МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шайхлісламова Ірина Анатоліївна

УДК 622.418:622.8

ПОЛІПШЕННЯ МІКРОКЛІМАТУ ШАХТ ДОНБАСУ СПОСОБОМ

ПЕРЕРОЗПОДІЛУ ТЕПЛОВОЛОГІСНОГО ПОТЕНЦІАЛУ

РУДНИКОВОГО ПОВІТРЯ

Спеціальність 05.26.01 – “Охорона праці”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропет-ровськ).

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Алексеєнко Сергій Олександрович,

Національний гірничий університет Міністерства

освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

доцент кафедри аерології та охорони праці.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Колесник Валерій Євгенійович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри екології;

кандидат технічних наук

Коновалюк Вікторія Анатоліївна,

Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри теплогазопостачання й вентиляції.

Провідна установа – Донецький державний технічний університет, Міністерства освіти і науки України, кафедра охорони праці й аерології.

Захист дисертації відбудеться “_19_” _квітня_2007 р. о _14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “_17_” _березня_ 2007 р.

вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук О.О. Азюковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Програма розвитку вугільної промисловості України на 2000 – 2030 роки передбачає збільшення видобутку вугілля до 125 млн т, що забезпечить задоволення потреб у цьому виді палива багатьох галузей промисловості, а також потреб комунального господарства. Однак відсутність коштів на будівництво нових шахт змушує нині діючі підприємства переходити на відпрацювання глибоких горизонтів у складних геологічних умовах.

Середня глибина шахт в Українській частині Донбасу становить 730м, максимальна глибина видобутку вугілля є 1340 метрів, а підготовчі роботи ведуться на глибині 1370м. З 190 діючих шахт 76 (40%) мають температуру повітря (27 – 35 °С) в очисних і підготовчих вибоях, що перевищує допустимі норми Правил безпеки (ПБ). Гірничотехнічні умови розробки вугільних пластів на глибинах понад 600 метрів створюють складні технічні проблеми, серед яких важливе місце посідає проблема поліпшення мікроклімату в гірничих виробках.

Шахти практично не оснащені установками для кондиціонування повітря в гірничих виробках. Тільки шахти ім. О. О. Скочинського ДП “Донецьквугілля” та “Глибока” шахтоуправління “Донбас“ використовують у роботі по одній підземній холодильній установці. Одержання й доставка холоду в гірничі виробки – це досить дорогий процес, який веде до зростання собівартості видобутку вугілля. Існуючі традиційні способи й засоби регулювання мікроклімату в глибоких вугільних шахтах є надто енергомісткими, а ефективна й стабільна робота вугільних шахт Донбасу дуже ускладнюється без поліпшення умов праці гірників.

У зв'язку з вищевикладеним, постає актуальне завдання розробки і наукового обґрунтування нового способу поліпшення мікроклімату в шахтах Донбасу, спрямованого на всіляке зменшення витрат енергії, раціональне використання внутрішньої енергії тепла і холоду гірничого масиву для підвищення ефектив-ності охолодження рудникового повітря в системах кондиціонування без застосування холодильних машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Указу Президента України “Про невідкладні заходи щодо поліпшення умов праці й удосконалення Державного нагляду за її охороною на підприємствах вугільної промисловості” № 26/2002 від 16 січня 2002 р., Постанови Кабінету Міністрів України “Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах” №939 від 6 липня 2002 р.

У роботі використані результати договірних науково-дослідних робіт, виконаних за участю автора, а саме: “Дослідження теплових умов праці на робочих місцях шахти “Північна” ВО “Дзержинськвугілля” і розробка рекомендацій з їх нормалізації” №ДР U004381, 2002 р.; “Наукове обґрунтування, розробка і проектування експериментальної установки НГУ – кондиціонування рудникового повітря для регулювання теплового режиму гірничих виробок шахти ім. О. Г. Стаханова ДП “Красноармійськвугілля” №ДР 0103U001326, 2003 – 2006 р.

Метою дисертаційної роботи є наукове обгрунтування і розробка нового енергозбережного способу поліпшення мікроклімату шахт Донбасу.

Досягнення поставленої в роботі мети здійснено за рахунок розв’язання таких завдань:–

проаналізовані існуючі способи регулювання теплового режиму в шахтах і встановлені можливі напрями енергозбереження;–

виконаний аналіз стану досліджень теплового режиму в гірничих виробках;–

виконаний математичний опис процесів переносу тепла і вологи між виробками приствольного двору повітроподавального стволу і очисним вибоєм;

виявлені особливості формування тепловологісного потенціалу рудникового повітря в гірничих виробках і обґрунтована необхідність примусового його перерозподілу по довжині виробок;–

розроблений і обґрунтований новий енергозбережний спосіб поліпшення мікроклімату шахт Донбасу;–

розроблена методика прогнозу тепловологісних умов у системі гірничих виробок від повітроподавального стволу до лави при перерозподілі тепловологісного потенціалу;

визначена економічна ефективність запропонованого способу.

Об'єкт дослідження – термодинамічні процеси формування мікроклімату в гірничих виробках шахт Донбасу.

Предмет дослідження – процеси примусового перерозподілу тепловологісних потенціалів рудникового повітря і поліпшення мікроклімату в гірничих виробках.

