НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАIНИ

IНСТИТУТ ГЕОТЕХНIЧНОI МЕХАНIКИ

ПЕРЕПЕЛИЦЯ Валентин Григорович

УДК 622.273.217.5 : 622.413.3

НАУКОВI ОСНОВИ СТВОРЕННЯ НЕТРАДИЦIЙНОГО

СПОСОБУ ОХОЛОДЖЕННЯ ПОВIТРЯ I ЗАКЛАДАННЯ

ВИРОБЛЕНОГО ПРОСТОРУ ГЛИБОКИХ ШАХТ

05.15.11 - “Фiзичнi процеси гiрничого виробництва”

05.15.02 - “Пiдземна розробка родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертацii на здобуття наукового ступеня

доктора технiчних наук

Днiпропетровськ - 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана в iнститутi геотехнiчної механiки Нацiональної

академiї наук України.

Науковий консультант - |

доктор технiчних наук ВОЛОШИН Олексiй

Iванович, IГТМ НАН Украiни, завiдувач вiддiлу

Офiцiйнi опоненти: |

Заслужений дiяч науки i технiки України, доктор

технiчних наук, професор САПИЦЬКИЙ Костянтин Федорович, Гiрничий iнститут Донецького державного технiчного унiверситету,

завідувач кафедри;

Доктор технiчних наук АВЕРIН Генадiй Вiкторович, Макєiвський науково-дослiдний iнститут, завiдувач вiддiлу;

Доктор технiчних наук КУЗЬМЕНКО Олександр Михайлович, Нацiональна гiрнича академiя України, професор кафедри.

Провiдна установа - Комплексний науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут з проблем Центрального району Донбасу (ДонНДІ) Мінвуглепрому України, м. Горлівка.

Захист вiдбудеться 23 квітня 1999 р. о 13-00 годинi на засiданнi Спецiалiзованої Вченої ради Д 08.188.01 при iнститутi геотехнiчної механiки НАН України за адресою: 320005, м. Днiпропетровськ, вул. Сiмферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацiєю можна ознайомитися в бiблiотецi iнститута геотехнiчної механiки НАН України за адресою: 320005, м. Днiпропетровськ, вул. Сiмферопольська, 2-а.

Автореферат розiсланий 22 березня 1999 р.

Вчений секретар Спецiалiзованої Вченої

ради, доктор технiчних наук, професор М.С. Четверик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Видобуток потребної кількості вугілля при одночасному збереженні навколишнього середовища і створенні необхідних умов праці шахтарів є однією з важливих проблем вугледобувної галузі.

Основнi обсяги вуглевидобутку вiднесено до найбiльш промислово-насиченого району України - Українського Донбасу i повязано з пiдземним способом розробки, який значним чином впливає на стан земної поверхнi у мiсцях розташування шахт. Тут утворюються провали, зсуви, котловани, вiдбувається опускання поверхнi з наступним ії пiдтопленням i формуванням болотних структур. Тому актуальним для гiрничодобувних пiдприємств цього регiону є питання закладки виробленого простору як засобу запобiгання виникненню вказаних явищ. Доцiльнiсть закладки виробленого простору переконливо доведена як з позицiй керування гiрським тиском, так i з економiчної та екологiчної точок зору.

Значний внесок в удосконалення технiки i технологii закладальних робiт внесли такi вченi, як К.А. Ардашев, О.Н. Байконуров, Д.I.Бронников, А.М. Бурцев, М.I. Вєсков, О.I. Волошин, Ф.М. Воскобоєв, В.М.Воробьов, Е.I.Гайко, В.I.Геронтєв, Д.Т.Горбачев, Л.А.Данилов, В.В.Добровольський, М.I.Жизлов, В.С.Жуков, С.I.Запрєєв, О.В.Колоколов, О.М.Кузьменко, В.В.Куликов, С.Д.Махно, В.М.Потураєв, Ю.О.Рижков, К.Ф.Сапицький, В.I.Симонова, О.С.Федянин, З.В.Якобсон та iншi.

Однак за станом на сьогодняшнiй день технологiї видобутку вугiлля з закладкою виробленого простору не мають широкого застосування на шахтах України.

