Классификация способов и средств нормализации тепловых условий

В практике работы отечественных и зарубежных глубоких шахт получили применение различные способы искусственного регулирования теплового режима в подземных выработках. Эти способы могут быть разделены на три группы (рисунок 1):

1. горнотехнические - предупреждение нагревания и увлажнения воздуха на пути движения его к забоям;

2. технологические (специальные) - выбор рациональных параметров технологии при проектировании шахт и рудников;

3. теплотехнические - обеспечение подогрева, охлаждения, увлажнения и осушения рудничного воздуха.

Известны следующие горнотехнические способы понижения температуры воздуха в выработках без искусственного его охлаждения:

3. улучшение вентиляции горных выработок, а именно:

- обеспечение рациональных по тепловому фактору скоростей движения воздуха в воздухоподающих выработках и в очистных забоях;

- применение эффективных по тепловому фактору схем проветривания выемочных участков;

- нисходящее проветривание лав, сонаправленное движение вентиляционной струи и транспортируемого угля и породы по выработкам;

- уменьшение утечек воздуха через выработанное пространство лав и вентиляционные сооружения;

- увеличение подвижности воздуха на рабочих местах (ниши, кутки лав, машинные камеры, подготовительные забои) с помощью аэраторов;

- строгое соблюдение запроектированного вентиляционного режима;

- использование вышележащих горизонтов с меньшей температурой горных пород для движения свежей струи воздуха на возможно большие расстояния к очистным забоям;

- перевод главных конвейерных уклонов на обособленное проветривание.

2) теплогидроизоляция стенок горных выработок;

3) осушение выработок и воздушного потока (изоляция водоотводных канавок или отвод воды с помощью пневмонасосов);

4) снижение тепловыделений при транспортировке горной массы;

5) снижение тепловыделений от горного оборудования и местных источников;

6) уменьшение теплопритоков воздуха из выработанного пространства (изолированный отвод утечек воздуха по вентиляционным трубам).

Основными технологическими способами являются:

1) изменение сечения выработок;

2) потребление электроэнергии;

3) технологические схемы разработки пластов;

4) способы управления кровлей.

В основе перечисленных способов лежит сложная зависимость теплового режима подземных выработок от горнотехнических параметров и технологии разработки месторождений, которая должна учитываться при рациональном проектировании шахт с учетом теплового фактора. Разумеется, в условиях действующих горных предприятий без их реконструкции возможно лишь частичное изменение уже реализованных проектных решений. Таким образом, изложенные способы нормализации микроклимата шахт могут обеспечить допустимый уровень его параметров лишь в определенных условиях, за пределами которых они становятся недостаточно эффективными или слишком дорогими. Применение теплотехнических способов нормализации микроклимата глубоких шахт оказывается неизбежным.

Тепловое кондиционирование осуществляется следующими способами:

1) без применения холодильных машин;

2) с применением холодильных машин.

Способы регулирования теплового режима подземных выработок без применения холодильных машин можно разделить на две неравные группы (рисунок): с тепловым воздействием на породный массив и непосредственно на рудничный воздух. Особое место занимают способы индивидуального охлаждении (обогрева) подземных рабочих для обеспечения их терморегуляции. Первая из указанных групп еще не получила развития, однако при добычи угля на глубинах более 1000 м это направление является достаточно эффективным и перспективным.

Ко второй группе относится искусственное охлаждение рудничного воздуха целью которого является отвод определенного количества тепла от него при помощи охлаждающего вещества. Тепло от воздуха можно отвести путем соприкосновения последнего, с какой либо холодной поверхностью или путем смешения его с газообразной струей, имеющей температуру ниже температуры воздуха.

Способы охлаждения рудничного воздуха без применения холодильных машин можно классифицировать по методу получения холода в установках (системах) по их реализации, а именно:

1) системы с использованием сжатого воздуха;

2) системы с использованием льда или холодной воды;

3) системы с использованием жидкого воздуха;

4) пропускание воздуха через тепловыравнивающие каналы;

5) осушение воздуха твердыми сорбентами (силикагель, хлористый кальций и др.), что обеспечивает снижение его температуры при последующем увлажнении.

Способы (системы) охлаждения горнорабочих предназначены для создания нормальных условий терморегуляции рабочих там, где применение общего кондиционирования воздуха невозможно, не эффективно или экономически нецелесообразно. В шахтных условиях могут быть использованы неавтономные, полуавтономные и автономные системы индивидуального охлаждения (специальные костюмы, куртки, комбинезоны и жилеты). Используемые хладоагенты: водяной лед, жидкий аммиак, циркулирующая охлажденная вода, глауберовая соль.

Рисунок 1 - Класификация способов и средств регулирования теплового режима шахт

В мировой практике применяются сотни типов и схем шахтных холодильных установок, что связано с разнообразием условий разработки месторождений, наличием и качеством холодильного оборудования, социально-историческими особенностями региона, ценностью добываемого ископаемого и др.

Схемы расположения оборудования установок для кондиционирования рудничного воздуха могут быть:

6) с расположением холодильной машины на поверхности;

7) с холодильной машиной расположенной в шахте.

В зависимости от места расположения воздухоохладителей охлаждение рудничного воздуха может подразделяться на:

8) централизованное, при котором воздухоохладители располагаются или на поверхности, или в специальных выработках околоствольного двора;

9) групповое, когда воздухоохладители, установленные на квершлаге, коренном или групповом штреке, обслуживают группу пластов или участков; в этом случае воздух охлаждается в нескольких пунктах подземных выработок;

10) местное, когда воздухоохладители обслуживают, как правило, один участок, очистной или подготовительный забой, или несколько близко расположенных один к другому рабочих мест.

Принципиально отличительные схемы шахтных холодильных установок следующие:

1) установки для охлаждения и подачи в шахту воздуха смонтированы на поверхности;

2) установки, охлаждающие воздух на глубоких горизонтах при размещении холодильного оборудования на поверхности;

3) установки, для охлаждения воздуха при размещении холодильного оборудования и воздухоохладителей на глубоких горизонтах;

4) подземные воздухоохладительные установки с отводом тепла конденсации на глубоком горизонте;

5) Подземные установки расположенные непосредственно в лаве.

Выводы:

Систематизируя существующие способы и средства регулирования теплового режима шахт можно сделать вывод, что применение того или иного способа кондиционирования воздуха определяется в каждом конкретном случае исходя из технико-экономической оценки возможных вариантов, схем и средств регулирования.

Нормализация тепловых условий на рабочих местах глубоких шахт требует значительных затрат. Поэтому сооружение и ввод в действие специальных теплотехнических установок на действующих горных предприятиях будет экономически оправданным лишь после того, как исчерпаны положительные эффекты разного рода горнотехнических и технологических способов регулирования теплового режима шахт. Также следует отметить что для успешного решения данной проблемы, нормализации микроклимата участка или шахты в целом, необходимо реализовывать комплекс мероприятий учитывая основные критерии: 1) безопасность для подземных рабочих; 2) обеспечение необходимого эффекта охлаждения и осушения вентиляционной струи и надежного его регулирования; 3) минимально возможные эксплуатационные затраты; 4) минимально возможные капитальные затраты; 4) конструктивная простота и эксплуатационная надежность.