Методи дослідження. Для досягнення мети і розв’язання поставлених зав-дань були використані такі методи дослідження: аналіз та узагальнення даних науково-технічної інформації – при оцінці перспективних способів поліпшення мікроклімату в шахтах; математичне моделювання – при описі процесів переносу тепла і вологи в гірничих виробках; аналітичні й числові методи розв’язання теоретичних задач нестаціонарного перерозподілу тепловологісних потенціалів рудникового повітря; фізичні методи – для вивчення процесів тепло- і масопереносу, на базі яких розроблений новий енергозбережний спосіб; натурні спостереження (дослідження) у шахтних умовах – для визначення тепловологісних параметрів гірничих виробок; техніко-економічний аналіз – для визначення ефективності запропонованих заходів щодо поліпшення мікроклімату в гірничих виробках.

Ідея роботи полягає у використанні фізичного ефекту тепловологонасичення вентиляційного струменя в гірничих виробках залежно від температурного напору і напору парціальних тисків водяної пари між рудниковим повітрям і нав-колишнім середовищем, і в цілеспрямованому регулюванні цього процесу шляхом примусового перерозподілу тепловологісного потенціалу повітря по довжині виробок, що забезпечить можливість удосконалення технології поліпшення мікроклімату на робочих місцях без застосування холодильних машин.

Основні наукові положення та результати, їх новизна

Наукові положення

1. Термодинамічні процеси тепло- й масообміну в повітроподавальних стволах вугільних шахт мають політропний характер, що зумовлено переходом частини явної (сухої) теплоти адіабатного стиснення повітря в приховану теплоту фазового переходу води і супроводжуються збільшенням ентальпії повітря при одночасному зниженні інтенсивності підвищення температури вентиляційного потоку.

2. Примусовий перерозподіл тепловологісного потенціалу рудникового пові-тря між виробками приствольного двору повітроподавального стволу і вибоями за допомогою рідкого холодоносія (води), що подається по трубах, забезпечує зниження температури повітря на робочих місцях в очисних і підготовчих вибоях вугільних шахт, що зумовлено зменшенням інтегрального нагріву і зволоження повітря по довжині капітальних гірничих виробок у зв'язку зі зменшенням температурного напору між вентиляційним потоком і гірничим масивом, а також через зменшення напору парціального тиску водяної пари.

Наукові результати

1. Виконаний математичний опис і розроблена математична модель тепло- й масообміну між вентиляційним струменем і навколишнім середовищем, яка вперше враховує новий фактор примусового регулювання температурного напору і напору парціального тиску водяної пари по довжині виробок.

2. Отримані аналітичні й числові розв’язки задачі перерозподілу тепловологісного потенціалу у системі гірничих виробок при нелінійному законі зміни парціального тиску пари води залежно від температури, наявності спільного тепло- й вологообміну вентиляційного струменя зі стінками виробок, краплями води й води в трубопроводах.

3. Уперше виявлений політропний характер термодинамічних процесів тепло- й масообміну вентиляційного струменя у повітроподавальних стволах вугільних шахт з показником політропи (n ,75  ,35) і встановлено, що основними факторами, що зумовлюють ці процеси, є перехід частини явної (сухої) теплоти адіабатного стиснення повітря в приховану теплоту фазового переходу води, збільшення ентальпії повітря при одночасному зниженні інтенсивності підвищення температури вентиляційного потоку.

4. Розроблені теоретичні основи нового енергозбережного способу поліпшення мікроклімату гірничих виробок вугільних шахт на основі нового принципу примусової зміни і регулювання по довжині виробок температурного напору і напору парціального тиску водяної пари між вентиляційним струменем і навколишнім середовищем виробок, що забезпечує зниження сумарного припливу теплоти і вологи до вентиляційного струменя.

5. Установлені закономірності та залежності процесу тепло- й масообміну між вентиляційним струменем і навколишнім середовищем у гірничих виробках і розкритий механізм формування тепловологісного режиму в системі гірничих виробок при перерозподілі тепловологісних потенціалів рудникового повітря.

Обґрунтування та достовірність наукових положень і результатів підтверджується конкретністю постановки і вирішення завдань; використанням сучасних методів розв’язання задач на ЕОМ; проведенням експериментальних досліджень з використанням апробованої методики; відповідністю отриманих у роботі результатів основним положенням теорії тепломасообміну і гірничої теплофізики; погодженістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Практичне значення отриманих результатів полягає: в розробці нового способу кондиціонування рудникового повітря і установки для його здійснення (Патент України 53467, від 07.06.2002 р.); в розробці методичних рекомендацій до розрахунків параметрів кондиціонування повітря при перерозподілі теплових потенціалів у гірничих виробках глибоких шахт.