Ще один аспект проблеми полягає в тому, що подальший розвиток видобутку вугiлля в Донецькому басейнi може здiйснюватися головним чи-ном шляхом освоєння великих глибин в умовах пiдвищеної температури вмi-щуючих порiд і, як наслiдок, шахтноi атмосфери. Питанням прогнозу та регу-лювання теплового режиму в гiрських виробках присвяченi роботи Ф.О.Абрамова, Г.В.Аверiна, В.М.Воронiна, П.I.Воронова, О.Ф.Воропаєва, Г.П.Герасименка, С.Г.Гендлера, Ю.П.Добрянського, Г.В.Дуганова, Ю.Д.Дя-дькина, В.Я.Журавленка, Ф.С.Клебанова, Н.Ф.Кременчуцького, О.О.Кремне-ва, В.О.Кузiна, В.С.Маєвського, Б.І.Медведева, В.В.Пака, А.А.Скочинського, К.З.Ушакова, Ю.А.Цейтлiна, В.П.Черняка, Г.А.Шевельова, Ю.В.Шувалова, А.Н.Щербаня та iнших вчених. Результати дослiджень зазначених фахiвцiв і свiтовий досвiд видобутку корисних копалин на великих глибинах свiдчить про те, що традицiйнi способи кондицiювання повiтря в умовах великих гли-бин не тiльки економiчно недоцiльнi, а i технiчно неспроможнi Тому створен-ня нетрадицiйного способу охолодження повiтря i закладки виробленого простору глибоких шахт є актуальною науковою проблемою, яка має важливе народногосподарське значення.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацiйну роботу виконано у вiдповiдностi з державною нау-ково-технiчною програмою “Створити і опанувати технологiю i технiчнi засо-би, якi забезпечують екологiчно чистi процеси видобутку i переробки корис-них копалин за рахунок використання безвiдходних технологiй i утилiзацii вiдходiв промислових виробництв”, пiдпрограмою 2.3.8 “Створення наукових основ екологiї гiрничого виробництва” ДКНТ України, а також по галузевим програмам 3.4.8 “Розробити технологiю i обладнання для залишення пустої породи пiсля ремонту гiрничих виробок у бутових смугах на базi викорис-тання вiбрацiйно-пневматичних машин” ГНТУ Мiнвуглепрому СРСР i А 219211010/326 “Розробити технiчнi пропозицiї по створенню технiчних засобiв i технологiї утилiзацiї вiдходiв виробництва шляхом виготовлення iз них заморожених брикетiв i пневмотранспортування їх до виробленого простору з метою здiйснення його закладки i охолодження рудничної атмосфери” Мiнвуглепрому України.

Iдея роботи полягає в сполученнi i увязцi в єдиному технологiчно-му ланцюгу процесiв закладки виробленого простору i охолодження шахтноi атмосфери шляхом використання порiд, що утилiзуються, в якостi закла-дального матерiалу i холодоносiя одночасно.

Мета i задачi дослiдження. Метою дисертаційної роботи є роз-робка наукових основ створення нетрадиційного способу охолодженяя повітря і закладання виробленого простору глибоких вугільних шахт.

Для досягнення зазначеної мети вирiшувалися наступнi задачi:

·

·

·

·

·

Наукова новизна одержаних результатiв полягає в:

·

·

·

·

·

Практичне значення одержаних результатiв полягає в:

·

·

·

·

·

Результати розробок пройшли промисловi випробування i впровад-женi в проекти дослiдно-промислового вiдпрацювання технологii закладки виробленого простору на шахтi iм. М.I.Сташкова ДХК “Павлоградвугiлля” i на шахтi “Добропiльська-Капiтальна” ДХК “Добропiллявугілля”.

“Вихiднi данi i технiчний регламент для створення комплексного спо-собу закладки виробленого простору i нормалiзацiї температури повiтря гли-боких шахт шляхом використання охолоджених куль-брикетiв”затверджені на галузевому рівні і впровадженi в проекти iнститута “Днiпродiпрошахт”.

“Технiчне завдання на вiбрацiйно-пневматичну машину циклiчної дiї (ВПМД)” чинним порядком затверджено Мiнвуглепромом СРСР, “Технiчне завдання на комплекс обладнання для формування охолоджених брикетiв iз закладального матерiалу” затверджено Мiнвуглепромом України. Прiоритет в розробцi i вирiшенi проблеми, що розглядається, захищено пятьома патен-тами Украiни.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульова-ні мета і задачі досліджень, ідея роботи, основні наукові положення, висновки і рекомендації, розроблені концепція роботи і ії головні науково-технічні принципи. Як відповідальний виконавець автор приймав безпосередню участь в постановці досліджень, виборі методів, проведенні лабораторних, полігоних і шахтних експериментів, натурних вимірів, розробці, випробу-ванні і впроваджені технічних засобів і технологій. За його участю розроб-лена математична модель процесу тепломасопереносу на виймальних дільни-цях глибоких шахт і виконано комплекс теоретичних досліджень процесу зниження температури шахтного повітря під впливом охолодженого закла-дального матеріалу. Зміст дисертації викладено автором особисто.

.Апробацiя результатiв дисертацii. Основнi положення дисерта-цiї та iї окремi роздiли докладалися i обговорювалися на Республiканськiй науково-технiчнiй конференцiї “Проблеми пневмотранспорту” (Севастополь, 1989 р.), Всесоюзному науково-технiчному семинарi “Проблеми гiрського тиску на великих глибинах при веденнi пiдземних i вiдкритих робiт” (Кривий Рiг, 1990 р.), Всесоюзнiй конференцiї “Ефективнi технологiї, способи i засоби, що забезпечують сучаснi екологiчнi вимоги при розробцi родовищ корисних копалин” (Москва, 1990 р.), 13-му Мiжнародному семинарi з оцiнки i охорони навколишнього середовища (Абердин, Великобританiя, 1992 р.), Мiжнарод-ному симпозiумi з проблем прикладної геологiї, гiрської науки i виробництва (Санкт-Петербург, 1993 р.), 10-й Мiжнароднiй конференцiї з механiки гiр-ських порiд (Москва, 1993 р.), Галузевiй науково-технiчнiй конференцiї “Прогресивнi рiшення з проблем крiплення i пiдтримки гiрничих виробок” (Павлоград, 1995 р.), Мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї “Екологiчнi аспекти забруднення навколишнього середовища” (Київ, 1996 р.), 1-й Мiжнароднiй конференцiї “Проблеми створення екологiчно чистих i ре-сурсозберiгаючих технологiй видобутку корисних копалин i переробки вiдхо-дiв гiрничого виробництва” (Тула, 1996 р.), Мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї “ХХI сторiччя - проблеми i перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Днiпропетровськ,1998 р.).

