Способ проветривания шахтных выработок

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано, в частности, в угольной промышленности для проветривания шахтных подготовительных выработок и очистных забоев. Способ характеризуется тем, что атмосферный воздух с отрицательной температурой подают в сеть теплообменных выработок с увеличенной поверхностью теплообмена за счет использования глубинных процессов теплопередачи геотепла. Геотепло аккумулируют в окружающих выработки горных породах. Теплопроводность горных пород усиливают путем нагнетания воды в начальный период зимнего сезона в породы, окружающие теплообменные выработки. Повышают эффективность процесса теплопередачи за счет установки теплопроводных анкеров по периметрам теплообменных выработок. Перемещают воздух до сети сбоечных угольных скважин, в которых осуществляют дополнительный подогрев воздуха в результате теплообмена и окисления угля до получения им положительной температуры, и подают его в эксплуатационные выработки. Анкеры используют переменной длины. В устьевой зоне теплообменных выработок устанавливают анкеры длиной не более среднего радиуса выработок, остальные анкеры длиной не менее 2 - 5 радиусов выработки. Технический результат - значительное снижение затрат на проветривание за счет упразднения искусственного процесса подогрева воздуха, подаваемого в шахту в зимнее время. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано, в частности, в угольной промышленности для проветривания шахтных подготовительных выработок и очистных забоев.

Известен способ проветривания шахтных выработок и забоев в зимнее время, принятый нами в качестве прототипа, включающий подачу в ствол шахты свежего атмосферного воздуха вентиляторной установкой, подогретого до температуры +2^oC калориферами, установленными на поверхности, соединяющиеся с устьем ствола каналами (см. Б. В. Бокий. Основы горного дела.- М.: Углетехиздат. 1956, с. 181-182).

Недостатком способа следует считать процесс подогрева воздуха калориферами, что предопределяет его дороговизну и необходимость обслуживания персоналом шахты.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упразднение искусственного процесса подогрева воздуха, подаваемого в шахту в зимнее время, и следовательно, резкое снижение затрат на проветривание в целом.

Задача решается тем, что атмосферный воздух в зимнее время подают вентилятором в сеть теплообменных выработок с увеличенной поверхностью теплообмена за счет использования глубинных процессов теплопередачи, зависящего от потребляемого воздуха, и перемещают до сети сбоечных угольных скважин, в которой осуществляют дополнительный подогрев воздуха до положительной температуры за счет теплообмена в угольных скважинах и понижения скорости его движения, после чего подогретый воздух подают в эксплуатационные выработки шахты.

Действительно, подача воздуха (фиг. 1) с отрицательной температурой t₁ через сеть теплообменных выработок 2, пройденных в породах, имеющих положительную температуру, способствует его нагреву, при этом длина, сечение и количество теплообменных выработок принимаются в зависимости от потребляемого воздуха. Отметим, что теплообменные выработки закреплены теплопроводной металлической анкерной крепью 7 (фиг.2), которая интенсифицирует процесс теплопередачи из массива, ограниченного контуром 8 (фиг. 2), к поверхности выработки 9, т. к. теплопроводность металла значительно превосходит теплопроводность горных пород. По мере движения воздуха по выработкам последний нагревается до температуры ₂, равной нулевому значению, после чего воздух направляют в сеть угольных скважин, пройденных в угольном пласту, где за счет повышенной теплопередачи угля и его окисления от кислорода воздуха происходит дополнительный подогрев воздуха до положительной температуры t₃, после чего подогретый воздух направляется в сеть эксплуатационных выработок и забоев, после прохождения которых он выбрасывается в атмосферу с конечной положительной температурой t₄, тепло которого может быть частично утилизировано для подогрева поступающего воздуха.

Отметим, что теплообмен между горным массивом (аккумулированной в массиве геотермальной энергией) и подаваемым в шахту холодным воздухом можно усилить в первую очередь за счет увеличения влажности горных пород, теплопроводность которых усиливают путем нагнетания воды в начальный период зимнего сезона в породы, окружающие теплообменные выработки, а также повышают эффективность процесса теплопередачи за счет установки теплопроводных анкеров по периметрам теплообменных выработок, т.е. за счет анкеров "радиаторов" (см. фиг. 2, поз. 7), и, наконец, за счет замораживания окружающих горную выработку пород.

Таким образом, в начальной замораживаемой части выработки высокая теплопроводность поддерживается за счет трех факторов: 1) влажности - W, 2) длины анкеров l_к при их диаметре - d и теплопроводности стали λ_ст и 3) замораживания влажных пород, что усиливает теплопроводность в 1,15 - 1,20 раз, т.е. в среднем - 1,175 раз.

