Расчет температуры и воздухораспределения в сети горных выработок рудника «Айхал»

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2005, Ml

УДК 622.45:536.244

Расчет температуры и воздухораспределения в сети горных выработок рудника «Айхал»

Ю.А. Хохолов

Разработана методика совместного решения задач воздухораспределения и температурного режима сети горных выработок криолитозоны. Для проверки эффективности методики проведен сравнительный расчет воздухораспределения в сети горных выработок для условий рудника «Айхал».

Developed is a method of combined solution of problems of air distribution and temperature conditions in a network of mine workings made in the cryolitic zone. To check the method efficiency, a comparative calculation of air distribution in the network of workings was carried out for conditions of Aikhal mine.

В настоящее время задача воздухораспределения в горных выработках шахт и рудников решена для стационарного случая без учета годичной динамики теплового режима. Следует отметить, что в России и за рубежом разработаны пакеты программ для решения сетевых вентиляционных задач, таких как (Россия, Гипроуголь),

\;ег^т (Австралия), М1УЕЫА (Япония), УЦМА(ЮАР) и др. Однако они не учитывают тепловыделения при фазовых переходах влаги в массиве горных пород вокруг выработок, которые характерны для шахт и рудников криолитозоны. Очевидно, что температура воздуха в сети горных выработок зависит от интенсивности процессов нестационарного теплообмена с вмещающими горными породами при наличии фазовых переходов влаги в горных породах, которая, в свою очередь, влияет на естественную тягу и, соответственно, на степень проветриваемое™ шахт и рудников. Таким образом, вопросы теплового режима и воздухораспределения в сетях шахт и рудников криолитозоны должны решаться совместно.

Для решения данной проблемы предлагается методика совместного решения задач воздухораспределения и температурного режима сети горных выработок, основная идея которой заключается в следующем[1]. Задача решается для нестационарного режима, что соответствует реальным процессам. Сначала при заданных тепловых условиях решается задача воздухораспределения с учетом работы вентилятора и естественной тяги.

ХОХОЛОВ Юрий Аркадьевич - к.т.н., с.н.с. ИГДС СО РАН.

В результате решения получаем значения расхода воздуха во всех ветвях сети выработок. Далее, используя расчетные значения расхода воздуха, рассчитываем распределение температуры воздуха во всех выработках сети. Разработан метод расчета воздухораспределения, основанный на решении системы нелинейных уравнений второго закона аэрологии с помощью математической библиотеки IMSL в среде программирования Visual Fortran. Разработан алгоритм построения независимых циклов для замкнутой сети.

Решение задачи теплообмена в вентиляционной сети складывается из совокупности отдельных решений задач теплообмена в каждой выработке (ветви) сети и для расчета температурного режима её разработана математическая модель процесса теплообмена рудничного воздуха с учетом фазовых переходов влаги в горных породах. При этом предполагается, что известны значения расхода воздуха и его температуры на входе в выработку, и необходимо рассчитать изменение температуры воздуха по времени на конце одиночной выработки. Таким образом, на каждом шаге по времени решаются последовательно 2 задачи: задача воздухораспределения и тепловая задача. Алгоритм расчета реализован на языке FORTRAN-90 в среде Visual Fortran.

Методика позволяет рассчитать расход и температуру воздуха в горной выработке, температуру вмещающих горных пород, ореолы протаи-вания (промерзания) в каждой ветви сети в зависимости от режима работ вентиляторов, наличия (отсутствия) естественной тяги, теплоизоляции, геодезических отметок каждой выработки. Все

эти параметры необходимы для создания безопасных и комфортных условий труда горнорабочих и, в частности, для решения проблем устойчивости горных выработок, возникающих при протаивании горных пород вокруг них, сопровождающихся, как правило, снижением прочностных характеристик.

