Теория и практика оптимального управления тепловым режимом подземных сооружений криолитозоны

© Ю.В. Шувалов, А.Ф. Галкин, 2010

УДК 536:24:622.413

Ю.В. Шувалов, А. Ф. Галкин

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ КРИОЛИТОЗОНЫ

Приведены основные теоретические и практические результаты исследований авторов в области горной теплофизики криолитозоны. В частности, результаты исследований по обоснованию нормативных параметров микроклимата, регулированию теплового режима, тепловой защите горных выработок. Основные теоретические результаты получены на основе нового подхода к решению задач горной теплофизики, заключающегося в переходе от прогнозных моделей физических процессов к прогнознооптимизационным моделям. Практическое использование результатов теоретических исследований при проектировании и эксплуатации подземных сооружений позволяет обеспечить нормативные параметры микроклимата в горных выработках криолито-зоны при минимуме энергетических и материальных затратю.

Ключевые слова: криолитозона, подземные сооружения, тепловой режим, горнотехнические системы.

Неделя горняка

сследованиям теплового режима подземных сооружений зоны многолетней мерзлоты (криолитозоны) - россыпных и угольных шахт, рудников, тоннелей, коллекторов, защитных сооружений специального назначения, подземных складов, холодильников и других объектов, надежность, безопасность и энергетическая эффективность эксплуатации которых напрямую определяется тепловым фактором, посвя-щены труды многих известных ученых - горных теплофизиков. Основополагающими трудами в этой области знаний по праву считаются работы, Ю.Д. Дядькина, А.Ф. Зильбербор-да, П.Д. Чабана. Их основные научные идеи в последующем были развиты в работах В.Н. Скубы, М.А. Розенбаума, Е.А. Ельчанинова, В.П. Кима, С.Г. Гендле-ра, В.А. Шерстова, В.В. Журковича, Б.В. Шургина, Г.П. Кузьмина, Б.А. Красовиц-кого, В.Ю. Изаксона, Е.Е. Петрова, Е.Т. Воронова, О.Г. ЩуКина, и других уче-

ных, которые решали как фундаментальные, так и прикладные задачи горной теплофизики. Общей целью исследований являлось обеспечение безопасности и повышение энергетической эффективности функционирования подземных сооружений криолитозоны. При этом в теоретическом плане использовались так называемые прогнозные модели физических процессов, в частности модель процесса теплообмена рудничного воздуха с массивом мерзлых пород при наличии нестационарных источников тепловыделений. Это давало возможность с достаточной для инженерной практики точностью прогнозировать климатические условия в горных выработках и температурный режим окружающего породного массива, но не позволяло уже на стадии проектирования определять оптимальные с энергетических и экономических позиций параметры теплового режима и систем его регулирования.

В конце 20 века, с развитием горнодобывающей отрасли, переходом горных работ на глубокие подмерзлотные горизонты и применением прогрессивной технологии с закладкой выработанного пространства, перед горной теплофизикой криолитозоны стали новые задачи, которые ранее не рассматривались. Прежде всего, это комплексное кондиционирование рудничного воздуха - подогрев на поверхности и охлаждение на рабочих горизонтах. Энергетические и экономические затраты при этом на создание безопасных нормативных параметров микроклимата кратно возрастают. Актуальным и экономически целесообразным становится использование природных и вторичных источников энергии, а также эффективной тепловой защиты горных выработок для снижения эксплуатационных затрат на кондиционирование рудничного воздуха. Не менее актуальной оставалась задача комплексного использования отработанных горных выработок криолитозоны для целей как связанных, так и не связанных с горным производством, в том числе для укрытия населения и рабочих смен в период чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера.