За результатами досліджень розроблені “Науково-практичні рекомендації з нормалізації теплових умов на робочих місцях шахти “Північна” ВО “Дзер-жинськвугілля”. Розроблені методичні рекомендації погоджено з Держпромгірнаглядом у Донецькій області та схвалені інститутом “Дніпродіпрошахт”. Результати роботи впроваджені у виробництво на ДПКрасноармійськвугілля" при прогнозуванні температурних умов 1-ї північної лави пласту l1, блоку №2  3 ВП “Шахта ім. О.Г. Стаханова”.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і постановці завдань дослідження, огляді способів поліпшення мікроклімату в шахтах, розробці способу перерозподілу тепловологісного потенціалу рудникового повітря, виконанні експериментальних досліджень теплового режиму, а також в аналізі отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних конференціях: “Форум гірників 2003” (м. Дніпропетровськ); “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); “Тиждень гірника – 2004” (м. Москва); “Проблеми аерології гірничодобувних підприємств” (м. Дніпропет- ровськ, 2004 р.); “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (м. Макіївка, 2005 р.), “Геотехнології XXI століття” (м. Донецьк, 2006р).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковані 14 друкованих праць, у т.ч.: 7 статей у журналах і збірниках, що входять до переліку ВАК України, патент на винахід, 6 публікацій, які містять матеріали і доповіді на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4-х глав, висновків, викладена на 142 сторінках машинописного тексту, включає 24 рисунки, 12 таблиць, список літературних джерел із 108 найменувань на 11 сто-рінках та 11 додатків на 42 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено наукову проблему й обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету й завдання, визначено об’єкт і предмет досліджень, викладено загальну характеристику дисертації.

У першому розділі проаналізовано стан теплового режиму глибоких шахт Донбасу, відомі способи регулювання теплового режиму в шахтах, а також проведено огляд літературних джерел, що розглядають стан досліджень теплового режиму гірничих виробок. При цьому встановлено нижченаведене:–

Температура в очисних і підготовчих вибоях 76-ти шахт Донбасу перевищує допустимі норми ПБ і вимагає регулювання. Питання поліпшення теплових умов залишається актуальним, тому що гірничотехнічні заходи діють лише на глибинах до 700 м з невеликою довжиною гірничих виробок до вибою, а теплотехнічні заходи мають низку недоліків. Існуючі способи й установки для штучного охолодження повітря є енергоємними, дорогими й не зовсім бездоганними з погляду екології, тому необхідно вдосконалення й розробка нових енергозбережних способів поліпшення мікроклімату шахт без застосування холодильних машин. –

Недоліком математичних методів прогнозу теплового режиму в гірничих виробках є велика трудомісткість розрахунків. Теплові розрахунки не можуть бути точнішими від вентиляційних, тому що нерозривно пов'язані з ними. Проте, зменшення кількості припущень, раніше прийнятих при розв'язанні теплових задач та урахування нових факторів, які впливають на термодинамічні процеси, є актуальним напрямком досліджень.

У другому розділі розроблено й досліджено математичну модель тепловологісних процесів у гірничих виробках. На основі універсального рівняння переносу субстанції (маси, імпульсу, енергії та ін.) отримано систему рівнянь (1), що описує зміну температури й вологості вентиляційного потоку уздовж гірничої виробки с граничними умовами (2). У розробленій моделі вперше враховані такі фактори: теплові джерела, що виникають при зрошуванні вентиляційного потоку теплою водою в виробках приствольного двору і холодною водою перед лавою; джерела тепла з поділом відповідно до місць їх дії: на стінках виробок і в потоці повітря; напрямок руху вентиляційного струменя і потоку води в прямому та зворотному трубопроводах із взаємним зв'язком їх термодинамічних станів.

(1)

де U – абсолютний вміст вологи повітря, кг/кг; і густина відповідно води й повітря, кг/м3; і – витрата повітря у виробках і води в трубопроводі, м3/с; периметр мокрої поверхні стінок виробок, м; – коефіцієнт массообміну, кг/(Нс); вміст вологи над поверхнею мокрої стінки або рідини, кг/кг; – концентрація або кількість рідини в 1м3 повітря; площа поперечного перетину виробок, м2; і діаметр відповідно: краплі й трубопроводу, м; – температура повітря, К; – теплота пароутворення, Дж/кг; коефіцієнт тепловіддачі повітря з твердого тіла або з рідини, Вт/(м2К); температура на поверхні твердого тіла або рідини, К; і температура холодної і теплої води в трубопроводах, К; сумарна потужність усіх постійно діючих джерел, Вт; і питома теплоємність відповідно повітря і води, Дж/(кгК).

. (2)

Для виробок, провітрюваних більше одного року, коефіцієнт нестаціонарного теплообміну може бути визначений за формулою, яку можемо подати в критеріальному вигляді:

, (3)

куди входять числа Біо й Фур'є, а саме:

де радіус виробки, м; – коефіцієнт теплопровідності порід, Вт/(мК); – коефіцієнт температуропровідності, м2/с; – час від початку нагрівання або охолодження масиву, с.

Формула (3) перевірялася в діапазоні використання для виробок, які провітрювалися строком до одного року і результати показали, що в діапазоні значень числа Фур'є 1 – 50, дані обчислень відрізняються між собою не більше ніж на 5%. Тому формулою (3) можна користуватися, починаючи із числа F0 >1, тобто, у діапазоні реальних його значень.

Для проведення числових розрахунків було використано експонентну залежність при визначенні вмісту вологи на стінках гірничої виробки. Ця залежність подається в роботі Ю.Н. Добрянського і має такий вигляд:

, (4)

де – тиск насиченої пари в точці замерзання води, Па; – відносна вологість; барометричний тиск повітря на даній глибині залягання виробки, Па.