Публiкацii. Основний змiст дисертацii опублiковано в 42 друкова-них роботах, з яких 23 - у наукових фахових виданнях. З числа останнiх - 13 одноосiбних робiт. Результати розробок захищенi 5 патентами України

Структура i обсяг роботи. Дисертацiя складасться iз вступу, шести роздiлiв, висновкiв, списку лiтератури iз 169 найменувань; мiстить 343 сторiнки машинописного тексту, з яких 61 таблиця i 46 малюнкiв, а також 16 додаткiв.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Виконанi дослiдження по розробцi наукових основ створення нетради-цiйного способу охолодження повiтря i закладки виробленого простору гли-боких шахт дозволили сформулювати основнi науковi положення:

1. При вiдведенні тепла вiд поверхнi брикету температура по його полю розподiляється нелінійно з пониженням вiд центру на периферiю до досягнення температури замерзання води, пiсля чого межа промерзання починає рухатися вiд периферiї до центру, досягаючи температури холодо-агенту. При пiдведеннi тепла температура периферiйної частини збiльшується до нульовоi позначки, а крива змiни температури по полю брикета має злом на межi таяння, який перемiщується до центру кулi-брикета.

2. Процес теплообмiну в виробках при закладаннi їх охолодженою породою носить нестацiонарний характер i обумовлений температурою вмi-щуючих порiд, початковою температурою брикетiв, інтенсивністю фазового переходу вологи, що міститься у брикетах, а також рiзницею площини кон-такту повiтря з охолодженим закладальним i породним масивом.

3. Ефективна технологія розробки вугільних пластів на великих глиби-нах забезпечується сполученням в єдиному технологічному ланцюгу процесів закладки виробленого простору і охолодження шахтної атмосфери шляхом використання порід, що утилізуються, в якості закладального матеріалу і хо-лодоносія одночасно.

4. Частота зведення закладальних смуг визначається величиною гра-ничного прогону порід покрівлі і шириною смуг, які зводяться перпендику-лярно лінії очисного вибою з випередженням на два кроки пересування кріплення масиву охолодженої породи, який розміщується між смугами у виробленому просторі.

5. Кількість охолодженої породи, яка подається до виробленого просто-ру, диференційовано змінюється по довжині лави зі зменшенням в напрямку руху повітряного струму у відповідності з температурним градієнтом в місцях зведення закладальних смуг.

Оцiнкою стану гiрничого виробництва з точки зору наяв-ностi вiдходiв, досвiду їх утилiзацiї i нормалiзацiї температури повiтря глибоких шахт доведено, що утворення пiдземних порожнин в процесi видобутку вугiлля i акумулювання наявної кiлькостi гiрничопромис-лових вiдходiв є екологiчно значущим фактором i являє собою одну з причин негативних наслiдкiв техногенно-екологiчного характеру у вугледобувних ре-гiонах. Динамiка змiнення абсолютних i вiдносних обсягiв твердих вiдходiв гiрничопромислового виробництва за останнi 20 рокiв свiдчить про те, що при будь-якому рiвнi споживання вугiля супутнє утворення твердих вiдходiв буде досить значним i очiкується близько 600-800 т на кожнi 1000 т видобутку вугiлля. В звязку з цим ситуацiя вугледобувних регiонiв потребує прийняття заходiв щодо зменшення обсягiв накопичення твердих вiдходiв на денній поверхнi, для чого потрiбен комплекс рiшень, спрямованих на бiльш маштабне застосування i якiсне змiнення способiв закладання виробленого простору. Досвiд використання iснуючих для цього технологій наявно iлю-струє ствердження про те, що на основi закладальних робiт можуть бути створенi передумови для вирiшення цiлого комплексу iнженерно-технiчних задач, якi охоплюють широкий спектр технiко-технологiчних проблем гiрни-чого виробництва

Подальший розвиток видобутку вугiлля в Донецькому басейнi здiйснюється здебiльше за рахунок освоєння великих глибин. Аналiз динамiки змiнення середньої глибини шахт за останнi 20 рокiв показує, що глибина розробки збiльшилася на 63 %, а число шахт з глибиною бiльш 800 м майже подвоїлося. Сьогодня близько 55 % шахт ведуть гiрничі роботи на глибинах близько 1000 м, а до 2005 року майже 25 % шахт перейдуть на глибини бiльше 1100 м. По мiрi збiльшення глибини розробки пiдвищується темпера-тура умiщуючих порiд i, як наслiдок, шахтноi атмосфери. На дiючих горизонтах цi показники сягають 45-50 0С i мають тенденцiю до подальшого росту. Незважаючи на постiйне збiльшення холодильних потужностей шахтних кондицiонерiв i повязанi з цим матерiальнi, енергетичнi i трудовi витрати, температура повiтря в глибоких шахтах наближається до встанов-леної ЄПБ i санiтарними нормами межi, а в рядi випадкiв перебiльшує iї. Дослiдженнями вiтчизняних i iноземних вчених доведено, що iснує граничне значення глибини розробки i вiдповiдної їй температури умiщуючих порiд, за межами якої традицiйнi способи кондицiювання повiтря стають не тiльки економiчно недоцiльними, а й технiчно неспроможними. Свiтовий досвiд експлуатацiї глибоких шахт свiдчить про необхiднiсть застосування в таких випадках нетрадицiйних способiв охолодження повiтря. У вiтчизнянiй прак-тицi вуглевидобутку нетрадицiйнi способи нормалiзацiї клiматичних умов, незважаючи на визрiвшу необхiднiсть їх використання, до теперiшнього часу не застосовувалися. Вiдсутнi також науково обгрунтованi методи прогнозу тепловологiсних параметрiв повiтря на виймальних дiльницях глибоких шахт при використаннi нетрадицiйних способiв зменшення температури шахтного повiтря.

