию. При понижении температуры в условиях вечной мерзлоты газопроницаемость угля снижается, что затрудняет дренирование газа в пластах, приводит к повышению газового давления. Это способствует росту вероятности суфлярных выделений на подмерзлотных горизонтах.

Наряду с этим обеспечить пожарное водоснабжение и электробезопасность горных работ при разработке месторождений в условиях многолетней мерзлоты значительно труднее, чем при положительны температурах.

Существенное влияние оказывает тепловой режим рудничного воздуха на технологию ведения горны работ при эксплуатации мес­торождений в условиях многолетней мерзлоты. Это объясняется тем, что при возможном оттаивании пород снижается устойчивость цели­ков, обнажений и возрастает нагрузка на крепь. В большей степени это относится к выработкам, пройденным по мерзлым рыхлым и связным породам, которые при больших ореолах оттайки могут пол­ностью выйти из строя. В ряде случаев это является основной причи­ной сезонного ведения горных работ только в периоды года с отрица­тельной температурой.

При отработке нагорных месторождений подземным способом, особенно в комбинации с открытым, когда горную массу перепускают на нижележащие горизонты, повышается вероятность ее смерзания в магазинах, бункерах, рудоспусках и транспортных сосудах в пери­оды года с отрицательными температурами, что влечет за собой уве­личение потерь руды, осложняет ее выпуск и транспртировку.

Обеспечить условия по температурному фактору для подземной разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты воз­можно двумя путями: 1) поддержанием температуры рудничного воздуха выше 273К (0°С) по всему пути его следования, при этом необходимо усилить крепь и обеспечить теплоизоляцию стенок выработок с целью уменьшения ореола оттайки; 2) подогревом руднич­ного воздуха до температуры выше 273К (0°С) непосредственно перед рабочими участками с сохранением допустимой отрицатель­ной его температуры в остальных выработках.

Несмотря на то, что регулирование температурного режима рудничного воздуха осуществляют в целях решения многих важных инженерных задач, главной задачей все же является обеспечение санитарно-гигиенических, нормативных параметров микроклимата в подземных выработках, при которых не нарушается нормальная функциональная деятельность организма горнорабочих.

Нормативными требованиями правил техники безопасности при ведении работ в подземных выработках предусмотрено, чтобы при влажности рудничного воздуха 85-98 % его температура не пре­вышала 301К (28°С) при скорости не менее 3 м/с, 300 К (27°С) при скорости не менее 2,5 м/с и 299 К (26°С) при скорости не менее 2 м/с. При скорости движения рудничного воздуха < 2 м/с соответствующие нормативные требования по его температуре и влажности для подго­товительных и очистных выработок приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Для предупреждения переохлаждения и простудных заболева­ний горнорабочих при искусственном охлаждении воздуха, подавае­мого в добычные участки, его температура должна быть не менее 295К (22°С) при скорости 2-4 м/с, не менее 294К (21°С) при скорости 1,5-2,5 м/с и не менее 293К (20°С) при скорости 1-2 м/с.

При подземной разработке месторождений в условиях много­летней мерзлоты Севера рациональная температура подогрева воз­духа, подаваемого в шахты и рудники, выбирается в каждом конкретномслучае с учетом особенностей горных работ. В этом случае суще­ствует нормативно допустимая низкая температура рудничного воз­духа (в том числе и отрицательная). Для тупиковых забоев и камер эта температура рассчитывается по эмпирической зависимости:

(4.1)

а для остальных выработок —

(4.2)

где V — скорость движения рудничного воздуха, м/с.