Для одержання результатів аналітичних розрахунків експонентна залежність спрощувалася і подавалась у вигляді лінійної залежності в діапазоні 0 – 10 С з похибкою не більше 5%, що дозволило спростити і розв'язати систему рівнянь. |

При розрахунках теплового режиму в гірничих виробках відносну вологість не можна задавати зазда- легідь, як це пропонується в ряді робіт, тому що вона змінюється за складним законом (рис. ). Тому відносна вологість повинна обчислюватися за формулою:

, (5)

де – функція максимально можливого вмісту вологи; – парціальний тиск парів рідини в потоці повітря, Па; – тиск насичених парів води, Па.

Рис. 1. Криві зміни відносної воло- гості повітря уздовж виробок при початкових її значеннях 60   % у виробках приствольного двору

На рис. 2 наведені результати порівняння аналітичних і числових розрахунків переносу тепла й вологи в діапазоні температур 0 – °С, звідки видно, що криві температури уздовж виробок майже повністю збігаються, а криві вологовмісту починають відхилятися одна від одної при значеннях . При цьому максимальне відхилення не перевищує 10%.

Рис. 2. Результати порівняння аналітич- ного (суцільні лінії) і числового (хрестики) розв'язку задачі розподілу температури (1) і вмісту вологи (2) уздовж гірничої виробки | При математичному моделюванні процесів переносу тепла й вологи в гірничих виробках отримано систему узагальнених рівнянь (1) у критеріаль- ному вигляді (безрозмірній величині) для ліанезированої функції вмісту вологи на стінках гірничої виробки (4) з критеріями подібності й граничними умовами, що зручно для моделювання процесів тепловологообміну в гірничих виробках. На базі отриманої системи рівнянь розроблено методику розрахунку параметрів кондиціонування повітря при перерозпо-

ділі теплових потенціалів у гірничих виробках.

Складено програму числового розрахунку на ЕОМ переносу тепла й вологи в гірничих виробках з використанням точної формули (5) для відносного вмісту вологи на стінках. Температура теплої води в трубопроводі при її зворотному русі визначалася методом послідовних наближень.

У третьому розділі виявлено особливості формування тепловологісного потенціалу рудникового повітря у гірничих виробках шахт й обґрунтовано необхідність примусового його перерозподілу по довжині виробок, розроблено новий енергозбережний спосіб поліпшення мікроклімату в шахтах. Шляхом тепловологісного характеру обробки повітря при реалізації запропонованого способу досягається можливість безперервного регулювання динаміки нагрівання і зволоження вентиляційного потоку в гірничих виробках і вибоях у заданих межах без застосування холодильних машин.

Температура повітря в приствольних виробках повітроподавального ствола, як правило, нижча від сухоадіабатної, оскільки в стволі відбуваються процеси поглинання явного тепла. Основний із цих процесів – випаровування води й зволоження повітря, внаслідок чого явне тепло переходить у приховану теплоту фазового переходу "рідина – пара", при цьому підвищення температури повітря уповільнюється. Таким чином в стволі відбувається складний політропний процес, який супроводжується теплообміном повітря з навколишнім середовищем. Аналіз експериментальних даних свідчить, що показник політропного стиснення повітря у повітроподавальному стволі істотно змінюється, зокрема зафіксовано значення = 0,75  1,35. Отже, при наявному тепловому режимі шахт в приствольному дворі повітроподавального ствола є зона низького тепловологісного потенціалу рудникової атмосфери, тобто в цій зоні температура повітря становить 5  15 °С при вологості 95 100

У капітальних виробках повітря насичується шкідливими припливами тепла 30  50 кДж/кг і вологи 10  20 г/кг, оскільки існує значний температурний напір і напір парціальних тисків між повітрям і навколишнім середовищем гірничих виробок. Причому шкідливі припливи тепла й вологи тим інтенсивніші, чим нижча вихідна величина низького тепловологісного потенціалу повітря.

Повітря, насичуючись теплотою і вологою в капітальних виробках, при надходженні у вибої має недопустимо високу температуру 27 –  °С при відносній вологості 85 – Унаслідок цього формується зона високого тепловологісного потенціалу, непридатна для безпечної і продуктивної праці гірників.

Ідея способу перерозподілу тепловологісного потенціалу вентиляційного струменя полягає в зменшенні шкідливого припливу тепла й вологи в повітря капітальних і підготовчих виробок. Отже, це відбувається за допомогою примусового нагрівання і зволоження повітря у виробках приствольного двору повітроподавального стволу до рівня, що виключає значний приплив вологи в повітря на його шляху до робочих вибоїв. Таким чином, позитивний ефект поліпшення мікроклімату в гірничих виробках запропонованим способом, досягається за рахунок зниження інтенсивності тепломасообміну у виробках.

На рис. 3 показано якісну зміну температури рудникового повітря при існуючому тепловому режимі (лінія В – С – С) і при кондиціонуванні рудникового повітря запропонованим способом (лінія 1 – 1 – 2 – 2 – 2).

Точка 1 (В) показує наявну температуру повітря у виробках приствольного двору (перед водоохолоджувачем). Точка С характеризує наявну температуру повітря на початку виробок видобувних ділянок, а точка С  на виході з вибоїв.

