ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ

Аннотация

На современном этапе развития многие горные предприятия для решения задач поддержания и увеличения мощности добычи сталкиваются с необходимостью вовлечения в отработку новых, глубокозалегающих и труднодоступных залежей. При этом при увели- чении глубины ведения горных работ возрастает температура окружающего породного массива и снижается количество вскрывающих горных выработок, что приводит к невоз- можности подачи больших объемов воздуха и усилению влияния техногенных источников тепловыделения на формирование неблагоприятных микроклиматических условий в гор- 257 ----------------------- Page 258----------------------- ных выработках. В результате температура воздуха в горных выработках повышается до сверхнормативных величин - согласно действующим Федеральным нормам и правилам «Правила безопасности при ведении горных работ …», температура воздуха не должна превышать +26 °С [1]. Решение задачи нормализации микроклиматических условий в сети горных выработок глубоких рудников требует разработки комплексных технических сис- тем, отличающихся оптимальными капитальными и эксплуатационными затратами с уче- том индивидуальных особенностей шахты или рудника. Первоочередной задачей разработки ресурсосберегающих систем является обос- нование адекватной системы нормирования микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников, исключающей избыточные запасы параметров. В рабо- те [2] на основе обширного обзора параметров нормирования микроклимата в нашей стране и за рубежом и анализа функциональных зависимостей обоснован комплексный критерий нормирования микроклиматических условий, учитывающий температуру, от- носительную влажность и скорость движения воздушной среды ( ) = + ⋅ ⋅ - T- t ⋅ - 0,006539,06 ϕ0,7 t 4 v ef d d На следующем этапе решается задача выбора, комплексирования и определения параметров применения отдельных способов регулирования теплового режима решает- ся на основе метода вариантов, с использованием численного моделирования сопря- женных процессов тепло- и воздухораспределения в сети горных выработок с учетом термодинамических факторов, влияющих на микроклиматические условия рудничной атмосферы [3]. Технологическими компонентами комплексных систем нормализации микроклиматических условий являются горнотехнические способы и ресурсосбере- гающие технологические схемы кондиционирования, эффективность которых зависит от глубины, а в конечном итоге от температуры горных пород, и типа горных вырабо- ток [4,5]. Определение областей эффективности различных мероприятий в координат- ных осях «температура массива горных пород - удаленность рабочих зон по тракту движения воздуха» так, как это представлено на рисунке 1, осуществляется на основе многовариантного численного моделирования на тепловой модели рудника с учетом его индивидуальных особенностей [6]. Рис. 1. Диаграмма к определению эффективных мероприятий регулирования теплового режима 258 ----------------------- Page 259----------------------- Рис. 2. Классификация систем кондиционирования воздуха Для этого производится моделирование вариантов использования теплотехниче- ских вариантов, расчет эффективности и эксплуатационных затрат при их применении. Дополнительно при оценке теплотехнических мероприятий регулирования теплового режима с точки зрения эксплуатационных затрат производится суммарный расчет энер- гетических затрат на работу и обслуживание технических средств систем кондициони- рования воздуха по следующему выражению N K ⋅W + N +(N →R F P ) min ∑ Ni i i i i =1 где N - общее число холодильных машин в разрабатываемой системе кондициониро- вания; W R - холодильная мощность i-ой холодильной машины, кВт; K - безраз- i Ni мерный коэффициент холодильной мощности, равный отношению электрической мощности холодильной машины к холодильной, зависит от типа оборудования и усло- вий его работы и варьируется в интервале от 0,4 до 1; N F - суммарная мощность вен- i тиляторов, обеспечивающих проток воздуха через систему теплообменных аппаратов i- ой холодильной машины, кВт; N P - суммарная мощность насосов, обеспечивающих i проток масла, тепло- и хладоносителей в i-ой холодильной машине, кВт. Разработанные методические, технологические и программные средства приме- нены при разработке ресурсосберегающей системы нормализации микроклиматических условий в шахте «Глубокая» ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель». На строящейся шахте «Глубокая» глубина ведения горных работ достигает 1700-2100 метров, темпера- тура пород достигает +53,4 °С. Климат района субарктический, характеризуется отри- цательной среднегодовой температурой воздуха (-9,8 °С), продолжительным холодным периодом (248 дней) с сильными морозами и метелями, средняя месячная температура воздуха наиболее холодного месяца -28,2 °С. 259 ----------------------- Page 260----------------------- Согласно разработанной методике разработки ресурсосберегающих систем нор- мализации микроклиматических условий, выполнено исследование и разработка горно- технических и теплотехнических мероприятий по охлаждению рудничного воздуха в горных выработках шахты для обеспечения теплового режима во всех рабочих зонах на все периоды развития горных работ. Для этого на основании результатов численного моделирования проведен сравнительный анализ эффективности различных техниче- ских мероприятий регулирования теплового режима шахты «Глубокая» установлено, что достичь требуемой температуры воздуха во всех рабочих зонах шахты можно толь- ко за счет местного охлаждения воздуха. В результате с помощью расчетов параметров местного охлаждения воздуха в рабочих зонах установлено, что на период максималь- ного развития горных работ требуемая мощность системы кондиционирования соста- вит 5783 кВт. Рис. 3. Распределение температуры воздуха в шахте «Глубокая» при применении местного охлаждения воздуха Для условий шахты «Глубокая» рассмотрены все возможные варианты: подзем- ное и наземное размещение центральной холодильной машины, применение местных холодильных машин, схемы с утилизацией избыточной теплоты либо в систему главно- го водоотлива, либо в атмосферу на поверхности. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 1. Каждый из вариантов рассчитан на одинаковую холодиль- ную мощность 5783 кВт и согласно результатам расчета одинаковая холодильная мощ- ность обеспечивается комплексами, существенно различающимися по суммарной уста- новленной электрической мощности и годовому энергопотреблению. 260 ----------------------- Page 261----------------------- Таблица 1 Сравнительный анализ энергоэффективности различных систем кондиционирования воздуха для обеспечения холодопроизводительности 5783 кВт Поверхностная атмо- Рудничная атмо- Шахтных водоот- сфера сфера лив Центральная хо- 559,1 кВт лодильная маши- - - 4,9 МВт⋅ч на на поверхности Центральная хо- 3349,4 кВт Не достаточно 5400 кВт лодильная маши- мощности утили- 29,3 МВт⋅ч 47,3 МВт⋅ч на под землей зации тепла Не достаточно Местная холо- 6480 кВт - мощности утили- дильная машина 56,7 МВт⋅ч зации тепла Из приведенных в таблице № 1 результатов расчета следует, что наиболее целе- сообразным и выгодным вариантом является поверхностное размещение холодильной машины с градирней на промплощадке вентиляционного ствола. Это объясняется тем, что требуемую большую холодильную мощность большую часть года можно будет обеспечивать за счет холодного климата региона, без дополнительных затрат электро- энергии. Таким образом, построение систем нормализации микроклиматических пара- метров, основанное на численном моделировании процессов тепло- и воздухораспреде- ления, позволяет разрабатывать комплексные системы кондиционирования воздуха, отличающиеся эффективностью использования и оптимальным сочетанием капиталь- ных и эксплуатационных затрат.