2. Тепловой режим и тепловой баланс шахт и рудников.

Изучение теплового режима шахт Донецкого и Криворожского бассейнов длительное время проводят Институт теплоэнергетики АН Украины, МакНИИ, ДонНТУ, НГУ и другие организации.

Под тепловым режимом шахты понимают метеорологическое состояние горных выработок, сложившееся в результате протекания в них тепло- и массообменных процессов.

Тепловой режим шахт и рудников не остается постоянным, причины изменения его подразделяются на внешние и внутренние.

К внешним относятся климатические условия, типичные для рассматриваемого района, имеющие определенный суточный и годовой ход.

Внутренние причины зависят от глубины залегания горных пород, их физико-химических свойств, технологии ведения горных работ, наличия работающих механизмов и людей.

Изучение теплового режима подземных горных выработок имеет большое значение с точки зрения создания надлежащих санитарно-гигиенических условий труда и безопасной эксплуатации горных выработок, оборудования и т.д.

Колебания климатических параметров воздуха (температуры, влажности, скорости и барометрического давления) могут вызвать обмерзания шахтных стволов и штолен; рабочих и резервных каналов вентиляторов; разрушение вентиляционных сооружений и предохранительных целиков; рельсового полотна (например, в соляных рудниках); обвалы и пучение стенок горных выработок в многолетнемерзлых породах).

Измерения параметров воздуха и других факторов, влияющих на тепловой режим, проводились от поверхности до рабочих забоев, по длине лавы и от лавы до вентиляционного околоствольного двора в одних и тех же пунктах в различные времена года и время суток. Изучение параметров рудничного воздуха в течение суток и тепловых условий в шахтах в летний и зимний периоды позволяют сделать ряд выводов по вопрсам регулирования тепловых условий в глубоких выработках. Значительные суточные колебания всех параметров воздуха на поверхности почти полность выравниваются в околоствольных дворах и практически не сказываются на параметрах воздуха перед лавами. Это объясняется его увлажнением и теплообменом с горными породами. В зимний период температуры воздуха в начале лав меньше, чем в летний период на 3-5С. В конце лав в зимний период температуры воздуха меньше, чем в летний период на 1-3С. При этом такое небольшое снижение температур в лавах в зимний период имеет место при минимально возможном охлаждении воздуха на поверхности, так как зимой воздух в шахту подается с температурой 1-2С. Естественно, что на больших глубинах снижение температур в лавах зимой будет еще менее заметным [7].

3. Тепловой режим и тепловой баланс

Атмосферный воздух на поверхности и поступающий в горные выработки шахт меняет свои климатические параметры – температуру и влажность.

Изменение температуры воздуха tв на поверхности определяется климатическими особенностями района месторождения и приближенно описывается уравнением

tв = t0 + (tmax – t0 ) cos ωτ, (4)

где t0 и tmax среднегодовая и максимальная температуры воздуха в районе по метеорологическим данным; ω = 2π/Т – частота температурных коебаний; Т – период температурной волны, т.е. когда tв = tmax.

Воздух, поступающий в шахту зимой, охлаждает стенки воздухоподающих выработок, а сам нагревается, летом, наоборот, - воздух охлаждается, а стенки выработок нагреваются. Теплообмен наиболее интенсивно происходит в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре горных пород. Слой породы, температура которого меняется в течение года, называется тепловыравнивающей рубашкой или оболочкой.

Протяженность тепловыравнивающей оболочки зависит от количества и скорости движения воздуха, размеров выработок и теплофизических параметров горных пород. При небольшом количестве воздуха затухание амплитудыы колебаний наступает на небольшом расстоянии от околоствольного двора, при большом – амплитуда не затухает даже в очистных выработках.

В очистных и подготовительных выработках температура воздуха, как правило, несколько выше температуры пород; в выработках вентиляционного горизонта и в вентиляционных стволах она остается практически постоянной в течение года [1,7].

Относительная влажность воздуха в воздухоподающих выработках завмсит от обводненности пород и влажности атмосферного воздуха. При более или менее сильном капеже в стволах и штольнях воздух быстро увлажняется, и относительная влажность становится близкой 90 – 95%. Если горные выработки пройдены по сухим породам или закреплены водонепроницаемой крепью, то относительная влажность рудничного воздуха полностью определяется влажностью атмосферного воздуха и температурными условиями в шахте или руднике.

Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара он может содержать. Воздух, содержащий предельное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным.

Влагосодержание воздуха d (U) (в г/кг) определяется из выражения

φ Р н. п

d = 622 ------------- , (5)

В – φРн. п

где φ – относительная влажность воздуха, %; Р н. п - давление насыщающих водух водяных паров, Па; В – нормальное атмосферное давление (В = 101325 Па).