Дослiдженнями даної дисертацiйної роботи доведена можливiсть ком-плексного нетрадицiйного вирiшення зазначеної проблеми шляхом обєднан-ня в єдиному технологiчному ланцюгу процесiв охолодження повiтря i зак-ладання виробленого простору глибоких шахт за рахунок використання охо-лодженої породи в якостi закладального матерiалу i холодоносiя одночасно.

Обгрунтування принципiв i розробка способiв брикето-ваної доставки охолодженого закладального матерiалу базується на використаннi сутностi процесу брикетування, який полягає в деформуваннi деякого обсягу сипкого матерiалу стисненням. При цьому вiдбувається змен-шення початкового обсягу матерiалу при збiльшеннi щiльностi i формування його в брикети потрiбної форми. Найбiльш iнтенсивне ущiльнення вiдбува-ється на початку процесу брикетування i обумовлене перерозподiлом часток матерiалу i їх бiльш щiльним упакуванням пiд впливом зовнiшнiх сил. Ущiль-нення на цiй стадiї повязано з руйнуванням так званих “арок” i здiйснюється за рахунок вiльного пересування часток матерiалу вiдносно одна одної. Подальше ущiльнення вiдбувається за рахунок деформацiї i дроблення часток та їх перемiщення всерединi брикету. Iстотний вплив на характер розподiлу густини сипкого матерiалу має схема пресування. Двобiчне пресування дозво-ляє отримати бiльш рiвномiрний по гущiнi брикет порiвняно з однобiчним.

Процес заморожування брикета, а також його розмерзання з фазовим переходом криги у воду є несталим. Тому розподiл температурних полiв всерединi брикета розглядається як задача нестацiонарної теплопровiдностi з внутрiшнiм джерелом тепла. При вивченнi процесу заморожування брикета з точки зору розподiлу температурних полiв встановлено, що в початковий момент температура брикету по всьому обсягу рiвномiрна i дорiвнює температурi навколишнього середовища. В подальшому при вiдводi тепла вiд поверхнi кулi температура розподiляється нелінійно, понижуючись вiд центру на периферiю до досягнення температури замерзання води. Починаючи з цього моменту характер розподiлу температури принципово змiнюється. Межа промерзання перемiщується вiд периферiї до центру i куля-брикет являє собою двошарове тiло з рухомою межою мiж шарами. Процес продов-жується до моменту досягнення температури у центрi брикету значень замер-зання, а при подальшому охолодженi - температури холодоагента. У випадку припинення процесу заморожування на якомусь з етапiв настає вирiвнювання температури по усьому полю брикета. Аналогiчно вiдбувається процесс роз-морожування брикету. При пiдведеннi тепла температура пiдвищується по периферiї до досягнення нульової позначки. У цей час брикет також являє собою двошарову кулю, всерединi якоi знаходиться мерзлий матерiал, а зовнi оболонка iз талого шару.

Опираючись на одержані результати розроблено спосіб брикетованої доставки охолодженого закладального матеріалу, який полягає в безпереван-тажному транспортуванні породних брикетів у вигляді куль стиснутим повіт-рям по транспортному трубопроводу до місця зведення закладального масиву.

Експериментальнi дослiдження пневмотранспортування куль-брикетiв проводили в умовах дослiдно-експериментального полiгону IГТМ НАН Укра-їни на повнорозмiрних стендах брикетувального обладнання та обкатки куль. Стенд брикетувального обладнання являє собою вертикальний гiдравлiчний прес зi сферичною робочою поверхнею. Верхня i нижня матрицi мають все-рединi кiльцевi канали, в яких циркулює рiдкий азот. Стенд обкатки куль виконано у виглядi замкненого горизонтального трубопроводу з двома пря-молiнiйними ланками довжиною по 8 м i двома скривленими радiусом 2,5 м. Загальна довжина трубопроводу складає 30 м, внутрiшнiй дiаметр труб - 320 мм. Стиснене повiтря подається за допомогою сопла вiд компресора 6ВКМ-25/8 через ресивер мiсткiстю 10 м3. Дослiдження проводили на вiдкритiй площадцi в сонячну погоду при температурi навколишнього середовища вiд 13,4 0С до 19,6 0С i швидкостi вiтру 5-7 м/с. Брикети виготовляли iз пiску, гранвiдсiву i глинистого сланцю, для чого попередньо перемiшаний з водою сипкий матерiал подавався до матрицi брикетувального обладнання, де шля-хом пресування iз нього формували брикет у виглядi кулi, а потiм заморо-жували. Середньообємну температуру брикетiв доводили до - 5 0С, - 10 0С, -15 0С i - 20 0С. Пiсля закiнчення процесу заморожування брикет виймали iз матрицi i через вантажне вiкно подавали до пневмотранспортного трубопро-воду, куди розпочинали подачу стисненого повiтря. Брикет пiд дiєю стис-неного повiтря рухався шляхом кочення. Пiсля надання брикету сталого пос-тупального руху по замкненому циклу вимiряли довготривалiсть, швидкiсть руху і пройдений шлях, а також вiзуально оцiнювали стан брикетiв.