Відрізок 1 – 1 означає нагрівання і зволоження повітря у виробках приствольного двору. Відрізок 1  2 характеризує зміну температури повітря в капітальних гірничих виробках при розосередженому його охолодженні. Точка 2 показує температуру повітря перед повітроохолоджувачем. При переміщенні точки 2 вище tз необхідно збільшувати витрату холодоносія або вит- | Рис. . Якісна зміна температури рудникового повітря в гірничих виробках,

де tз – температура задана, нормована ПБ | рату повітря, які надходять у виробки приствольного двору повітроподавального стволу. Точка 2 характеризує температуру кондиціонованого повітря на виході з повітроохолоджувача. Різниця температури між точками С і 2 відображає величину охолодження повітря у виробках видобувних ділянок даним способом. Точка 2 характеризує температуру кондиціонованого повітря на виході з вибоїв.

Підземна установку кондиціонування рудникового повітря,– розроблена для реалізації запропонованого способу перерозподілу тепловологісного потенціалу (рис. 4), включає такі гідравліно пов'язані елементи: водоохолоджувач – 1; повітроохолоджувач – 2; трубопроводи тепло- і холодоносія – 3 і 4; акумулятор охолодженої води – 5; насоси – 6 і 7; вентилятори – 8 і 9; повітропровід – 10; регулятори витрати води й повітря.

Рис. 4. Схема розміщення підземної установки кондиціонування рудникового повітря в шахті з реалізації способу перерозподілу тепловологісного потенціалу

У водоохолоджувачі взаємодіють два перехресних потоки: холодне повітря і розпилена тепла вода, унаслідок чого повітря нагрівається і зволожується, а вода охолоджується. Охолоджена вода з водоохолоджувача по трубопроводу подається в повітроохолоджувач, де нагрівається за рахунок теплообміну з повітрям, а потім по зворотному трубопроводу повертається назад у водоохолоджувач. Нагріте повітря, що виходить із водоохолоджувача, змішується зі свіжим вентиляційним струменем і потім по гірничих виробках надходить у повітроохолоджувач, де охолоджується і частково зневоднюється (осушується), після чого спрямовується в робочі вибої.

Зниження енерговитрат на кондиціонування рудникового повітря може бути досягнуте шляхом економії витрат холодильної потужності установки, зокрема – повітроохолоджувачів. Регулювання холодильної потужності повітроохолоджувачів можна здійснити через зміну витрати води або повітря. Однак, для підвищення ефективності роботи запропонованої установки кондиціонування рудникового повітря доцільно регулювати обидва параметри одночасно. При зміні кліматичних умов на поверхні холодильна продуктивність установки буде змінюватися, досягаючи максимуму в холодний період року і знижуючись у літній.

Корисна холодильна потужність установки кондиціонування рудникового повітря визначається двома основними факторами: кількістю тепла, відведеного від циркуляційної води у водоохолоджувачі; величиною зниження припливу теплоти і водяної пари до вентиляційного струменя по маршруту від виробок приствольного двору повітроподавального ствола до робочих високотемпературних вибоїв.

Запропонований спосіб кондиціонування рудникового повітря може бути застосований у вугільних шахтах Донбасу за таких умов: на глибині розробки 700 – 1000 м; на пологих і крутих пластах; при температурі рудникового повітря в приствольному дворі повітроподавального ствола не більше 15 – 18 С; а також якщо спостерігається значна різниця існуючої температури рудникового повітря у виробках приствольного двору і видалених робочих вибоях 15 – 30 С.

У четвертому розділі подано опис експериментальних досліджень процесів тепло- й масообміну в шахтах. Об'єктом проведення натурних спостережень були ВП „Шахта ім. О. Г. Стаханова” ДП „Красноармійськвугілля та ВП „Шахта ім. О.О. Скочинського” ДП „Донецьквугілля”. Наведено характеристику об'єктів, глибину розробки, показники зміни параметрів повітря в діючих лавах, методику експериментальних досліджень тепловологісного режиму в шахтах. При тепловій зйомці виконувалися натурні виміри температури повітря, барометричного тиску, визначення швидкості руху вентиляційного струменя, геометричних розмірів виробок, а також температури й витрати води в трубопроводах.

На шахті ім. А. Г. Стаханова для обґрунтування застосування розробленого способу проведено дослідження тепловологісних параметрів по маршруту: повітроподавальний ствол №2 – перша північна лава групового уклону пласта l1 блоку №3 горизонту 986м при звичайному тепловому режимі. Натурні спостереження проводилися щокварталу протягом одного року. Отримані результати дозволили встановити характер зміни температури і відносної вологості у процесі руху повітря по гірничих виробках.

Для математичного аналізу й перевірки вірогідності отриманих теоретичних результатів, за експериментальними даними визначено емпіричні константи й отримано в процесі числових розрахунків криві зміни температури рудникового повітря по довжині мережі гірничих виробок (рис. , 6). Тісноту зв'язку розрахункових та експериментальних даних температури рудникового повітря і відносної вологості можна вважати задовільною (похибка не більше 15%).

