Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

МАКЕЕВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ по безопасности работ в горной промышленности

МакНИИ

МЕТОДИКА

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ В ВЫРАБОТКАХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ГОРИЗОНТОВ ГЛУБОКИХ ШАХТ

Министерство угольной промышленности СССР

Г ОСУД АРСТ ВЕННЫЙ МАКЕЕВСКИЙ (ЦЕНА OKTfSFbCfCCtt РЕВШВДШ Н А У ЧН О-ЙССЛ FJI СВ AT ЕЛЬСКЙЙ ИНСТИТУТ ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В Г&НСЙ ПР0МЫШ1БВДССХИ ШкНИИ

УТВЕРВДБНО

Министерством угольной промышленности СССР

Ю апреля 198% г*

МЕТ О Д И К А

прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт

Из коевка-Донбасс 198%

- 10 -

К yrt.t “ i * ( к tpi i ~ ^ к ym n ,    (2*2)

^ _n- поправочный коэффициент, зависящий от способа поддержания выработки* принимается по табл, 2,2»

Таблица 2,2 Значения поправочного коэффициента ^ ym.n

2*4.2, При разработке тонких крутых пластов щитовыми агрегатами величина утечек воздуха через выработанное пространство очистного забоя определяется также по формуле (2.1). При этом коэффициент К^гм.ь рассчитывается по формуле

Kypi.fc “ К * Кум р *    (2*3)

где К_утс- коэффициент, учитывающий сосредоточенные утечки воздуха через погашенную часть углеспускной печи; принимается равным 1,5 при породах непосредственной кровли, представленных глинистыми, песчанистыми слзнцами и равным 2,2 при породах непосредственной кровли, представленных песчаниками, известняками; коэффициент, учитывающий рассредоточенные утечки воздуха через щитовое перекрытие; принимается по табл. 2,3,

- II -

Таблица 2*3

Значения коэффициента Н. фя,р

Величина Нцт.р при различных типах щитового перекрытия

Металлическая сет{Металлическая сетка,де- ! Металлическая сетка, ка,деревянный на- !ревянный накатник, кон- ! деревянный накатник, катник    !вейерная лента на жесткую! конвейерная лента с

!базу    ! запасом на увеличение

}    ! мощности пласта

_________1____ I____________

1,20    1,15    ‘    1Д0

2,4.3* Величина притечек воздуха из выработанного пространства в вентиляционную выработку ( Qgmg » м³/мнн) рассчитывается по формуле

Qpii ~ Q ут | *1    (2.4}

где Мут.а - коэффициент, учитывающий поступление воздуха из выработанного пространства в лаву /3/.

Для схем проветривания выемочных участков с выдачей исходящей струи воздуха на выработанное пространство (1а,16, За, 46),если вентиляционная выработка поддерживается кострами, бутокострами, бутовой полосой с окнами (каналами) или сплошной бутовой полосой шириной до 5м,    =    0. Вели для поддержания вентиляционной

выработки выкладывается сплошная бутовая полоса шириной более 5м, Кцм _А принимается в зависимости от ее ширины (табл. 2.4)

/3/.

- 12 -

При схемах проветривания типа За, 46, если для поддержания вентиляционной выработки применяется сплошная бутовая полоса шириной более 5 н, значения К у»,* уменьшаются на величину 0.2 *

Q /Q , где Q - расход воздуха в дополнительной выработке, MVMMH. ™

Для схем проветривания 36, 4а Кул,_А определяется по формуле;

**.»* = I + 0,12 --9-92- ,    (2.5)

где I - коэффициент, зависящий *от способа поддержания венти ляционной выработки*

Вели вентиляционная выработка поддерживается кострами, буто-кострами,бутовой полосой с окнами или бутовой полосой шириной до

5    м, то & * 0,3* Если вентиляционная выработка поддерживается сплошной бутовой полосой аиринЫ! более 5м, значение коэффициента

6    принимается по табл. 2.5 в зависимости от ширины бутовой полосы*

Таблица 2*5

Значений коэффициента 6 при рззяичной ширине бутовой полосы

Ширина бутовой !    6    7    9    12

полосы, , м !

^г ~ ~0Л    0,6    0~7    0,8    ~

4.------------------------

2.4*4. Величина утечек воздуха из выработок со свежей вентиляционной струей в выработки с исходящей струей воздуха через вентиляционные сооружения принимается по данным шахтных замеров,а при проектировании рассчитывается согласно норм утечек воздуха через вентиляционные сооружения /2/. Нормы утечек воздуха через вентиляционные сооружения за пределами вентиляционных участков следует увеличить в 1,33 раза, в окояоствольных дворах - в 1,45 раза по сравнению с табличными значениями.