Результати вимірів свідчать про те, що найбільша тривалість транс-портування складає 72 хвилини для брикетів із піску при початковій темпера-турі - 20 0С. Шлях, пройдений при цьому, змінювався від 4,3 км при швидко-сті руху 1 м/с до 86 км при швидкості 20 м/с. Найменший час руху зафіксовано для брикетів із глинистого сланцю при початковій температурі - 5 0С, швидкості руху 20 м/с і пройденому шляху 14,4 км.

По представницькiй вибiрцi групи шахт Донбасу встановлено, що максимальна відстань транспортування брикетів дорівнює 9-11 км, а з ураху-ванням 20 % збiльшення вiдстанi внаслiдок викривлення траси ця величина складає 13,2 км. З результатів полігоних досліджень видно, що швидкiсть руху брикетiв 10 м/с дозволяє сягти заданої вiдстанi при всiх диапазонах початкової температури брикетiв. Таким чином, технологiчна швидкiсть руху брикетiв повинна дорiвнювати 10 м/с, а час, потрiбний для збереження ними необхiдної для транспортування мiцностi, має становити не менш 23 хвилин. Це дозволить користуватися при транспортуваннi брикетами з широким диапазоном початкової температури: вiд - 5 0С i нижче.

Слiд вiдзначити, що при транспортуваннi кульова форма брикетiв доз-воляє їм без зайвих труднощiв долати криволiнiйнi дiлянки трубопроводу i використовувати на похилих вiдрiзках траси в якостi додаткового рушія скла-дову частину гравітаційних сил. При цьому досягається висока економічність способу транспортування, так як сбрикетований у вигляді куль матеріал руха-ється під дією стиснутого повітря способом кочення, коли опір руху істотно нижче ніж при терті, і не потрібна додаткова енергія для підтримки часток сипкого матеріалу у зваженому стані. Питомі витрати на транспортування у цьому випадку зменшуються порівняно з існуючими способами доставки приблизно на два порядки і при проведених експериментах сягали 0,1 кВт годину/т км. Підвищується продуктивність системи, тому що гущина мате-ріалу в брикеті набагато більша, ніж у зваженому стані, а також дальність доставки, так як при транспортуванні брикетів не відбувається осадження матеріалу в трубопроводі.

Для встановлення закономірностей процесів тепломасообміну між шахтним повітрям, вуглепородним середовищем і закла-дальним масивом було проведено шахтний експеримент. З цією метою були виготовлені брикети діаметром 300 мм із шахтної породи масою 30,0 кг кожен. При формуванні брикетів в них закладалися пустотілі стержені з виходом до центральної і периферійної частин брикету для вводу термомет-рів. Після заморожування брикету ці стержені виймалися з нього. Для термо-ізоляції брикетів під час транспортування до шахти були виготовлені спеці-альні термоконтейнери із пінополістиролу марки ПСВС методом термопаро-вої штамповки в жорсткій матриці з розрахунку один контейнер на два брикети У кожному контейнері передбачалися місця для брикетів, відділені одне від одного перетинкою з того-ж матеріалу мінімальною товщиною 80 мм. Середня товщина стінок термоконтейнеру складала 120 мм. Зєднання між верхньою і нижньою частинами контейнеру мало додаткову термоізоляцію у вигляді стекловолоконого заповнювача. Початкова темпера-тура брикетів при завантажені їх в термоконтейнери була вирівняна по всьому тілу брикета і становила - 20 0С. Термоконтейнери з брикетами були доставлені автотранспортом на шахту ім. Стаханова ДХК "Красноармійськ-вугілля" і опущені на робочий горизонт. З моменту пакування брикетів до їх вилучення пройшло 64 години, поза якими температура брикетів становила - 18 0С. Спостереження проводили в сбійці між повітряподавальним і кон-вейерним квершлагом пласта k5 блока 4 горизонту 825 м, яка має перетин 10,5 м2, довжину 40 м і закріплена металевим арочним кріпленням з залізобетоною затяжкою. Брикети, які вилучали з термоконтейнерів, розташовували на підошві виробки у одношаровому варіанті щільно один до одного. По трьом з брикетів термометрами метеорологічними типу ТМ-6 з діапазоном виміру від - 30 0С до + 50 0С і з ціною поділки 0,2 0С вимірювали температуру в центральній і периферійній частині брикету, а також на його поверхні. Температура навколо охолодженого масиву реєструвалася за допомогою термометрів ртутних лабораторних ТУ 25-2021.003-88 з діапазо-ном виміру 0-55 0С і ціною поділки 0,1 0С. Для підвищення точності виміру в кожній точці на відстані 10 см один від одного встановлювали два термо-метри і за кінцевий результат приймали середнє по замірам на кожному з них. Максимальне зниження температури повітря на 5 0С зафіксовано на відстані 0,5 м від границь охолодженого масиву. На відстані 4,0 м від джерела холоду температура повітря понизилась на 1,5 0С. Найбільш інтенсивне зменшення температури відмічено через 5-7 годин перебування брикетів у виробленому просторі. За цей час їх температура піднялася з - 18 0С до - 8,4 0С на поверхні і до - 16 0С у центральній частині. Практично без кількісних змін процес продовжувався наступні 3 години, після чого температура повітря почала поступово підвищуватися, сягнув фонових значень через 38 годин після початку експерименту.

