Тепловой режим земной коры.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра АОТ

Лекция № 3

доц. Алексеенко С.А.

ТЕМА: ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ШАХТ И РУДНИКОВ

Для студентов специальности: 7.090301.06 «Охрана труда в горном производстве» по дисциплине «Кондиционирование рудничного воздуха»

Днепропетровск

ПЛАН ЛЕКЦИИ

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМНОЙ КОРЫ

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ШАХТ И РУДНИКОВ

Рекомендуемая литература

1. Воропаев А.Ф. Управление тепловым режимом в глубоких шахтах. - М.: Госгортехиздат, 1961. – 248 с.

2. Воропаев А.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. – М.: Недра, 1979. – 192 с.

3. Дуганов Г.В., Кухарев В.Н. Вентиляция и кондиционирование воздуха при отработке крутопадающих пластов. Изд. Харьковского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета им. А.М. Горького. – Харьков, 1965. – 168 с.

4. Дуганов Г.В. Баратов Э.И. Тепловой режим рудников. – М.: Госгортехиздат, 1963. – 144 с.

5. Охрана труда: Учебник для вузов /К.З. Ушаков, Б.Ф. Кирин, Н.В. Ножкин и др. Под ред. К.З. Ушакова. – М.: Недра, 1986. – 624 с.

6. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. Рудничная аэрология. Изд. 2, перераб. и доп. М.: Недра 1978. – 440 с.

7. Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Справочное руководство по тепловым расчетам и проектированию установок для охлаждения рудничного воздуха. М.: Недра, 1964. – 508 с.

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМНОЙ КОРЫ.

Тепловое состояние земной коры определяется естественным распределением температур горных пород в массиве. В поверхностных слоях земной коры наблюдаются суточные и годовые колебания температур, которые связаны с изменением интенсивности солнечной радиации.

Слой земли, в котором не сказывается влияние суточных колебаний (амплитуда суточных колебаний равна нулю), называется слоем постоянной суточной температуры. В большинстве случаев он находится на глубине 1-2 м от земной поверхности.

Часть земной коры, на которой амплитуда годовых колебаний рана нулю, называется нейтральным слоем, или зоной постоянных температур.

В Донецком бассейне зона постоянных температур находится на глубине 25-30 м от земной поверхности.

Ниже нейтрального слоя наблюдается постоянное повышение температуры горных пород с глубиной.

Интенсивность возрастания температуры с глубиной характеризуется величиной геотермического градиента σ = dt/dHград /м, или геотермической ступенью Г ст = 1/σ м/ град, котрая показывает, на сколько метров необходимо опуститься по вертикали от нейтрального слоя, чтобы температура горных пород повысилась на 1 К.

Известно, что температура горных пород с глубиной увеличивается, примерно, по линейному закону, но с различной степенью интенсивности, так как повышение температуры пород не во всех пунктах земного шара происходит равномерно.

Температура пород на глубине Н может быть определена по формуле

Н – Z0

t п = t н + σ (H – Zо) = t н+ ----------, (1)

Г ст

где t н – температура пород нейтрального слоя, залегающего на глубине Z0 от поверхности, °С.

Из выражения (1) путем несложных преобразований можно получить формулу для определения геотермической ступени по данным замеров температуры, т.е.

Н – Z0

Г ст = -------------, м/ град (2)

t п – t н

По данным проф. Дуганова Г.В. и Кухарева В.В. формула (2) является наиболее точной, так как определение геотермической ступени по другим формулам (не учитывающим температуру нейтрального слоя) может привести к значительным ошибкам.

Величина геотермической ступени для различных районов колеблется в весьма широких пределах: от 2 м (молодые вулканические породы) до 230 м на градус (древние интрузивные породы).

Интрузивные горныые породы – полнокристаллические магматические горные породы, образовавшиеся в результате застывания магмы в толще земной коры. Различают абиссальные (глубинные) – граниты, диориты, габбро и др. и гипабиссальные (промежуточные между эффузивными и губинными) – гранит-порфиты, габбро-порфиты и др.

Значение геотермической ступени может существенно изменяться не только в пределах одного бассейна или района, но даже и на одном шахтном поле, так что колебания в температуре пород на глубине 1000 м достигает 5 – 15 К.

Величину геотермической ступени для угленосных отложений принимают равной 35 – 45 м [1, 2, 7].

Для ориентировочных расчетов температуру пород t п в условиях Донбасса можно определить по формуле

Н – h ср.год.

t п = t ср.год. + ---------------, град, (3)

где t ср.год - среднегодовая температура воздуха (для Донбасса) + 8°С;

Н - глубина залегания пород, для которых определяется температура, м;

h ср.год. – глубина зоны со средней годовой температурой (для Донбасса 25-30 м);

35 - геотермическая ступень.

По данным Я.Н. Кашпура и А.Ф. Захарьина, геотермическая ступень в Донбассе изменяется от 19, 6 м (Торезский район) до 36, 8 м (Макеевский район). Для Кривбасса она составляет 70 м (по данным проф. Г.В. Дуганова).

Температура горных пород в Кривбасе с глубиной возрастает по зависимости, близкой к линейной. Некоторое отклонение от линейной зависимости обуславливается увеличением плотности пород с глубиной. Величина геотермической ступени для глубин 50-500 м составляет 55-60 м/ град и с увеличением глубины до 700 м – 65-70 м/ град. Для более глубоких горизонтов (свыше 1000 м) можно ожидать дальнейшего увеличения геотермической ступени, если другие факторы не будут содействовать ее уменьшению. При тепловых расчетах глубоких криворожских рудников величину геотермической ступени следует принимать в пределах 60-70 м/ град.

Геотермический градиент может меняться с глубиной, если изменяется плотность пород, их тепловое сопротивление. В большинстве случаев плотность пород с глубиной увеличивается, а тепловое сопротивление уменьшается, поэтому геотермический градиент также несколько уменьшается.

На величину геотермического градиента влияет гидрогеологический режим месторождения. Так, проникновение поверхностных вод в верхние слои земной коры может оказать охлаждающее действие и привести к уменьшению геотермической ступени. Значительно влияет на геотермическую ступень движение подземных вод и проникновение их по трещинам на более глубокие горизонты.

Таким образом, величина геотермической ступени изменяется в весьма широких пределах в зависимости от регтональных и местных геолого-географических условий в отдельных горнопромышленных районах.

Температуру пород измеряют как в геологоразведочных скважинах, так и в шахтах при бурении шпуров в забоях подготовительных выработок. Оба способа широко применяютс на практике.

Основным преимуществом замеров температуры в геологоразведочных скважинах является возможность вести геотермические наблюдения практически в любом месте и через любые интервалы глубин. Однако этот способ имеет и существенные недостатки: циркуляция в скважинах буровой жидкости вместе с поступающими подземными водами, выделение из трещин газов с последующим их расширением, конвективный теплообмен и т.п. в ряде случаев существенно влияют на точность замеров.

Измерение температуры в шпурах, пробуренных в груди забоя, позволяет получить искомую температуру горных пород, но в этом случае выбор пунктов замеров по вертикали и по площади ограничен наличием действующих забоев и рабочих горизонтов.