2.5* Барометрическое давление воздуха ь горной выработка (F, Па) опреце'нлпгся по формуле

Р - Р₀ ^ 12,0 и ,

- 13 -

где Р₀ - среднемесячное давление воздуха, поступающего в шахту, Па;

у - средняя глубина залегания выработки от поверхности,и.

2.6* Относительная влажность утечек воздуха из выработана ого пространства (J_np зависит от угла залегания пласта, способа упраь яения горным давлением* влажностной характеристики лавы*

2.6*1. Пласты пологого и наклонного падения о управлением кровлей полным и частичным обрушением и частичной закладкой:

при росте относительной влажности воздуха в лаве (^а^^м )

Чвр “0,51^+0,47 ;    (2.7)

при снижении относительной влажности воздуха в лаве <£лр « 0,58 <1** + 0,24 ,

где    -    значение    относительной    влажности утечек воздуха.

При схемах проветривания 1а, 2а, 26, За, 4а принимается равным значению относительной влажности воздуха в выработке под лавой /I/. При схемах проветривания 16; 46 определяется по формуле:

гдес^^ ~ значении относительной влажности воздуха соотьет ¹ в начале и конце лавы.

Управление кровлей плавным опусканием

4"* =9*»    +0,0».    (2.1U)

При значении    0,98    С£_пй    •*    1,0*

2*5*2. Пласты крутого падения при различных способах управления горным давлением

<f пй ^ 0,61 С|_ч + 0/36    (2*11)

Значения 4*1 ^й Ч*г принимаются по данным шахтных замеров в лагах со сходными горногеологическими условиями. При отсутствии экспериментальных данных для глубоких шахт Донбасса рекомендуется принимать среднестатиотичэскиз значения относительной влажности воздуха в зависимости от влажностиол характеристики даьи н угла залегания пласта,

n -

При разработке пологих и наклонных пластов при управлении кровлей полным обрушением, частичной закладкой и плавным опусканием значения относительной влажности воздуха в лаве принимается по табл* 2.6.

Таблица 2.6

Значения относительной влажности воздуха в начале лавы (    )    и    темп    ее    изменения    по

длине лавы при разработке пологих и наклонных пластов

*    Относительная влажность Характеристи-* на входе в лаву, С£,

ка лавы

I

*    Добычная ! Ремонтная

I    ,

*    смена ? смена

"Сухая"    0,705    0,735    0,038    -0,СЯ8

"Влажная"    0,88    0,89    0,033    0,025

К "влажным" относятся лавы м выработки с повышенной естественной влажностью угольного пласта (более 5#), почва или кровля которых представлена породами, обладающими высокой водоотдающей способностью (например, известняками), при ожидаемом водопритоке более 5 н³/ч , при капеже и мокрых стенках выработок.

Относительная влажность воздуха в конце лавы рассчитывается по формуле:

Ч*. = 9», + -щ-Ь'    ^алг

где L* - длина лавы, м.

При разработке пластов крутого падения относительная влажность воздуха в лавах при различных способах управления горным давлением принимается по табл. 2.7*

Таблица 2.7

Значения относительной влажности воздуха в лавах при разработке крутых пластов

Пункт лавы    I____ХаЕаетаристика_яавн___

^|,#оухая с влажной поч-! "влажная” ! вой”    ,

Начало лавы,    0,92    0,95

Конец лавы    & 0,89    0,98

_______* ____________________

2.7. Относительная влажность воздуха С| в вентиляционных выработках принимается по данным шахтных замеров в выработках со сходными горногеологическими и горнотехническими условиями разработки. При отсутствии последних относительную влажность рекомзн дуется принимать по данным табл. 2.8.

Таблица 2*6

Значения относительной влажности воздуха в выработках с исходящей струей

- 16 -

2.8.    Естественная температура горного массива в выработке определяется согласно рекомендациям п. I.I.9 "15диной методики...” /I/.

2.9.    Тепиофизические свойства горных пород принимаются по данным специальных исследований, а при их отсутствии принимаются по усредненным данным, которые для основных горных пород Донбасса приведены в табл. 2.9.