Для визначення теплового режиму виймальних дільниць з закладкою охолодженим матеріалом потрібна розробка моделі прогнозу тепловологісних параметрів повітря в очисних виробках. Збір вихідних даних для розробки такої моделі здійснювали виходячи з того, що процес тепломасообміну в вен-тиляційних виробках виймальних дільниць з брикетованою закладкою відбуватиметься аналогічно процесам тепломасообміну в гірничих виробках на виймальних дільницях зі стовбовою системою розробки, а охолоджений закладальний масив позитивно впливатиме на зменшення температури повіт-ря. З цією метою було проведено комплекс шахтних вимірів і спостережень у повітроподавальних і вентиляційних виробках виймальних дільниць зі стовбовою системою розробки в широкому діапазоні гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов. В масиві зібраних експериментальних даних темпера-тура уміщуючих порід змінювалася у межах 25-43 0С, переріз виробок у світлі мінявся від 5,0 до 14,0 м2, потужність пласта - від 1,0 до 2,5 м, навантаження на очисний вибій становило 350-1400 т/добу, довжина лав - 130-240 м, кількість повітря 8,0 - 30,0 м3/сек. В процесі експерименту вимірювалися тепловологісні параметри повітря у характерних пунктах на усьому шляху вентиляційного струменя, реєструвалися всі технологічні процеси, які виконувалися в робочих зонах, довготривалість роботи комбайнів і іншого обладнання. Схема пунктів вимірів і спостережень показана на рис. 1

.

Pис.1-Схема розташування пунктів виміру тепловологісних

параметрів і витрат повітря на виймальних дільницях

Вплив виробленого простору ураховувався визначенням кількості витіку і притоку повітря по довжині лави, а також вимірами температури і відносної вологості притечок повітря з боку виробленого простору. Результати дослід-жень свідчать про те, що основна частка тепла на виймальних дільницях сприймається повітрям у прихованому вигляді за рахунок випаровування вологи. Доля прихованого тепла складає 60-80 % у сумарному приросту ентальпії. У повітроподавальних виробках кількість явного тепла, яке сприймається повітрям, істотно залежить від параметрів повітря на вході до виробки. Частка тепловиділень виробленого простору в загальному теплово-му балансі очисних виробок сягає 50 %.

При цьому тепловиділення у виробках виймальних дільниць щільно корилюють між собою. Так, для повітроподавальних виробок регресивне рівняння має вигляд:

W = 0,270 10-3 g - 0,210 10-3 (1)

g = ; W = ;

де Q, W - відповідно повні теплові і масові потоки від гірського масиву і інших джерел до виробки, L - довжина виробки.

Коефіцієнт кореляції рівняння (1) становить Кr = 0,95, помилка апроксімації дослідних даних = 11 %.

Для вентиляційних виробок таке рівняння має вигляд:

W = 0,326 10-3g - 0,04 10-3 при Кr = 0,97 і = 10 % (2)

Регресійне рівняння, що характеризує залежність тепло- і вологовиді-лень у лавах, представлено у вигляді:

W = 0,346 10-3g - 0,520 10-3 при Кr = 0,96, = 12 % (3)

В якості вихідного рівняння для визначення теплових потоків викорис-тували залежність виду:

Q = ki. tS - t F, (4)

де tS - температура порід, t - температура повітря, F - площа поверхні виробки. Рівняння для визначення ki.одержано у вигляді залежності:

Kui = = Ai Rеmi Wni (5)

де Re = 2 R0 / - число Рейнольдса; W = Wпр R0 / a - показник, ураховуючий швидкість посування лави; - середня швидкість повітря в лаві; - коефіцієнт молекулярної вязкості, а, - коефіцієнт температуропро-відності і теплопровідності відповідно.

Коефіцієнт кореляції рівняння (5) становить 0,75, помилка апрок-сімації вихідних даних 17 %.

Моделювання процесу тепломасообміну між шахтним повітрям, умі-щуючими породами і закладальним масивом здійснювали з урахуванням особливостей формування тепловологісних параметрів повітря у гірничих виробках. Для прогнозу вологісного стану повітря використано рівняння масового балансу, яке для елементарної ділянки виробки dy має вигляд:

. (6)

де V - обємні витрати повітря у виробці; U - периметр виробки; y - повздовшна координата; n - абсолютна вологість повітря; Н(t) - абсолютна вологість насиченого повітря при температурі t; - коефіцієнт масовіддачі; tст- температура стінки гірничої виробки.