Для проверки эффективности разработанной методики проведен сравнительный расчет возду-хораспределения в сети горных выработок для условий рудника «Айхал» Айхальского ГОКа ЗАО АК «АЛРОСА». Рудник, ведущий разработку алмазоносной трубки, верхняя часть которой ранее была отработана открытым способом, эксплуатирующийся с естественным тепловым режимом, является уникальным объектом исследований теплового режима, на формирование которого кроме сурового континентального климата и наличия аномально высокой мощности многолетней мерзлоты оказывают влияние различные факторы, связанные с наличием:

- разнотипных и разноуровневых выработок (наклонных, спиралевидных, горизонтальных, вертикальных);

- большого количества выходов на поверхность, в том числе в борта отработанного ранее карьера, расположенных на различных высотных отметках;

- естественной тяги и значительного притока поверхностных вод и рассолов;

- большого количества самоходной техники с дизельным приводом, выделяющей значительное количество тепла и выхлопных газов, а также создающей поршневой эффект в выработках во время движения.

Большое влияние на специфику формирования теплового режима рудника оказывает отработанный ранее карьер, породы бортов которого проморожены в процессе эксплуатации, а дно заполнено высококонцентрированным рассолом, который просачивается в горные выработки, способствуя притоку тепла, а также в значительной степени оказывают значительные колебания (суточные и сезонные) температуры атмосферного воздуха, поступающего для проветривания.

Необходимо отметить, что вышеперечисленные особенности природных условий, протекающих физических процессов и явлений оказывают определенное влияние на формирование микроклимата горных выработок, которые в настоящее время еще малоизучены.

Вентиляционный поток в руднике (в пределах вентиляционной ветви) движется по следующей схеме. Нагнетаемый главной вентиляторной установкой (ГВУ) воздух движется по наклонному съезду гор. 307 м - 235 м (узел 1-узел 2), затем по наклонному съезду с гор. 235 м на гор. 205 м (2-5), далее по наклонному съезду направляется на гор. 190 м (5-29) и по вентиляционному восстающему поступает на гор. 163 м (29-47), часть воздуха по ВХВ поступает на гор. 180 м (17-76); далее направляется по транспортному (41-32), а затем подходному штрекам гор. 180 м (43-33), поступает на главный наклонный ствол (33-20); далее отработанная струя движется по подходному штреку гор. 260 м (20-19), по наклонному съезду гор. 265 м (19-42) и выбрасывается в атмосферу через портал гор. 265 м (42). Все выработки сети и узлы пронумерованы. Схема вентиляции рудника «Айхал» приведена на рис. 1.

.58

Рис. 1. Схема вентиляции рудника "Айхал»

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Вентиляционная сеть выработок рудника «Айхал» состоит из 105 ветвей и 76 узлов, следовательно, количество независимых циклов равно ^=105-76+1=30. Выходы на поверхность соединены фиктивными ветвями с узлом 1, где стоит ГВУ, с нулевыми аэродинамическими сопротивлениями.

Пять нагнетающих вентиляторов ВМЭ-12 работают одновременно, и для численных расчетов их аэродинамическая характеристика аппроксимирована следующей функцией:

Н =1415,3 + 56,146 с{-0,3472 ц2,

где д - расход воздуха, м3/с.

По разработанной программе проведены численные расчеты воздухораспределения и теплового режима рудника, результаты в графической форме приведены на рис.2 и 3. Как показали расчеты, в летний период расход поступающего воздуха стабилен в течение 5 месяцев, а в зимний период снижается с 178 м3/с до 154 м3/с (рис.2). Таким образом естественная тяга оказывает влияние на распределение воздуха по вентиляционной сети и подтверждается вывод о том, что при температуре наружного воздуха, выше температуры внут-рирудничного воздуха, и движении вентиляционной струи вниз естественная тяга помогает работе ГВУ[2]. Расчет температурного режима проведен для всех выработок сети, а на рис. 3 показана динамика температур воздуха в отдельных выработках.

Для сравнения результатов расчета были использованы данные воздушно-депрессионной съемки, проведенной Д.Н. Алыменко в июле 2003 г. [2]. В таблице приведены измеренные и рассчитанные расходы воздуха в вентиляционной сети.

