*112789*

Галкин А.Ф.

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

г. Санкт-Петербург, Россия

Эффективные системы регулирования теплового режима

шахт и рудников Севера.

Для шахт и рудников Севера проблема энергосбережения является одной из первостепенных задач. Вызвано это не только высокой стоимостью энергии, но и недостатком энергетических мощностей по ее производству. При наметившейся тенденции к росту стоимости тепловой энергии, которая и теперь уже на Северо-востоке в несколько раз выше, чем средняя по стране, следует ожидать существенного увеличения долевого вклада затрат на создание нормативных параметров микроклимата в эксплуатационные расходы, как горных предприятий, так и подземных объектов, не связанных с горным производством. Одним из путей решения этой проблемы является использование горнотехнических систем регулирования теплового режима.

При переходе горных выработок на глубокие горизонты и применении технологии разработки с закладкой выработанного пространства на рудниках Севера, энергетический потенциал исходящей вентиляционной струи достаточно высок и последняя может рассматриваться как стабильный, вторичный источник энергии. Выполненные расчеты для строящегося глубокого алмазного рудника Севера показывают, что потенциал исходящей струи в среднем будет составлять I,0*10³кДж/с. Затраты энергии на создание начального потенциала входящей вентиляционной струи составят в среднем 2,5*10³кДж/с. Очевидно, что использование даже половины энергетической мощности вторичного источника позволит на 20 % сократить первоначальные затраты энергии на обеспечение заданного потенциала вентиляционной струи.

По классификации Ю.Д. Дядькина [1], системы регулирования, использующие геотермический нагрев вентиляционной струи, относятся к «без энергетическим» системам, т.к. основные затраты энергии в них связаны с преодолением аэродинамического сопротивления выработок. Подогрев и охлаждение воздуха происходит за счет природных выработок (энергетический потенциал горных пород, атмосферного воздуха) и техногенных (энергетический потенциал исходящий вентиляционной струи) источников энергии. По способам подачи вентиляционной струи в горные выработки, рассматриваемые системы могут быть разделены на три класса: обыкновенные системы; рекуперативные системы; регенеративные системы. Все указанные системы могут быть как прямоточными, так и противоточными. Основой всех трех систем является сеть теплообменных выработок, которые могут быть соединены последовательно, параллельно, либо по комбинированной схеме. Отличие заключается в том, что в системах второго и третьего класса дополнительно используется энергетический потенциал исходящей вентиляционной струи. Причем в рекуперативных системах теплообмен исходящей и свежей вентиляционной струй происходит через разделительную поверхность, которой в общем случае может быть и горный массив, разделяющий две параллельные выработки, а в регенеративных системах горный массив вокруг единичной выработки служит промежуточным аккумулятором энергии, который при подаче исходящей вентиляционной струи накапливает энергию, а при подаче свежей струи отдает ее, нагревая воздух до заданных значений. Очевидно, что рекуперативные системы могут работать в регенеративном режиме [2].

Для тепловых расчетов параметров вентиляционной струи в горнотехнических системах нельзя однозначно применить методы, используемые в теплотехнике для расчета подобных систем . Принципиальным различием является то, что в теплотехнике рекуперативные и регенеративные системы обычно моделируются как системы с сосредоточенными параметрами, в то время как горнотехнические системы такого класса относятся к системам с распределенными параметрами, характеристики которых переменны по координатам и во времени. В связи с этим, сохраняя общую идеологию моделирования, принятую в теплотехнике, и учитывая особенности теплообмена, происходящего в горных выработках, был разработан комплекс программ по выбору оптимальных параметров горнотехнических систем всех трех классов[2,3], включающий численные методы прогноза теплового режима, методы оптимального планирования вычислительного эксперимента и поиска оптимума функций многих переменных. Для инженерных расчетов предложены регрессионные зависимости, позволяющие оперативно, не прибегая к численному моделированию, оценить эффективность использования горнотехнических систем, различного класса в конкретных условиях.

В основу расчетных моделей заложена методика прогноза температуры в горных выработках, включающая численное решение системы дифференциальных уравнений, а именно двухмерного уравнения энергии для воздуха и двух уравнений Фурье для описания теплового поля в талой и мерзлой зоне, записанных в цилиндрических координатах, которые дополнены дифференциальным уравнением Стефана на движущейся границе раздела фаз и уравнением Ньютона на границе воздух - порода. Начальные условия предполагают произвольное распределение температур по координатам и во времени, причем функция изменения температуры воздуха на входе в выработку учитывает не только сезонные, но и суточные колебания, что позволяет более полно учесть особенности климата северных регионов. В отличие от существующих методик, разработанная нами позволяет учесть также и изменение основных факторов, влияющих на интенсивность теплообмена во времени, а именно изменение влажности (льдистости) горных пород. И, как следствие, изменение теплофизических свойств: коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, плотности породного массива в пределах зоны теплового влияния. Модель позволяет учесть переменность термического сопротивления по длине выработки и наличие произвольно распределенных нестационарных абсолютных источников тепловыделений. Наличие подобной модели позволило впервые исследовать влияние иссушения горных пород на формирование тепловых условий в горных выработках шахт Севера и рекомендовать способы повышения теплоаккумулирующих свойств пород.

Для выбора оптимальных параметров горнотехнических систем минимизировалась целевая функция приведенных затрат, которая включала в себя затраты на проведение и крепление (реконструкцию для случая вторичного использования) выработок, затраты на вентиляцию и затраты на кондиционирование. Для минимизации полученной целевой функции многих переменных, использовался метод Хука и Дживса [4], который не требует знания производных функций, что очень удобно в рассматриваемом случае, так как температура воздуха определена не явно, а ищется из численного решения соответствующей системы дифференциальных уравнений. Результаты расчетов позволяют определить для конкретных условий эксплуатации обыкновенных горнотехнических систем такие параметры, как оптимальное сечение и длину выработок, оптимальное количество параллельных выработок и расход воздуха в них, годовой экономический эффект от использования системы и целесообразность строительства специальных теплоаккумулирующих выработок.

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что горнотехнические системы являются эффективным средством регулирования теплового режима на шахтах и рудниках Севера и при правильном проектировании их параметров могут существенно сократить энергозатраты на кондиционирование рудничного воздуха.

Литература.

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики. М.: Недра,1968.-256с.

2. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А.. Теплоаккумулирующие выработки. Новосибирск: Наука, 1992.-133 с.

3. Галкин. А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера. Новосибирск: ВО Наука, 2000. -304 с.

4. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.: Пер. С англ.- М.: Мир, 1983.-583с.