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 t в на поверхности определяется климатическими особенностями района месторождения и приближенно описывается уравнением

t в = t 0+ (tmax – t 0) cos ω τ, (4)

где t 0и tmax среднегодовая и максимальная температуры воздуха в районе по метеорологическим данным; ω = 2π /Т – частота температурных коебаний; Т – период температурной волны, т.е. когда t в = 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 – φ Р н. 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.