Идея авторов настоящей статьи заключалась в том, что оптимизацией параметров горнотехнических систем, способов и средств регулирования теплового режима при комплексном использовании природных и вторичных источников энергии, представляется возможным обеспечить нормативные параметры микроклимата в подземных сооружениях криолитозоны как в обычный период эксплуатации, так и в условиях чрезвычайных ситуаций, при минимуме энергетических и материальных затрат. Для научного обоснования и практической реализации идеи

необходимо было сформулировать и решить следующие задачи:

- исследовать тепловое взаимодействие человека с окружающей средой в подземном сооружении зоны многолетней мерзлоты и определить зону теплового комфорта в горных выработках, а также предельно допустимые параметры микроклимата в период выполнения трудовых операций и периоды ожидания (отдыха);

- разработать методологию и теоретические основы расчета и выбора оптимальных параметров горнотехнических систем регулирования теплового режима: обыкновенных, регенеративных, рекуперативных, комбинированных;

- исследовать эффективность и обосновать целесообразность использования теплоизоляции горных выработок как комплексного средства, функциональное назначение которого складывается из нескольких составляющих: управление тепловым режимом горных пород и тепловым режимом внутри подземного сооружения; обеспечение функции крепи выработки; управление влажностным режимом и газовым составом в подземном сооружении;

- разработать теоретические основы расчета и выбора оптимальных параметров многофункциональных теплозащитных несущих покрытий и теплоизоляции горных выработок подземных сооружений различного назначения;

- исследовать процессы формирования микроклимата в горных выработках двойного назначения при использовании их в качестве защитных сооружений для укрытия населения и рабочих смен в условиях чрезвычайных ситуаций природного или техногенного характера;

- исследовать процессы теплообмена в подземных сооружениях при реверсии вентиляционной струи с переменным

расходом воздуха и разработать методы оценки и выбора оптимальных параметров режимов проветривания горных выработок по критерию экономии энергии;

- исследовать влияние теплового фактора на выбор объёмно-планировочных и конструктивных решений при проектировании подземных сооружений зоны многолетней мерзлоты с учетом комплексного использования горных выработок;

- обосновать и разработать новый подход к математическому моделированию тепловых процессов в горных выработках двойного назначения, основанный на выборе их оптимальных параметров при управлении процессами вентиляции по заданным критериям качества;

- разработать теоретические основы расчета и выбора оптимальных параметров теплового режима выработок в период строительства подземных сооружений в криолитозоне с целью удовлетворения следующим критериям качества: обеспечение нормативных условий эксплуатации машин и механизмов; устойчивости горных пород; комфортности и безопасности условий труда проходчиков;

- разработать новые эффективные системы, способы и средства регулирования теплового режима в горных выработках, обеспечивающие нормативные параметры микроклимата при минимуме энергетических и материальных затрат;

- разработать программный комплекс для решения прикладных задач горной теплофизики, реализующий идею выбора оптимальных параметров систем, способов и средств регулирования теплового режима при управлении процессами эксплуатации подземных сооружений по критерию экономии энергии;

- обосновать требования к проектным решениям и разработать нормы и правила проектирования и строительства подзем-

ных сооружений в зоне многолетней мерзлоты с учетом комплексного использования горных выработок и регулирования теплового режима.

Для решения поставленных задач был использован комплексный метод исследований, включающий: научный анализ и обобщение опубликованных работ по изучаемой проблеме, патентный поиск; математическое моделирование теплофизических процессов, происходящих в горных выработках и окружающих их породах; методы экономико-математического моделирования и оптимизации функций многих переменных; численные и аналитические методы решения задач математической физики; методы планирования факторного эксперимента и регрессионного анализа; лабораторные и натурные эксперименты, опытные и опытнопромышленные испытания, долговременные наблюдения.

В результате многолетних исследований получены следующие новые научные результаты, которые могут рассматриваться как самостоятельный этап в развитии горной теплофизики.

Разработана и реализована математическая модель теплового взаимодействия человека с окружающей средой в подземных горных выработках, наиболее адекватно учитывающая уровень радиационного теплообмена, изменяющегося термического сопротивления комплекта одежды, теплоотдачи при дыхании, тяжести выполнения трудовых операций и других показателей, на основании которой определены зона теплового комфорта и предельно допустимые параметры микроклимата для подземных сооружений криолитозоны [1, 3, 6, 11, 12].

Разработаны теоретические основы расчета горнотехнических систем регулирования теплового режима на основе теплообменных выработок: обыкновенных, регенеративных, рекуперативных, комби-

нированных. При этом использованы оптимизационные математические модели, которые позволяют не только прогнозировать параметры микроклимата, но и выбирать оптимальные с энергетических и экономических позиций технические и технологические параметры систем при различных эксплуатационных критериях качества [1, 3, 5, 9].

Научно обоснованы новые экономически и энергетически оптимальные системы комплексного тепло-

хладоснабжения глубоких рудников криолитозоны с использованием вторичных и природных источников энергии и эффективной тепловой защиты горных выработок [1,2,16].