Враховуючи певний диапазон зміни температури повітря у гірничій виробці залежність (6) приведемо до виду:

, (7)

де , , , а - атмосферний тиск на відповідній глибині, - коефіцієнт молекулярної дифузії; - парці-альний тиск водяного пару; - парціальний тиск водяного пару на стінці виробки, - число Шмидта; - число Рейнольдса.

Рішення рівняння (7) потребує задання функції массообміного числа Нуссельта , яку визначимо рівнянням:

. (8)

Після перетворень і при початкових умовах = 0 та = 0 рівняння (7) має вигляд:

(9)

де .

Шляхом обробки експериментальних даних встановлено, що для гірни-чих виробок виймальної дільниці в рівнянні (8) степеневі показники дорів-нюють m = 0,8, = - 0,5, при цьому значення коефіцієнту А залежить від аеродинамічних особливостей виробок і гірничо-геологічних умов виймаль-них дільниць. Коливання зміни коефіцієнту А знаходяться в межах:

·

·

·

Користуючись рівняннями теплового балансу:

. (10)

і масового балансу:

, (11)

де i,x -відповідно ентальпія і вологоутримання повітря, з урахуванням залежностей (1)-(5) після перетворень маємо рівняння для визначення температури повітря у вигляді:

; (12)

; ,

де - температура повітря на вході до виробки при , ср - тепломіст-кість повітря.

Користуючись зазначеним підходом визначені температурні парамет-ри брикетованої закладки виробленого простору, які забезпечують необхідне зменшення температури повітря на виймальних дільницях. Встановлено, що охолоджуючий вплив брикетованого закладального масиву на вентиляційний струм складає: при різниці між температурою гірських порід і початковою температурою закладального матеріалу 35 0С - 250-300 кВт; при різниці 25 0С - 200-250 кВт і при різниці 15 0С - 150-200 кВт. Закладання виробленого простору охолодженими до температури - 10 0С брикетами дозволяє змен-шити температуру повітря на виході з лави в середньому на 8,4 0С при коливанні значень зменшення температури в межах 5,4 - 13,4 0С.

Аналіз розробленої математичної моделі шляхом порівняння експери-ментальних і розрахункових даних показав задовільну точність прогнозу. Середня похибка визначення температури повітря складала 0,7-1,0 0С, воло-гоутримання 0,8-1,1 г/кг.Результати перевірки свідчать про можливість використання запропонованої моделі для прогнозу температурних умов в очисних виробках виймальних дільниць.

На базі аналізу холодопотреби 16 шахт 6 виробничих обєднань Дон-басу визначена область застосування брикетованої закладки виробленого простору охолодженими матеріалами. Встановлено, що введення до виробле-ного простору 43 % охолодженої породи від загального її обсягу, який закладається за лавами найбільш несприятливих у тепловому відношенні шахт, дає змогу повністю задовольнити їх потребу у холоді для нормалізації температурних умов.

Принципова схема технології закладання виробленого простору охолодженим брикетованим матеріалом показана на рис.2.

Технологічна лінія для ії реалізації містить в собі:

1. комплекс обладнання для підготовки закладального матеріалу;

2. комплекс обладнання для формування брикетів у вигляді куль;

3. комплекс обладнання для транспортування брикетів і вводу їх до виробленого простору.

Перший складається з дробарки, приймального пристрою і дозатора, другий - з брикетуючого пристрою і акумулююче-заморожуючого вузла,

Рис.2. - Принципова схема технології закладання виробленого

простору охолодженим брикетованим матеріалом

третій - пристрою вводу брикетів, пневмотранспортного трубопроводу і прий-мально-спрямовуючого пристрою.

Технічні вимоги до обладнання і його показники призначення визначені «Технічним завданням на комплекс обладнання для формування

охолоджених брикетів із закладального матеріалу», яке розроблене по результатам дисертаційної роботи і затверджене на галузевому рівні.

Подача охолоджених брикетів до виробленого простору здійснюється по магістральному трубопроводу без проміжних перевантажних пунктів. Інтервал вводу брикетів до пневмотранспортного трубопроводу визначається в залежності від заданої продуктивності системи.

Аналізом можливих вантажопотоків визначена доцільність підземного розташування пунктів підготовки і охолодження брикетів. Порода у цьому випадку подається по вентиляційному стовбуру з розватаженням скипів у приймальний бункер, зєднаний з акумулюючим бункером ємністю приблизно на один зміний запас. З акумулюючого бункеру порода поступає на пункт підготовки, де зєднується з потоком породи від внутрішахтових джерел, очищується від металу та інших сторонніх речей, подрібнюється і подається до брикетувального пристрою, який працює у замкненому циклі з викорис-танням бромисто-літієвих сумішей в якості холодоагенту. Зформовані брике-ти поступають у доморожуючий пристрій, а звідти через завантажувальне обладнання вводяться до магістрального трубопроводу, по якому транспор-туються до лав, що закладаються. Поскільки лави можуть бути розташовані на різних крилах шахтного поля, у приствольному дворі встановлено прис-трій розподілу потоків брикетів по трубопроводам різних лав, закладання яких здійснюється за графіком. Для забезпечення надійності роботи закладального господарства монтуються два однакових брикетуючих і доморожуючих пристрої - по одному на кожне крило, і один резервний комплекс.