Рис. . Результати порівняння екс-периментальних і теоретичних (лінії) значень зміни температури повітря по маршруту виробок для різних сезонів року:

? – зима; ? – весна; ? – літо; x – осінь |

Рис. . Результати порівняння експериментальних і теоретичних (криві) значень зміни відносної вологості повітря по маршруту виробок для різних сезонів року:

? – зима; ? – весна; ? – літо; x – осінь

Подальша обробка експериментальних даних і визначення вмісту вологи та ентальпії у процесі руху повітря по гірничих виробках від устя повітроподавального ствола №2 до першої північної лави пласта l1 дозволяє зробити висновок, що спочатку можна нагрівати і зволожувати свіжий струмінь повітря в приствольному дворі за рахунок надлишкового тепла повітря, що досягло видобувних ділянок, а це дозволить вирівняти теплові атмосферні умови на горизонті; а саме знизити температуру повітря на видобувних ділянках і підвищити – у виробках приствольного двору.

Аналіз впливу прокладеного трубопроводу з циркуляцією холодної та теплої води на мікроклімат у гірничих виробках проводився з метою перевірки розробленої теорії про зміну термодинамічних процесів у гірничих виробках при перерозподілі тепловологісних потенціалів. Експериментальні дослідження виконувалися в умовах шахти ім. О. О. Скочинського на базі комплекту холодильного устаткування потужністю 1 МВт, яке обслуговує другу східну лаву уклонного поля центральної панелі гор. 1200 м. У даній системі кондиціонування рудникового повітря використовується 5 водоохолоджувачів, 4 повітроохолоджувачі й турбогвинтова холодильна машина МХРВ-1-У5, з'єднані між собою теплоізольованим трубопроводом. Для теплоізоляції цього трубопроводу використовується піноуритан. У зв'язку з посуванням очисних робіт при відпрацюванні другої східної лави обов'язковою умовою є нарощування трубопроводів з пересуванням повітроохолоджувачів. Оскільки використаний теплоізоляційний матеріал для шахти є пожежонебезпечним і дорогим, було прийнято рішення внести зміни в технічну документацію і прокладати трубопроводи без їх теплоізоляції. Таким чином, на конвейєрному штреку №1 – 2 другої східної лави уклонного поля центральної панелі утворилося 1500 м неізольованого трубопроводу перед лавою, що і послужило об'єктом натурних досліджень.

Експериментальні спостереження проводилися при наявному тепловому режимі у червні 2005 р і при працюючій системі кондиціонування рудникового повітря (СКРП) у листопаді 2005р. Порівняння результатів досліджень наведене на рис. 7, 8.

Рис. . Результати порівняння теоретичних та експериментальних пара- метрів розподілу температури повітря в шахті на заданому маршруті при наявному тепловому режимі (лінія 1 – роз- рахункова, ? – експеримент); і при пра- цюючій СКРП (лінія 2 – розрахункова, | Рис. . Результати порівняння теоретичних (криві) та експериментальних значень зміни відносної вологості повітря в шахті на заданому маршруті:

? – при наявному тепловому режимі,

– при працюючій СКРП

0 – експеримент); а також температури води в прямому (лінія 3 – розрахункова, ? – експеримент) і зворотному трубопроводах (лінія 4 – розрахункова, ? – експеримент). |

Зіставлення результатів теоретичних та експериментальних досліджень зміни температури і відносної вологості повітря у гірничих виробках, а також температури води у трубопроводах при перерозподілі тепловологісних потенціалів показало, що теплові умови в досліджуваних гірничих виробках з достатньою мірою точності відповідають реальній обстановці на конвеєрному штреку №1, другої східної лави шахти ім. О. О. Скочинського.

При визначенні економічної ефективності від реалізації запропонованого заходу щодо поліпшення умов праці враховується наявність соціальної ефективності, що зумовлюється підвищенням рівня продуктивності праці за рахунок зниження втрат робочого й вільного часу, а також економією витрат на виплати (компенсації за несприятливі умови праці). Критеріями ефективності при цьому виступають: приріст річного прибутку, який дорівнює 330 тис. грн на рік, а також строк окупності запропонованого заходу, що становить 4 роки.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішено актуальне науково-технічне завдання поліпшення мікроклімату шахт Донбасу, що полягає у встановленні закономірностей процесу тепло- і масообміну між вентиляційним струменем і навколишнім середовищем у гірничих виробках, врахуванні нових факторів примусового регулювання по довжині виробок температурного напору між вентиляційним потоком і гірським масивом, а також напору парціального тиску водяної пари повітря, у виконанні наукового обґрунтування нового енергозбережного способу поліпшення мікроклімату в гірничих виробках вугільних шахт.

Основні наукові й практичні результати, висновки і рекомендації роботи такі:

1. Розроблено математичну модель термодинамічних процесів у гірничих виробках з перерозподілом тепловологісного вентиляційного потоку і вирівнюванням низького та високого тепловологісних потенціалів між приствольними виробками і лавою, в якій уперше враховано: –

теплові джерела, що виникають при зрошені вентиляційного потоку теплою водою в виробках приствольного двору і холодною водою перед лавою;–

джерела тепла з поділом за місцями їх дії, а саме: на стінках виробки – при окисненні вугілля, деревини і гірських порід; у потоці повітря – при стисненні або розширенні вентиляційного струменя, при роботі машин і механізмів;–

напрямок руху вентиляційного струменя і потоку води в прямому і зворотному трубопроводах із взаємним зв'язком їх термодинамічних станів.