Таблица 2.9

Средние значения теплофизических характеристик горных пород для условий Донбасса

В случае, когда выработку окружает неоднородный массив, при рас*етах используются средчевзвеяонные но периметру значения теп-лофпзичесгих характеристик горных пород /I/.

- 17 -

2,10* Массовый расход сухой части воздуха в выработка ( Q , кг/ч) рассчитывается по формуле

G = 6° • у • Q ,

где р - пяотность воздуха, кг/и⁹ }

(г.т<0

Q - расход воздуха в выработке* м³/мин;

(О ~ среднее значение относительной влажности воздуха в выработке;

рГ - парциальное давление насыщенных водяных паров в выработке, Па* Определяется по приложению I или рассчитывается по формуле 1Л1 /I/;

%    - температура воздуха в выработке* °С.

2 ЛI. Расчет тепловыделений от местных источников в вентиляционных выработках производится согласна разделу 1.2 "Единой методики прогнозирования температурных условий в угольных шахтах

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫВ ОБОЗНАЧЕНИЯ............ ³

1,    НАЗНАЧЕН!® И ОБЛАСТЬ    ПРИМШНИЯ    МЕТОДИКИ ..........    3

2,    ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ    ДАННЫХ...... .    ?

3,    РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ

ГОРНЫМ МАССИВОМ И ВОЗДУХОМ В ВЫРАБОТКАХ....... .    I    ь

•V. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ УТЕЧЕК ВОЗДУХА ИЗ ВЫРАБОТАННОГО

ПРОСТРАНСТВА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ............. 25

5.    РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В 1АВВ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ

ТЕчЛОПРИТОКОВ ИЗ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА....... 2d

6.    РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ВЫРАБОТКАХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ

ГОРИЗОНТОВ.......... .    Эи

7.    ПРИМЕР ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА................. 35

ЛИТЕРАТУРА......................... 59

ПРИЛОЖЕНИЕ. Психрометрическая таблица влажного

воздуха ................. 60

- 3 -

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЙ ОБСШАНШИЙ

О

-    коэффициент температуропроводности, mVc;

* ширина зоны утечек воздуха в выработанное пространства

давы при плавном опускании кровли» к;

-    коэффициент удельной массовой теплоёмкости» Лж/(кг.К);

-    массовый расход воздуха» кг/ч;

-    глубина от поверхности расчетного пункта выработки,м;

-    длина выработки» и;

-    вынимаемая мощность угольного пласта» и;

-    барометрическое давление воздуха, Па;

-    парциальное давление насыщенных водяных паров в возду хе» Па;

-    объемный расход воздуха, м⁸/иин;

-    площадь поперечного сечения выработки» м^ ;

-    периметр среднего по длине расчетного участка сечения выработки, м;

-    радиуо выработка, м;

-    время проветривания, ч;

-    температура воздуха, ч>;

-    температура подвижного агента в трубопроводе,°С;

-    коэффициешр теплоотдачи от поверхности выработки к воздуху, Вт/(м *К);

-    скорость воздуха,м/с;

-    скорость подвигания лавы, м/еут;

-    относительная влажность воздуха;

-    геотермический градиент» °С/м;

-    плотность, кг/м^э ;

-    коэффициент теплопроводности, Вт/(м. К);

~ коэффициент шероховатости;

Ср - угол наклона выработки, град ;

П* ^ - коэффициенты уравнений аппроксимации давления насыщенных водяных паров от температуры воздуха.

Индексы:

8    -    относящийся к бутовой полове;

Ш - относящийся с выработанному пространству;

^rt - относящийся к дополнительной выр&битаь;

Щр    -    относящийся    к    крепи;

$    -    относящийся    к    закладке;

д    -    относящийся    к    лаве;

Н - относящийся к иэстным источниках тепасьидолдний; п    -    относящийся    к    почве;

К    -    относящийся    к    кровле;

ПР - относящийся к притекающему из выработанного пространства воздуху;

Сй    -    среднее значение параметра;

ут    -    относящийся к утечкам воздуха в выработанное пространство

уч    ~    относящийся к выемочному участку;

и    -    относящийся к транспортируемому ископаемому;

Т_тр    - относящийся к трубопроводу с теплоносителем;

Х_тР    - относящийся к трубопроводу с холодоносителеы;

4    ~    начальный пункт расчетного участка;

£    -    конечный пункт расчетного участка.

Критерии:

%1    -    критерий Био;

- критерий Фурье.