Сделано научное обоснование энергетической и экономической эффективности использования новых систем регулирования теплового режима с распределенными параметрами, характеристики которых не стационарны, и разработаны методы их тепловых расчетов для подземных сооружений криолитозоны [3,7].

Созданы методические основы выбора оптимальных объёмно-планировочных и конструктивных решений подземных сооружений по тепловому фактору, а также режимов вентиляции в период строительства и эксплуатации, обеспечивающих необходимый уровень безопасности при минимуме энергетических и материальных затрат на создание нормативных параметров микроклимата [3, 8].

Научно обоснованы, разработаны и прошли экспериментальную проверку новые способы и технологии крепления горных выработок с использованием на-брызг-бетонных теплозащитных многофункциональных несущих покрытий, которые позволяют, в сочетании с модульным принципом проектирования подземных сооружений, максимально эффективно использовать выработки двойного

назначения, как в обычный, так и чрезвычайный периоды эксплуатации [З, 4].

Разработаны методические и теоретические основы выбора оптимальных параметров теплозащитных несущих покрытий и теплоизоляции подземных сооружений специального назначения сферической и цилиндрической симметрии, размещаемых в горных выработках криолитозоны, в том числе при эксплуатации в условиях чрезвычайных ситуаций [З, 4].

Разработаны и численно реализованы математические модели с распределенными параметрами для прогноза тепловых условий в горных выработках и окружающих их породах в период строительства и эксплуатации подземных сооружений криолитозоны, отличающиеся тем, что учитывают: суточные, декадные и сезонные колебания наружного воздуха; изменение расхода воздуха на входе и по длине выработки; изменение термического сопротивления крепи по координатам; наличие произвольного числа, в том числе движущихся, абсолютных (переменной мощности) и относительных источников энергии; наличие теплоаккумулирующих покрытий; изменение теплофизических характеристик талых и мерзлых пород по координатам и во времени; а также другие особенности, которые существующие модели не учитывали, что не позволяло в полной мере исследовать закономерности формирования теплового режима подземных сооружений различного назначения, в том числе при эксплуатации в условиях чрезвычайных ситуаций [З, 5, 7].

Исследованы процессы и установлены основные закономерности формирования теплового режима в горных выработках и окружающих их породах при наличии теплоаккумулирующих и теплоизоляционных покрытий, реверсии вентиляционной струи с переменным расходом воздуха,

циклическом проветривании, что позволило обосновать оптимальные вентиляционные режимы подземных сооружений по тепловому фактору в период строительства и эксплуатации [3, 14, 15].

Сформулирована новая концепция освоения подземного пространства криоли-тозоны, основанная на управлении тепловыми процессами по критерию экономии энергии и комплексном использовании горных выработок [3, 17]. Выполненные комплексные научные исследования имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение, а практическая ценность их заключается в следующем.

Разработаны и утверждены в качестве официального нормативного документа территориальные строительные нормы «Подземные объекты в горных выработках криолитозоны Якутии. ТСН-31-323-2002 Республики Саха (Якутия)», реализующие научную концепцию о комплексном использовании горных выработок зоны многолетней мерзлоты при управлении процессами эксплуатации по критерию экономии энергии [17]. Обоснованы оптимальные параметры технических решений и разработаны технологические регламенты на проектирование горнотехнических систем кондиционирования воздуха и защитных сооружений, размещаемых в горных выработках криолитозоны [1, 3, 13].

Обоснованы оптимальные объёмнопланировочные и конструктивные решения при проектировании, строительстве и реконструкции подземных складов, холодильников и защитных сооружений гражданской обороны в зоне многолетней мерзлоты [3].

Разработаны и внедрены на производстве новые конструкции и технологии возведения многофункциональных бетонных, набрызг-бетонных, а также пенополиуретановых теплоизоляционных по-

крытий для горных выработок криолито-зоны [1, 3, 4, 16].

Разработан методический аппарат (совокупность методик) для выбора оптимальных параметров и оценки энергетической и экономической эффективности использования тепловой защиты в подземных сооружениях различного назначения [1,3,4].