При понижении температуры воздуха и неизменном его влагосодержании относительная влажность воздуха повышается, при повышении температуры воздуха, наоборот, понижается. В летнее время влагосодержание атмосферного ввоздуха довольно высокое, а при охлаждении его в горных выработках избыток влаги конденсируется на стенках выработок. В этом случае относительная влажность может достигать 100%, а в выработках шахт или рудников накапливаться значительное количество воды.

В зимнее время влагосодержание атмосферного воздуха, как правило, невелико и поэтому происходит чаще всего обратный процесс – осушение горных выработок.

Значительная сухость воздуха обуславливает его более высокую охлаждающую способность, что облегчает создание нормальных климатических условий в горных выработках.

Основным фактором, влияющим на изменение температуры воздуха в шахтах, является тепло- и массообмен с горными породами. Установлено, что температура горных пород с увеличением глубины возрастает.

К другим факторам, влияющим на изменение температуры рудничного воздуха, относятся следующие.

1. Естественное сжатие воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам, а также разрежение его при подъеме по этим выработкам. Ориентировочно можно считать, что при опускании на 100 м сухой воздух нагревается на 1С, а при подъеме на 100 м охлаждается примерно на ту же величину.

2. Окисление полезного ископаемого, горных пород и материалов крепи; окисление угля, сульфидных руд, дерева можетпроисходить при сравнительно низких температурах (10-15С), причем скорость окисления определяется притоком кислорода и возрастает с увеличением последнего. Измельченное полезное ископаемое окисляется быстрее неизмельченного, так как поверхность контакта его с кислородом в этом случае увеличивается. Одним из факторов, влияющих на окислительные процессы полезного ископаемого, является наличие пирита в угле и в сульфидных рудах. Гниение крепежного леса обусловлено тем, что дерево содержит вещества, склонные к окислению, которое легко происходит в присутствии воды. Кроме того, дерево поражает микроорганизмы, причем жизнедеятельность их также связана с выделением тепла.

3. Процессы массообмена между воздухом и водой. Повышение влагосодержания воздуха в шахтах и рудниках может происходить адиабатически и неадиабатически. В первом случае тепло, расходуемое на испарение, отбирается только от воздуха, во втором случае также и от шахтной воды, если температура ее выше температуры воздуха.

4. Охлаждение горной массы при транспортировании ее по горным выработкам. Степень нагревания воздуха в этом случае зависит от способа транспортирования горной массы и от направления грузопотока по отношению к вентиляционной струе. Так, теплоотдача при транспортировании горной массы в вагонах меньше, чем конвейером. При движении грузопотока навстречу свежей струе теплоотдача его увеличивается.

5. Тепловыделения при работе машин и механизмов. Трение частей рабочих механизмов, работа электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания сопровождается выделением тепла. Особенно заметно повышение температуры по этой причине в тупиковых подготовительных выработках. Так, при работе проходческих комбайнов температура воздуха может повышаться на 10-12С. Повышение температуры на 2-3С наблюдается при работе вентиляторов местного проветривания.

6. К прочим причинам, способствующим повышению температуры воздуха, относится тепловыделение людей, охлаждение шахтных кабелей, трубопроводов сжатого воздуха, горение светильников и пр.

Тепловой баланс, т.е. распределение выделившегося в шахте или руднике по различным источникам, определяется конкретными горно-геологическими и горнотехническими условиями и, строго говоря, индивидуален для каждого горного предприятия.

По данным А.Н. Щербаня, тепловой баланс угольных шахт Донбасса в зависимости от глубины разработки характеризуется данными, приведенными в табл. 1[7], из которых видно что при глубине выработки 900-1100 м тепловой баланс складывается из: теплоотдачи горных пород (от 44,6 до 52,2%); окисления угля и дерева (от 25,6 до 31,5%); добытого ископаемого (8,3-9,1%); механической работы и электроэнергии (8,2-9,3%) и прочих факторов (4,9-6,3%).

Удельное тепловыделение пород рудников Кривбасса несколько меньше, чем в шахтах Донбасса, что может быть объяснено более значительными глубинами угольных шахт, на которых проводились наблюдения, и меньшим геотермическим градиентомв Кривбассе. Однако основные закономерности в изменениях удельного тепловыделения пород в выработках являются общими как для угольных шахт Донбасса, так и для криворожских металлических рудников.

По данным Ю.Д. Дядькина, годовой тепловой баланс одной из шахт, расположенной в районе многолетней мезлоты, складывается из: теплоотдачи пород (до 60%); «абсолютных» тепловыделений при механической работе, работе электродвигателей и т.п.(до 34%); теплоты, образующейся при охлаждении транспортируемого ископаемого (до 13%); скрытой теплоты, поглощаемой при изменении влагосодержания (до 7%).

Из приведенных примеров следует, что в годовом тепловом балансе шахт и рудников основное значение имеет теплоотдача породного массива.