Соотношение между единицами физических величин

- 5 -

I. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБНАСТЪ ПРШЕНШШ

Отработка запасов угля на большой глубине сьязаыа с неблагоприятными температурными условиями в горных выработках шахт» Работа в условиях повышенных температур отрицательно сказывается на состоянии техники безопасности, здоровья горнорабочих и ведет к резкому снижении производительности труда.

Наиболее тяжелые климатические условия наряду с очистными и подготовительными забоями в глубоких шахтах складывается в выработках с исходящей вентиляционной струей, в которых трудится значительное число горнорабочих.

Для решения вопросов нормализации микроклимата в выработках вентиляционных горизонтов, как применением горнотехнических мероприятий так и с помощью холодильных установок,необходимо иметь научно обоснованные методы тепловых расчетов рудничцрго воздуха. Прогноз тепловых условий в зтих выработках необходим также для расчета водо- и воздухоохладительных устройств шахтных систем кондиционирования воздуха с подземным отводом теща конденсации холодильных машин и расчета индивидуальных средств охлаждения горнорабочих, находящихся вне зоны общешахтного кондиционирования. Тепловые расчеты воздухоподающих выработок я выработок с исходящими вентиляционными струями необходимы при определении естественной тяги шахты.

Советской школой горной теплофизики разработаны методы прогноза температуры воздуха в воздухоподающих выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, а также тупиковых выработок, проветриваемых с помощью вентиляторов местного провет ривания.

Комплекс теоретических и шахтных исследований на глубоких шахтах позволил изучить тепло- и массообменные процессы между утечками воздуха и породами выработанного пространства, установить особенности формирования теплового режима вентиляционных горизонтов и на этой базе разработать "Методику прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт".

- 6 -

Она является дополнением к "Единой методике прогнозирования температурных условий в угольных шахтах", утвержденной в качестве нормативного документа Минуглепромом СССР 29 декабря 1978 г, и включает в себя "Методику теплового расчета выработок о исходящей вентиляционной струей воздуха", область применения которой охватывала только пологие пласты при управлении горным давлением полным обрушением*

Методика является руководящим материалом для проектных организаций, занимавшихся разработкой проектов новых и реконструируемых вахт, подготовки новых горизонтов и участков действующих шахт, а также для специалистов угольных предприятий и научно-исследовательских институтов, занимающихся вопросами прогноза и регулирования теплового режима вахт.

Методику разработали: к.т*н* Кузин В,А», Пучков М.М,, к.ф*~м,н, Венгеров И.Р., инж. Мартынов А,А,, Костина Г.П. (МакНИИ), к,т*н. Фандеев М.Й* (ИЛИ).

onFSIBieHHE исходных ДАННЫХ

2.1* Прогноз температурных условий в выработках с исходящей "Труэй воздуха производится, как правило, после выполнения тепловых расчетов для воздухоподающих выработок, очистных и подготовительных забоев согласно рекомендаций "Юдиной методики..." /I/.

2.2.    Геометрические параметры выработки (длина L .и, площадь поперечного сечения в свету S , ч ) принимаются по данном технологических проектов или оахтных замеров.

2.3.    Периметр поперечного сечения выработки в свету ( U ,м), эквивалентный радиус выработки ( R_c ,м) вычисляются по формулам, приведенным р работе /I/.

2.4. Расход и распределение воздуха по выработкам принимаются по проекту вентиляции шахты.

При необходимости производится расчет в соответствии с "Руководством по проектированию вентиляции шахт" /2/ и "Дополнением к "Руководству..." /3/.

2.4.1. Величина утечек воздуха через выработанное пространство действугмего очистного забоя ( Qym ,м³/мин) определяется по ^эрмуле

Q = (Оум-    _K*_mg),

расход воздуха на выемочном участке, м³/мин; определяется по данным шахтных замеров или рассчитывается согласно рекомендациям /2,3,4/;

-    расход воздуха в дополнительной выработке,м³/чин;

-    коэффициент, учитывающий утечки воздуха через выработанное пространство.

Значения коэффициента    при    поддержании    тярабвтюх,    примн

кзеших к выработанному пространству, бутовыми полосами шириной 4-f м приведены в табл. 2.1 в зависимости от схемы проветривания чысмочногсг участка (оис. 2.1) и состава пород непосредственной крорлн. При поддержании выработок другими способами вместо Kyti.j принимается коэффициент K'^.l , определяем»# по формуле /3/

- 9 -

Классификация схем проветривании выемочных участков (основные варианты)

Рис, ал