2. Установлено закономірності та розкрито механізм формування тепловологісного режиму в системі гірничих виробок при перерозподілі тепловологісних потенціалів, що полягає в існуванні деякої вузької зони або умовної точки, перед якою температура і вологість підвищуються, а після неї ці показники знижуються залежно від ступеня віддалення цієї точки від лави. Тим самим доведено, що ефективність циркуляційного кондиціонування підвищується залежно від довжини охолоджуючої частини виробки.

3. Уперше розкрито механізм формування відносної вологи вздовж гірничої виробки від приствольного двору. Встановлено, що відносна вологість спочатку різко знижується на відстані до 500 метрів, а потім починає повільно зростати, не підлягаючи лінійному закону. Отримані теоретичні результати відповідають даним експериментальних досліджень у шахтних умовах.

4. Розроблено новий енергозбережний спосіб кондиціонування рудникового повітря для шахт з глибиною розробки 700 – 1000 м і різницею температури рудникового повітря між виробками приствольного двору повітроподавального стволу і виїмковою ділянкою 15 – 30 єС. Показано, що в холодний період року без істотних капітальних витрат на створення систем поліпшення теплових умов, за рахунок виключення холодильних установок може бути застосований спосіб перерозподілу тепловологісного потенціалу.

5. Істотну роль у тепло- й массообміні відіграє не тільки трубопровід з холодною, але й з теплою водою (до 30 %), тому що його температура нижча від температури вентиляційного потоку, а загальна площа теплообміну досягає 1000 м2 і більше.

6. На базі шахтних досліджень окремих елементів циркуляційної системи (використання перед лавою двох неізольованих трубопроводів) вивчено характер зміни температури рудникового повітря. Зниження температури перед лавою (повітроохолоджувачем) становить 3 – 5 єС.

7. Експериментально встановлено залежності температури і відносної вологості рудникового повітря від довжини мережі гірничих виробок, а також обґрунтовано можливість застосування способу перерозподілу тепловологісного потенціалу в умовах шахт.

8. Розроблено спрощену методику розрахунку параметрів кондиціонування рудникового повітря методом перерозподілу теплових потенціалів, що дозволить ураховувати характер руху води в прямому і зворотному трубопроводах відповідно до вентиляційного потоку.

9. При визначенні економічної ефективності від упровадження заходів, які поліпшують мікроклімат на робочих місцях, встановлено, що прибуток від застосування установки кондиціонування рудникового повітря при реалізації способу перерозподілу тепловологісного потенціалу в межах однієї виїмкової ділянки буде становити 330 тис. грн на рік, що зумовлено підвищенням рівня продуктивності праці за рахунок зниження втрат робочого і вільного часу, а також економією витрат на виплати (компенсації) за несприятливі умови праці.

Основні положення і результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Особенности термодинамических процессов в воздухоподающих стволах глубоких шахт / В.И. Муравейник, С.А. Алексеенко, И.А. Лисовицкая (И.А. Шайхлисламова), В.Н. Жмыхов // Сб. науч. тр. НГУ. – 2002. – №13. – Том 1. – С. 189 – 193.

2. Нетрадиционный подход к новой технологии кондиционирования воздуха в действующих глубоких шахтах / Алексеенко С.А., Лисовицкая И.А. (Шайхлисламова И.А.), Муравейник В.И., Булгаков Ю.Ф., Бутырин А.Г. // Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ, 2002. – №3. – С. 47 – 51.

3. Математическая модель тепломассообмена в горных выработках с предварительным нагревом и увлажнением шахтного воздуха / Алексеенко С.А., Шайхлисламова И.А., Зинченко И.Н., Булгаков Ю.Ф., Бутырин А.Г. // Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – №1. – С. 64 – 68.

4. Методы расчета тепловлажностных параметров в горных выработках глубоких шахт с альтернативными источниками энергии / С.А. Алексеенко, И.А. Шайхлисламова, И.Н. Зинченко, А.Г. Бутырин // Сб. науч. тр. НГУ. – 2003. – №16. – С. 124 – 129.

5. Численный метод расчёта системы циркуляционного кондиционирования воздуха в глубоких шахтах и рудниках / Алексеенко С.А., Шайхлисламова И.А., Зинченко И.Н., Бутырин А.Г., Король В.И. // Науковий вісник НГУ. – 2004.– № 1.– С. 73-76.

6. Алексеенко С.А., Шайхлисламова И.А., Зинченко И.Н. / Тепловой расчет горных выработок шахт с учетом окислительных процессов // Науковий вісник НГУ. – 2004. – №10. – С. 74 – 76.

7. Алексеенко С.А., Шайхлисламова И.А. Альтернативный энергосберегающий способ и подземная система кондиционирования рудничного воздуха для глубоких угольных шахт // Холодильна техніка и технологія. – 2005. – №5. – С. 15 – 19.

8. Пат. України 53467, МК 7Е21F3/00. Спосiб кондицiонування рудникового повiтря та установка для його здiйснення / В.І. Муравейник, С.О. Алексеєнко, I.А. Лiсовицька (І.А. Шайхлісламова) та iн.; Опубл. 15.11.06. Бюл. №10.

9. Комплексный подход к проблеме регулирования температурного режима в горных выработках глубоких шахт и рудников / С.А. Алексеенко, И.А. Шайхлисламова, В.И. Муравейник, В.Г. Клочков / Сб. научных тр. НГУ. Тр. межд. науч.-техн. конф. “Форум гірників” – 2003. – Том 2. – №17.– С. 569 –574.