Влияние влажности на теплопроводность рассчитывается по усредненной формуле: где λ_W=0 теплопроводность горных пород при нулевой влажности; W - влажность, в долях единицы; λ_ав - теплопроводность абсорбированной воды, λ_ав = 7,65 Вт/(м·К) (по данным института ВНИИгидроуголь).

Величина λ_W=0 для угля получена на основе статических усреднений Института теплофизики АН УССР (Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. - М.: Недра, - 1977, 359 с. (с. 297-301) и Ленинградского горного института (Шувалов Ю.В., Казаков В.Ю. Горная теплофизика.- Л.: ЛГИ 1985, 88 с. (с. 10), давших значение λ при материнской влажности W = 0,04 (4%), λ_W = 0,150 Bт/(м·К).

Усиление теплопроводности окружающих пород (с учетом установки одного анкера длиной l_к и диаметром d на площади 1 м²) оценено формулой: K_у = 1+0,5·π·d·l_к·λ_ст; где 0,5 - коэффициент, учитывающий градиент температур; λ_ст- теплопроводность стали, 40 Bт/(м·К).

При увлажнении массива угля (выработки проводятся по углю) до W =0,12 (12%) его теплопроводность составит:
При анкерах l₁ = 1,8 м (что, как правило, меньше среднего диаметра выработки)
К_у = 1 + 0,5·3,14·0,032·1,8·40 = 4,6
Коэффициент усиления замораживания принимаем:
К_уз = 1,175
В итоге теплопроводность составит:

Не замороженная выработка должна сохранить не меньший приток тепла. Однако следует учесть, что ее контур не будет "закрыт" замерзшей частью горного массива, поэтому, исходно поднявшись до 12%, влажность массива постепенно по закону экспоненты станет убывать. В связи с этим в расчете среднюю влажность массива принимаем равной около 0,07 (7%).

Чтобы удержать теплопроводность горного массива на уровне не ниже 6,3 Вт/(м·К), необходимо увеличить коэффициент К_у до 9, а это достигается, если в

Следовательно, длина анкеров "радиаторов" должна быть не менее 2R_ср выработки. Выполнять l₂ более чем 5R_ср нецелесообразно, так как при этом уменьшается коэффициент градиента температуры. R_ср - средний радиус выработки.

Итак, анкеры в начальной замораживаемой части выработки, а именно в устьевой зоне теплообменных выработок - должны быть не более R_ср, а остальные анкеры (вне замораживаемой части выработки) длиной не менее 2-5 средних радиусов выработки, т.е. должны быть не более R_ср, а не замораживаемой - 2R_ср < l₂ < 5R_ср.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - показана принципиальная схема проветривания шахтных выработок в совокупности с сетью теплообменных выработок и сетью сбоечных угольных скважин; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

Способ осуществляется следующим образом.

Воздух с отрицательной температурой t₁ вентилятором 1 подается в сеть 2 теплообменных выработок, перемещаясь по которым он нагревается за счет использования глубинных процессов теплопередачи геотепла, аккумулированного в окружающих породах, и нагревается до температуры t₂, близкой или равной нулю. Далее воздух направляют в сеть теплообменных выработок 3, пройденных в угольном пласте, где он дополнительно нагревается за счет окисления угля до температуры t₃, равной +2^oC, после чего его направляют в эксплуатационные выработки 4, забой 5, вентиляционные выработки 6, пройдя которые воздух с положительной температурой t₄ выбрасывают в атмосферу.

Способ проветривания шахтных выработок отличается простотой, высокой надежностью и экономичностью.

Формула изобретения

1. Способ проветривания шахтных выработок, включающий подачу атмосферного воздуха вентиляторной установкой, отличающийся тем, что атмосферный воздух с отрицательной температурой подают в сеть теплообменных выработок с увеличенной поверхностью теплообмена за счет использования глубинных процессов теплопередачи геотепла, аккумулированного в окружающих выработки горных породах, теплопроводность которых усиливают путем нагнетания воды в начальный период зимнего сезона в породы, окружающие теплообменные выработки, а также повышают эффективность процесса теплопередачи за счет установки теплопроводных анкеров по периметрам теплообменных выработок, после чего перемещают воздух до сети сбоечных угольных скважин, в которых осуществляют дополнительный подогрев воздуха в результате теплообмена и окисления угля до получения им положительной температуры и далее подают его в эксплуатационные выработки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что анкеры используют переменной длины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в устьевой зоне теплообменных выработок устанавливают анкеры длиной не более среднего радиуса выработок, остальные анкеры длиной не менее 2 - 5 радиусов выработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2