Анализ способов регулирования теплового режима рудников Севера

Кондиционирование рудничного воздуха является одной из главных статей энергетических и экономических затрат горных предприятий Севера. При переходе горных работ на подмерзлотные горизонты появляется возможность снижения их путем использования энергетического потенциала исходящей вентиляционной струи в геотехнических системах. Оценочные расчеты показывают, что экономия может составить до 10-40% и существенно зависит от геокриологических и климатических условий разработки месторождения. Поэтому выбор эффективных ( в экономическом и энергетическом плане) систем, определение периода перехода от энергетических систем кондиционирования к геотехническим или комбинированным, определение их оптимальных параметров и области рационального использования является актуальной задачей горной теплофизики, имеющей научную и практическую ценность [1,2,3].

Одним из перспективных способов является способ регулирования теплового режима глубоких рудников Севера [4]. Цель данного способа -повышение эффективности охлаждения рудничного воздуха путем использования скрытой теплоты плавления льда и нагревания воздуха до положительной температуры низкопотенциальным теплом. Данный способ осуществляется следующим образом. Холодный воздух в зимнее время вентилятором через калорифер, работающий от специальной котельной, подают в камеру гидрокалорифера навстречу каплям воды, разбрызгиваемым водораспылительным устройством. Вследствие теплообмена воды с холодным воздухом происходит образование кристаллов льда, а выделившаяся при этом скрытая теплота идет на нагревание воздуха до температуры, равной температуре замерзания воды. Воздух в калорифере подогревают до умеренных отрицательных температур от -15 до -20̊ С, тогда в гидрокалорифере он может быть с высокой степенью надежности подогрет до температуры, равной температуре замерзания воды.

Подогрев воздуха до более высокой температуры в гидрокалорифере неэкономичен, так как в этом случае практически не используется скрытая теплота замерзания воды, а расход воды увеличивается в десятки раз. Так как воздух перед подачей в шахту или о рудник необходимо подогреть.до +2 С, то его после гидрокалорифера через вентиляционный канал подают во второй калорифер , где подогревают до+2̊ С. В настоящее время в районах с суровым климатом проектируют глубокие рудники, где по выполненным прогнозам температура воздуха на рабочих горизонтах превышает допустимое значение равное +26̊ С. В связи с этим воздух необходимо подогреть на поверхности и охладить на рабочих горизонтах. Для охлаждения целесообразно использовать смесь кристаллов льда и воды (шугу), которую для обеспечения возможности транспортирования к воздухоохладителю 9 по трубопроводу 8 предварительно. разбавляют до необходимых пропорций льда и воды, поступающих в нижнюю часть камеры гидрокалорифера по трубопроводу, холодной водой из водоема, которую также подают к водораспылительному устройству. Концентрацию смеси (пропорции льда и воды) выбирают такой, чтобы обеспечить безаварийную работу подающего трубопровода, а также температуру воды на выходе из воздухоохладителя выше +2̊ С. Подача смеси льда и воды к водораспылительному воздухоохладителю позволяет эффективно использовать скрытую теплоту плавления льда для охлаждения рудничного воздуха как по пути следования вследствие теплообмена с подающим трубопроводом, так и в воздухоохладителе. Нагретую в воздухоохладителе воду с помощью рециркуляционного насоса подают по трубопроводу к калориферу, одновременно от калорифера по трубопроводу также подают нагретую отработанную воду. В результате смещение температуры воды, подаваемой к калориферу снижается, но расход (количество) ее увеличивается. Поскольку теплоотдача калориферов зависит от температуры и расхода воды в трубках теплообменников, то подбором сочетания температур отработанной воды первого калорифера и воды от воздухоохладителя и их расходов можно достичь оптимальных параметров калорифера, обеспечивающих подогрев воздуха до заданной температуры.

Для использования энергии исходящей вентиляционной струи для подогрева рудничного воздуха в работе [5] предлагается специальная теплообменная выработка, которая включает каналы подачи теплого и холодного воздуха, отделенные друг от друга выпукло- вогнутой перегородкой, отличающаяся тем, что, с целью повышения теплового эффекта и снижения энергетических затрат на подогрев воздуха за счет интенсификации процесса теплообмена через поверхность перегородки, увеличения площади контакта холодной струи с горными породами почвы выработки и снижения аэродинамического сопротивления теплообменной выработки, перегородка установлена по диагонали выработки, при этом для канала подачи теплого воздуха вогнутая часть поверхности перегородки расположена в верхней половине выработки, а выпуклая - в нижней половине, а для канала подачи холодного воздуха расположение вогнутой и выпуклой частей поверхности перегородки – противоположное.. Цель изобретения – снижение энергетических затрат на подогрев воздуха за счет интенсификации процесса теплообмена через перегородки, увеличение площади контакта холодной струи воздуха с горными породами почвы выработки н снижения аэродинамического сопротивления теплообменной выработки.

Для этого горную выработку по диагонали разделяют теплопередающей перегородкой выпукло-вогнутой формы на два канала. По одному каналу подают холодную свежую струю в рудник, а по второму каналу выдают теплую исходящую струю. С целью снижения ореолов протаивания вокруг частей выработки, где движется теплая струя воздуха, поверхность выработки теплоизолируют. Экспериментальные замеры на шахтах показывают, что холодная струя воздуха движется вдоль почвы выработки, причем у кровли выработки могут даже наблюдаться обратные потоки Основная масса холодного воздуха проходит на расстоянии 0,75 высоты выработки, теплая же струя в основном проходит вдоль кровли выработки, а у почвы могут наблюдаться обратные потоки. Этот эффект и учтен в способе с помощью рационального разделения сечения выработки. Образовавшийся конденсат будет стекать в водоотливную канавку, которая находится в теплом канале, что позволяет нормально функционировать системе водоотлива. Выбором соответствующей длины выработки можно добиться заданных параметров струи на входе в шахту, т, е. нагреть воздух до нужной величины, которая всегда ниже температуры исходящей струи.

Следующий способ, регулирование теплового режима рудников, включающий подачу наружного воздуха в теплообменную выработку и изменение его температуры до естественной температуры природного массива. Цель данного изобретения - повышение эффективности регулирования теплового режима рудника путем активизации теплообмена воздуха с глубокими слоями породного массива. С наступлением холодного периода года наружный воздух пропускают по теплообменной выработке. По мере понижения температуры атмосферного воздуха часть его направляют в теплоаккумулирующие выработки и с помощью вентиляционных устройств распределяют по сети этих выработок. На выходе из теплообменной выработки смешивают воздух, проходящий по теплообменной выработке, с воздухом, выходящим из сети теплоаккумулирующих выработок, и таким образом получают необходимую температуру воздуха, поступающего в вентиляционную сеть рудника.

В данной работе были рассмотрены лишь отдельные способы, которые реализуют основные принципы кондиционирования рудничного воздуха с использованием природных и вторичных (техногенных) источников энергии. Однако даже краткий анализ показывает, что существующие перспективные технические решения (способы и средства) для систем кондиционирования рудничного воздуха, нуждаются в определении экономически эффективной области их использования в конкретных климатических и геокриологических условий разработки месторождений. Дальнейшие исследования должны развиваться именно в этом направлении. Это позволит внедрить новые, энергетически эффективные, технологии кондиционирования рудничного воздуха в практику эксплуатации рудников криолитозоны.