10. Шайхлисламова И.А. Улучшение тепловых условий глубоких шахт методом предварительного тепловлагонасыщения воздуха без применения озоноразрушающих хладагентов // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов. Материалы второй междунар. научн.- практич. конф. – Днепропетровск, 2003. – С. 202 – 203.

11. Шайхлисламова И.А. Экспериментальные исследования тепловлажностных параметров горных выработок глубоких шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. – 2004. – №10. – С. 91 – 93.

12. Шайхлисламова И.А. Улучшение тепловых режимов глубоких шахт способом предварительного тепловлагонасыщения рудничного воздуха// Сб. научн. тр. НГУ. Тр. межд. научн.-техн. конф. “Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий” – 2004. – №19. – Том 3. – С.255 – 261.

13. Алексеенко С.А., Шайхлисламова И.А. Подземная энергосберегающая система кондиционирования воздуха для лав глубоких горизонтов угольных шахт // Тр. научн.-практ. конф. “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли”. МакНИИ. – 2005. – С. 203 – 210.

14. Результаты экспериментальной проверки способа и циркуляционной системы кондиционирования рудничного воздуха в натурных условиях / Шайхлисламова И.А., Алексеенко С.А., Чистюхин В.В., Аниськов В.И., Горбун Ю.М. // Вісті Донецького гірничого інституту. – Донецьк: ДонНТУ, 2006. – №1. – С. 113 – 117.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві полягає: 1 – у постановці завдання, аналізі факторів формування теплового режиму в повітроподавальних стволах; 2, 8, 9 – у науковому обґрунтуванні нового способу поліпшення мікроклімату шахт; 3, 4, 6 – у постановці мети та розвязку систем рівнянь, що описують процеси переносу тепла і вологи в гірничих виробках; 5 – у пропозиції використання деяких вихідних даних як констант, що визначають неоднозначність із похибкою, яка перевищує точність теплових розрахунків; 7, 13 – у пропозиції застосування можливих шляхів реалізації розробленого способу перерозподілу тепловологісного потенціалу, 14 – в експериментальній перевірці працездатності запропонованого способу.

АНОТАЦІЯ

Шайхлісламова І.А. Поліпшення мікроклімату шахт Донбасу способом перерозподілу тепловологісного потенціалу рудникового повітря. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01. – "Охорона праці" – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

У дисертаційній роботі виконано аналіз існуючих способів поліпшення мікроклімату в глибоких шахтах. Вивчено стан досліджень теплового режиму гірничих виробок і проведено аналіз літературних джерел. Теоретично й експериментально обґрунтовано єнергозбережний спосіб поліпшення мікроклімату в шахтах Донбасу методом перерозподілу тепловологісного потенціалу між виробками приствольного двору повітроподавального ствола й очисним вибоєм. За результатами досліджень запропоновано методику розрахунку параметрів кондиціонування рудникового повітря в гірничих виробках при перерозподілі тепловологісних потенціалів. Визначено економічну ефективність упровадження установки кондиціонування рудникового повітря від реалізації запропонованого способу в межах однієї виїмкової ділянки.

Ключові слова: тепловий режим, способи поліпшення мікроклімату в шахтах, гірничі виробки, тепловологісний потенціал.

АННОТАЦИЯ

Шайхлисламова И.А. Улучшение микроклимата в шахтах Донбасса способом перераспределения тепловлажностного потенциала рудничного воздуха. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01. – “Охрана труда” – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

В диссертационной работе осуществлено решение актуальной научно-технической задачи улучшения микроклимата в шахтах Донбасса нетрадиционным способом кондиционирования рудничного воздуха без применения холодильных машин.

Выполнен анализ существующих способов улучшения тепловых условий в шахтах. Установлено, что состояние микроклимата в очистных забоях 76 шахт Донбасса превышает допустимые нормы ПБ и требует улучшения. Существующие способы и установки для искусственного охлаждения воздуха являются энергоемкими, дорогостоящими и не совсем безупречными с точки зрения экологии. Отмечена необходимость усовершенствования и уточнения методов прогноза теплового режима в системе горных выработок при перераспределении тепловлажностных потенциалов рудничного воздуха с учетом новых факторов оказывающих влияние на термодинамические процессы.

Обоснован и разработан новый энергосберегающий способ улучшения микроклимата шахт Донбаса, основанный на перераспределении тепловлажностного потенциала между выработками ОДВС и рабочим забоем. Предлагаемый способ будет наиболее эффективен при значительной разнице естественной температуры рудничного воздуха в выработках околоствольного двора и отдаленных рабочих забоях 15 – 30 С.

Выполнены обширные теоретические исследования термодинамических процессов в горных выработках при подводе и отводе тепла и влаги в зонах низких и высоких тепловлажностных потенциалов. Получено физико-математическое описание процессов тепло- и влагообмена в горных выработках шахт, в котором впервые учтено направление движения вентиляционной струи в горной выработке и потока воды в прямом и обратном трубопроводах с взаимной связью их термодинамических состояний.

Дано экспериментальное обоснование возможности принудительного перераспределения тепловлажностного потенциала рудничного воздуха, обусловленное уменьшением интегрального нагревания и увлажнение воздуха по длине капитальных горных виробок в связи с уменьшением температурного напора между вентиляционным потоком и