Рис. 2. Динамика расхода поступающего воздуха в рудник «Айхал»

-50

Рис. 3. Динамика температур воздуха в отдельных ветвях вентиляционной сети рудника «Айхал»

Измеренные и рассчитанные расходы воздуха в вентиляционной сети рудника «Айхал»

Горная выработка Номер ветви в сети Расход воздуха, м3/с Абсолютная ошибка, м3/с

фактический рассчитанный

1 2 3 4 5

Съезд гор. 307 м - 235 м. Замерная станция ЗС № 1 1 168,4 178,3 10,9

Съезд гор. 235 м - 220 м 4 168,1 175,3 7,2

Квершлаг гор. 220 м 101 2,1 3,4 1,3

Съезд гор. 220 м-212 м 5 166,0 171,9 5,1

Вент.ходок гор. 212 м + вент.восст. + тран.штрек гор. 192 м 11 17,1 18,0 0,9

Съезд гор. 212м- 205 м 7 148,9 153,9 5

Вентиляционный восстающий гор. 149 м 85 24,7 23,8 3,6

Квершлаг гор. 149 м 82 24,5 23,6 3,7

Съезд гор. 205 м - 190 м. ЗС № 2 8 124,2 130,1 5,9

Съезд гор. 205 м - 190 м. ЗС № 4 13 75,2 49,9 25,3

Окончание

! 2 3 4 5

Окомуривающий штрек № i гор. 205 м 38 11,0 12,8 1,8

Окоитуривающий штрек № 2 гор. 205 м 15 72,3 42,8 29,5

Транспортный штрек гор. 180 м до ВХВ-3 10 49.0 47,1 1,9

Транспортный штрек гор. 180 м за ВХВ-3 44 34,7 47,0 12,3

Подходной штрек тор. 180 м за воротами 34 26.7 11,5 15,2

Вспомогательный наклонный ствол 27 18,1 22,6 4,5

Грузовой наклонный ствол 28 24,9 31,8 6,9

Подходной штрек гор. 260 м 23 43.0 52,1 9,1

Тран.штр. гор. 180 м бур. ОРТ+ вент.восст. гор. 180 м - 210 м 61 15,7 20,5 4,8

Спиральный съезд на гор. 100 м после вент, восстающего 75 8.4 2,6 5,8

квершлаг гор. 163 м + вент.восст. гор. 163 м - 180 м 100 6,6 4,3 2,3

J Гъезд гор. 260 м - 265 м + тран. штрек гор. 265 м до 1ФВ101.5 21 90,7 41,5 49,2

"ранспортный штрек гор. 265 м за ЛФВ 22 114.7 101,5 13,2

'ъезд гор. 260 м - 285 м + портал гор. 285 м. ЗС № 9 29 51,3 52,1 0,8

Сравнение результатов расчетных и натурных данных показывает, что разница поступающего количества воздуха от расчетного расхода воздуха составляет 10,9 м3/с (съезд гор. 307 м - 235 м, замерная станция № 1), т.е. относительная ошибка не превышает 6,5%, и, следовательно, результаты расчета вполне удовлетворительны, а отдельные расхождения можно объяснить погрешностями измерений и исходных данных.

Таким образом, разработанная программа расчета воздухораспределения пригодна для практических целей в условиях сложной сети горных выработок рудников криолитозоны. Программа

❖ ❖ ❖

позволяет сделать оценку сезонных колебаний температуры и расхода воздуха во всех выработках сети, что важно при организации горных работ.

Литература

1. Хохолов Ю.А. Совместное решение задач воздухораспределения и теплового режима в сети горных выработок криолитозоны // Горный инф.-анал. бюллетень. - 2003. - № 7. - С. 70-72.

2. Воздушно-депрессионная съемка рудника "Айхал» Айхальского ГОКа ЗАО АК «Алроса»: Отчет/ НВП «Верхнекамье»; Рук. Д.Н.Алыменко. - г. Березники-Айхал, 2003. - 42 с.