Закладка виробленого простору брикетованим матеріалом при полого-му падінні здійснюється наступним чином: комбайн рухається від вентиляцій-ного штрека (хідника) до конвейєрного, вугілля завантажується на вибійний конвейєр, який після проходу комбайну переміщується до вибою без перемі-щення механізованого кріплення. Другий прохід комбайна здійснюється від конвейєрного штрека (хідника) до вентиляційного і суміщується з закладанням виробленого простору у такій послідовності: відхід комбайну приблизно на одну секцію закладального трубопроводу, закладка вироб-леного простору охолодженими брикетами, пересування на довжину другої секції. По мірі заповнення виробленого простору секції кріплення, розта-шовані проти останньої секції закладального трубопроводу, переміщуються до вибою на відстань, що дорівнює ширині двох смуг проходу комбайна, а сама секція відокремлюється від трубопроводного ставу і разом з кріп-леннням подається до вибою. Закладання продовжується із наступної труби під чергові секції кріплення і так далі до вентиляційного штрека (хідника). Після закладки всієї смуги комбайн починає рухатись від вентиляційного штрека (хідника) до конвейєрного вже без закладання і цикл повторюється. Таким чином, один прохід комбайну здійснюється без закладання, другий з закладанням. За добу в середньому відбувається чотирі проходи комбайну і два цикла закладки у кожній лаві.

При відпрацюванні крутих пластів технологія закладальних робіт з ви-користанням куль-брикетів істотно спрощується, так як у цьому випадку не треба технологічно повязувати процеси видобутку вугілля і закладки вироб-леного простору. Закладальний трубопровод на вентиляційному штреку за-вершується пристроєм гашення швидкості брикетів і відбивачем для їх спрямування до виробленого простору.

Враховуючи високу енергоємність процесу брикетування охолодженої породи і керуючись принципом достатньості по умовам охолодження шахтно-го повітря доведено, що решта закладального матеріалу може подаватися до виробленого простору у неохолодженому вигляді. Таким чином, 57 % вироб-леного простору очисних вибоїв підлягають заповненню закладальним матеріалом з пустих порід як з метою підтримки покрівлі і зменшення просідання земної поверхні, так і з метою утилізації пустих порід, які є побічним продуктом видобутку вугілля.

Для доставки сипкого закладального матеріалу в ІГТМ НАН України розроблено принципово новий тип закладальної машини з примусовим розго-ном матеріалу в зоні завантаження. - вібраційно-пневматична машина цикліч-ної дії (ВПМД). Порівняльним аналізом техніко-економічних показників закладальних машин доведено, що при рівній продуктивності ВПМД потребує менших витрат стиснутого повітря і дозволяє знизити питомі енерговитрати на 6-12 %. Приведені енерговитрати внаслідок збільшення відстані транспортування зменшуються в 2,7 рази. Технічна можливість доставки закладального матеріалу на відстань до 2,5 км дає змогу викорис-товувати ВПМД по одноланковій схемі.Таким чином факторами, що відо-бражають ефективність використання ВПМД в інфраструктурі закладального господарства вугільних шахт є зменшення питомих і приведених енерго-витрат на транспортування порід, а також можливість здійснення їх безпере-вантажної доставки в межах виймальних дільниць. Останнє дозволяє вилу-чити із вартості закладальних робіт витрати на будівництво перевантажних пунктів, монтаж, амортизацію і експлуатацію інших видів транспорту на проміжних ланках доставки закладального матеріалу.

Технологія ведення закладальних робіт з використанням вібраційно-пневматичної машини ВПМД для доставки сипкого закладального матеріалу розроблена окремо для умов пологого і крутого залягання пластів. Так як шахти з крутим заляганням пластів мають практично однакову підготовку виймальних полів, відміна технологічних схем застосування ВПМД полягає в використанні відповідних видів кріплення і технології зведення закладаль-ного масиву. Таких схем виділено три:

·

·

·

У роботі наведені вихідні дані і розрахункові показники, а також вибіркові характеристики кожної з зазначених технологічних схем з ураху-ванням особливостей використання ВПМД для доставки сипкого закла-дального матеріалу. При цьому окремо виділені показники технології ведення робіт на пластах, небезпечних по раптовим викидам вугілля і газу, і по безпечним за цих умов.

Технологічні схеми закладання виробленого простору пологих пластів розглянуті для випадків використанням ВПМД в очисних вибоях, обладнаних спеціальним закладальним кріпленням КДЗ-90, КМ-87, індивідуальним кріп-ленням. За цих умов технологія ведення закладальних робіт є такою: порода від проведення виробок або з поданим у шахту закладальним матеріалом вивозиться до магістрального вентиляційного штреку і розвантажується у яму з прокачкою породи конвейєром вздовж котловану. Місткість останнього розрахована на повне розвантаження усього составу. Порожній состав виводиться на основну гілку і спрямовується до місця завантаження. Порода, яка знаходиться у розвантажувальній ямі скребковим конвейєром подається до перевантажувального пункту, де за допомогою магнітного відокремлювача передбачена вибірка металевих речей; звідти вона потрапляє до дробарки ДО-1, після якої подається у завантажувальний відділ закладальної машини ВПМД і по закладальному трубопроводу без перевантажень потрапляє до очисного вибою. В залежності від типу пневмозакладального трубопроводу в лаві можуть бути використані два варіанти технології