Разработан программный комплекс для численного решения прикладных задач горной теплофизики применительно к подземным сооружениям различного назначения и горнотехническим системам кондиционирования воздуха, созданный на основе оптимального управления тепловым и вентиляционным режимами в горных выработках по заданным критериям качества, в частности при управлении процессами по критерию экономии энергии и материальных затрат [3, 5, 10].

Разработан программный комплекс для выбора энергетически и экономически оптимальных параметров многофункциональных набрызг-бетонных теплозащитных покрытий для горных выработок криолитозоны [3, 4].

Обоснованы и разработаны новые технические решения (способы и средства) для систем кондиционирования рудничного воздуха, вентиляции и тепловой защиты горных выработок, обеспечения нормативных параметров микроклимата и уровня безопасности при эксплуатации подземных сооружений криолитозоны в обычный период и в условиях чрезвычайных ситуаций

[1, 3].

Основные результаты исследований вошли в нормативно-методические и рекомендательные документы отраслевого, регионального и федерального уровня, а также использовались при проектировании новых и реконструкции действующих подземных сооружений, как горнодобывающего профиля, так и

Среднегодо-

вая

не связанного с горным производством.

1. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера. Л.: ЛГУ, 1988.- 196 с.

2. Кравченко В.Т., Шувалов В.Ю. Тепловой режим глубоких рудников. М.: Недра.1993.-158 с.

3. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. Новосибирск: ВО Наука, 2000. -304 с.

4. Галкин А.Ф., Киселев В.В., КурилкоА.С. Набрызг-бетонная теплозащитная крепь. Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992.- 164 с.

5. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. Новосибирск: Наука, 1992.-133 с.

6. Скуба В.Н., Галкин А.Ф., Шувалов Ю.В. Методика определения зоны теплового комфорта шахтного микроклимата // Вентиляция шахт и рудников: Межвуз. сб., Л.: ЛГИ, 1981.Вып. 8.- С.43-46.

7. Galkin A.F. Calculation of Thermal Conditions in Working During Drivage // 4-th IBMT Session. May 1985, Papers Volume II, United Kingdom, Number 1-13.

8. Galkin A.F. Determination of comfort air temperature in mine working // 5-th IBMT Session. Technical Papers. February, 1988, New-Delhiy - India. pp. 406-414.

9. Галкин А.Ф. Горнотехнические системы регулирования теплового режима шахт и рудников // 24 Международная конференция НИИ по безопасности работ в горной промышленности. Доклады, ч. II.- Донецк, 1991.- C. 315-322.

10. Galkin A.F., Hoholov Y.A., Romanova E.K. Programmer complex for deciding problems of mining thermal physics // CHMTYG Proceedings of the I nt. Conf. of Computational Heat and Mass

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Transfer. Eastern Mediterranean University, G. Magasa, April 26-29, Turkey, 1999.- pp. 153-157.

11. Гигиена труда и профилактика профессиональных заболеваний горнорабочих угольных шахт Северо-востока СССР. (На примере угольных шахт Якутской АССР). Рекомендации./ Е.Н. Чемезов, И.В. Петровская, Ю.В. Шувалов, А.Ф.Галкин и др. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1981. -28с.

12. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986.- 447 с.

13. Технологические схемы очистных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты, учитывающие применение систем и средств регулирования теплового режима. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1987.26с.

14. Галкин А.Ф. Прогноз и выбор оптимальных параметров теплового режима в очистных выработках угольных шахт криолитозо-ны. Учебное пособие. Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 2005.-33с.

15. Галкин А.Ф. Тепловой режим горных выработок при реверсии вентиляционной струи./Доклады 10-й сессии Международного бюро по горной теплофизике. Гливице,14-18 февраля 2005г., Польша, 2005.- C.321-329.

16. Ресурсосберегающие аппараты и системы / В.Д.Мерчанский, В.А.Рогалев,

Ю.В.Шувалов, В.Н.Денисов. СПб.: МА-

НЭБ.1999. - 371с.

17. Территориальные строительные нормы. Подземные объекты в горных выработках криолитозоны Якутии. ТСН-31-323-2002 Республики Саха (Якутия). Издание официальное. Якутск: Минстрой РС(Я). 2002,- 24с. іііШ

і- Коротко об авторах

Шувалов Ю.В., Галкин А.Ф. - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) г. Санкт-Петербург, е-таі1:геСтаа@^рті.щ