Минин И. В., Таугер В. М., Минин В. В. (УГГУ)
Актуальность проблемы заключается во взаимосвязи тепловой депрессии и подачи воздуха по стволу в рудник. Исследования, изложенные в данной статье, показывают это на примере опыта и эмпирических вычислений.
Исследование вентиляция и охлаждение шахтных стволов
Замеры скорости воздуха выполнены с помощью анемометра, крыльчатка которого помещалась в середину пространства между клетью и стенкой ствола (красная точка на рисунке 1).
Значения скорости с привязкой к горизонтам даны в таблице 1.
Расход воздуха в i-м сечении ствола определен по формуле:
(1)
где i — номер сечения, соответствует номеру горизонта от i = 1 (горизонт 260 м) до i = 14 (горизонт 1 150 м); vi — скорость воздуха в i-м сечении, м/с; Dc — диаметр ствола в свету; Dc = 5,9 м; Dм — наружный диаметр магистрали; Dм = 0,62 м; n – число труб магистрали в сечении; n = 1 для i = 1; 12; 13; 14; для остальных сечений n = 2; 0,9 — поправочный коэффициент, учитывающий наличие в сечении расстрелов, труб водоотлива и т. д.; А, В — размеры поперечного сечения клети в плане; А = 4 м; В = 1,542 м.
Результаты расчета расхода приведены в таблице 1 и показаны диаграммой на рисунке 2.
Входящий в ствол расход воздуха распределяется по горизонтам. Поступление воздуха из ствола в вентиляционную сеть горизонта не сопровождается термодинамическими явлениями, поэтому продолжающий движение вниз по стволу воздух сразу после горизонта имеет ту же температуру, что и непосредственно перед ним. Данное обстоятельство позволяет с точки зрения термодинамики рассматривать течение свежего воздуха в стволе в виде потока с усредненным по глубине расходом, который для определенного участка магистрали вычисляется по формуле:
(2)
где Qi — расход воздушного потока между горизонтами i — 1 и i м3/с; ΔНi — расстояние между горизонтами i — 1 и i м; Н — расстояние от 1-го до n-го горизонта; n — номер нижнего горизонта на участке.
Вся трасса разделена на два участка. На первом — от поверхности до горизонта 590 м (i = 6) включительно — нагревание воздушного потока происходит от трубы 1. На втором — от горизонта 590 м до 1 012 м (i = 13) — нагревание осуществляют и труба 1, и труба 2.
Подстановка числовых значений в формулу (2) и вычисления дают величину среднего расхода воздуха в стволе на первом участке Ǭ1 = 87,9 м3/с, на втором участке Ǭ2 = 20,9 м3/с.
При этом замеры температуры стенок труб 1 и 2 произведены вблизи (ориентировочно на 10 м выше) горизонтов шахты. Значения температуры приведены в таблице 2 и иллюстрируются графиками на рисунке 3.
На входе в ствол труба 1 имеет температуру 77,4 °С. Затем к горизонту 510 м температура плавно, практически линейно снижается до 57,6 °С, после чего на протяжении 80 м к горизонту 590 м уменьшается на 8,3 °С до 49,3 °С, что хорошо видно по изменению характера графика (рисунок 3). Температура верхней части трубы 2 слабо увеличивается с 20,5 до 21,9 °С, а на горизонте 510 м резко возрастает до 35,6 °С, достигая максимального значения 44,7 °С на горизонте 590 м.
Причина указанного характера температурных изменений состоит в поступлении сжатого воздуха в трубу 2 из трубы 1 по перемычке, которая расположена на горизонте 510 м. Сжатый воздух направляется по трубе 2 вниз и нагревает трубу на протяжении 480 м (от горизонта 510 м до горизонта 990 м).
Из выше представленного опыта можно рассчитать влияние тепловой депрессии на расход воздуха в стволе:
повышение температуры воздуха в стволе приводит к снижению статического давления на глубине. Данное явление называется тепловой депрессией. Зависимость давления от глубины и температуры описывается формулой:
(3)
где ра — атмосферное давление на поверхности; Т — температура воздуха, °К, на глубине Н, м.
Для определения тепловой депрессии используется средняя абсолютная температура воздуха. Снижение давления при нагревании воздуха
(4)
где Т1, Т2 — температура воздуха без нагрева и с нагревом, °К, соответственно.
При равномерном повышении температуры воздуха с глубиной можно использовать ее среднее арифметическое значение.
Для обеспечения заданного расхода Q входящего через ствол потока необходим перепад статического давления, определяемый формулой
(5)
где R — аэродинамическое сопротивление ствола.
Следовательно, расход, создаваемый перепадом давления рs:
(6)
Тепловая депрессия оказывает сопротивление (противодавление) входящему в шахту потоку. С учетом снижения давления расход может быть найден так:
(7)
В случае ps = Δpт движение воздуха по стволу прекращается, а при Δpт > ps поток изменяет направление и становится исходящим.
Таким образом, на основе физического эксперимента в шахтных условиях получены эмпирические зависимости влияния тепловой депрессии на подачу свежего воздуха по стволу. Для усугубления процессов влияния тепловой депрессии был выбран ствол с двумя трубопроводами, максимально снижающими количество воздуха в стволе. Для преодоления указанных проблем придется усиливать вентиляцию, применяя вентиляторные установки значительно большей мощности.
Список литературы
1. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту шахтных стационарных установок. — М.: Недра, 1983. — 174 с.
2. Ковалевский В. Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. — М.: Недра, 1972. — 224 с.
3. Тепловой режим и тепловой баланс. / https://helpiks.org/6-61564.html#:~:text=1.%20Естественное%20сжатие%20воздуха%20при,примерно%20на%20ту%20же%20величину.
4. Характеристика климата Оренбургской области / https://fb.ru/article/457105/harakteristika-klimata-orenburgskoy-oblasti.
5. Бухмистров В. В. Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата / В. В. Бухмистров, Д. В. Ракулина, Ю. С. Солнышкова [и др.] — ФГБОУ ВПО «Ивановский гос. энергетический ун-т им. В. И. Ленина». — Иваново: 2014. — 124 с.
6. Башта Т. М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов [и др.]. — М.: Машиностроение, 1970. — 504 с.
7. Аверкин А. Г. Экспериментальные исследования конвективного теплообмена при охлаждении воздушных потоков различной относительной влажности в оребренном теплообменнике / А. Г. Аверкин, А. И. Еремкин, Ю. В. Родионов [и др.] / Изв. КГАСУ, 2012, № 1 (19). — С. 74–80.
8. Ковалевский В. Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. — М.: Недра, 1972. — 224 с.