Влияние работы систем воздухоподготовки на процессы охлаждения крепи и закрепного пространства при реверсировании главной вентиляторной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ НА ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КРЕПИ И ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ РЕВЕРСИРОВАНИИ ГВУ

Л.Ю. Левин

Вентиляционные стволы рудников, в отличие от воздухоподающих, не имеют систем тепловой защиты от зимних холодов, функцию которых выполняют калориферные установки и каналы. В холодное время года нагретый воздух по калориферным каналам подаётся в воздухоподающий ствол и предохраняет его крепь от промерзания. В обычном режиме проветривания тюбинговая колонна вентиляционного ствола обогревается с одной стороны теплом горного массива, с другой - теплом исходящей из рудника струи отработанного воздуха, поэтому угроза температурных деформаций крепи в этом случае отсутствует независимо от температуры наружного воздуха. вентиляционный рудник размораживание бетонный

Иначе дело обстоит в случае включения реверсивного режима проветривания рудника в зимний период. При реверсировании главной вентиляторной установки (ГВУ) холодный атмосферный воздух подаётся в вентиляционный ствол без подогрева, и, как следствие, происходит охлаждение крепи ствола.

Реверсивный режим работы ГВУ является аварийным и предполагает ограниченное время действия. В зависимости от температуры и количества подаваемого в ствол воздуха охлаждение крепи за время реверсивного проветривания может вызвать критические температурные деформации колонны, а может и не успеть. Время подачи холодного воздуха в ствол является величиной, определяющей степень промерзания крепи вентиляционного ствола.

В зависимости от времени реверсирования воздушной струи и воздействия холодного воздуха на крепь следует различать три аварийных стадии размораживания:

1. Замерзание воды на контактах тюбинг - бетон. После чего происходит нарушение взаимосвязи между бетонной рубашкой и тюбингами и отрыв бетона от тюбинговой колонны.

2. Снижение температуры крепи, равномерное по всему сечению, или понижение температуры части тюбинговой колонны по отношению к некоторой температуре tк, при которой происходит раскрытие соединительных швов вентиляционных стволов и нарушение свинцовой чеканки, что в последствии может привести к образованию течи воды, при замерзании которой на стенках ствола, расстрелах и проводниках нарастает ледяная корка.

3. Замерзание воды на контактах бетон - порода, что может привести к разрушению крепи.

Следует отметить, что первая и вторая стадии в основном зависят от времени промерзания тюбинговой колонны. Первая стадия может наступить при промерзании тюбинговой колонны до 0С на всю толщину спинки тюбинга. Однако в связи с тем, что многолетние наблюдения за температурой воздушного потока в вентиляционных стволах показывают, что сезонные колебания практически отсутствуют (составляют не больше 2ч3С) и не оказывают какого-либо влияния на состояние крепи ствола, можно предположить, что контакт чугунной колонны и бетонной рубашки не нарушен. И, следовательно, не должен иметь скоплений воды, которые могли бы привести к разрушению тюбинговой колонны.

Из практики эксплуатации стволов известно, что вторая стадия может наступить при охлаждении крепи до -12ч-15С. Понижение температуры тюбингов вызывает изменения геометрических размеров отдельных элементов крепи. Вследствие различия теплофизических и физико-механических свойств отдельные элементы крепи (тюбинговая колонна, бетонная рубашка и т.д.) по-разному реагируют на колебания температуры. Теплообмен между бетоном и воздушным потоком происходит через тюбинговую колонну, обладающую большим коэффициентом температуропроводности. Переход от одной температуры к другой у бетонной рубашки совершается значительно медленнее, чем у тюбинговой колонны, что, в свою очередь, вызывает различие в температурных деформациях и может привести к отрыву чугунной колонны от бетонной рубашки, нарушается их взаимосвязь. Однако в вентиляционных стволах после их проходки и проведения повторного тампонирования закрепного пространства такая взаимосвязь существует и оказывает влияние на характер температурных колебаний.

На основе разработанной математической модели теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов были произведены расчеты для наиболее неблагоприятного места с точки зрения раскрытия швов и деформации свинцовых гидроизоляционных шайб. Для условий вентиляционного ствола № 4 рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» это место расположено в районе первого пикотажного шва на отметке -16 метров. Диаметр вентиляционного ствола 7 м; температура пород до реверсирования +8°С; температура наружного воздуха рассматривалась от -48°С без учета работы системы воздухоподготовки до -24°С при работе системы нагрева воздуха мощностью 15 МВт; расход воздуха в стволе при реверсировании принят 30000 м3/мин (скорость - 13 м/с). Для анализа рассчитана температура на внешней спинке тюбинга при ее толщине 50 мм (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Расчётные изменения температуры закрепного пространства при реверсировании ГВУ (чёрные линии - чугун, зелёные линии - бетон)

Проведено два варианта расчёта изменения температуры массива на расстоянии 5 см от поверхности ствола - 1) массив является бетоном и 2) массив является чугуном. Отличие: теплопроводность чугуна - на порядок выше, чем у бетона. Согласно полученным результатам процесс охлаждения массива может быть разделён на две временные стадии:

1. Первая стадия до 1 часа с начала охлаждения. Часть массива за пределами 5 см в теплообмене поучаствовать ещё не успевает. Поэтому тонкий цилиндрический слой чугуна охлаждается быстрее, чем слой бетона, по причине большей теплопроводности (рис. 1).

2. Вторая стадия после 1 часа с начала охлаждения. Окружающий массив начинает участвовать в теплообмене, выполняя функцию холодоотвода. Разумеется, чугун с этой функцией справляется значительно лучше, чем бетон. Поэтому на этой стадии охлаждение массива на 5 сантиметровой глубине для чугуна идёт значительно медленней, чем для бетона, поскольку бетон, по сравнению с чугуном является теплоизолятором для выделенного цилиндрического слоя.

Из рис. 1 видно, что первая аварийная стадия при реверсивном режиме проветривания наступает в течение первых двух - трех часов и практически не зависит от мощности системы воздухоподготовки.

Наиболее опасной является третья стадия, при которой происходит промерзание бетонной рубашки с последующим замерзанием воды на контактах бетон - порода, что может привести к разрушению крепи. На участке крепления стволов чугунными тюбингами изменения температуры тюбинговой колонны передаются бетонной рубашке. Бетонная крепь имеет в 5ч10 раз большую толщину и в 20ч25 раз меньшее значение коэффициента температуропроводности. Вследствие этого бетонная крепь с большим запаздыванием, чем тюбинговая колонна, следит за изменениями температуры воздушного потока в стволе. В результате этого возникают дополнительные температурные напряжения, способствующие растрескиванию бетона. При дальнейшем размораживании бетонной крепи начинают замерзать грунтовые воды, создавая дополнительное давление на бетонную рубашку, которая в последствии может разрушиться.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Расчётные изменения температуры закрепного пространства при реверсировании ГВУ

Расчеты температуры приведены на рис. 2 при толщине бетонной рубашки 500 мм.

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что промерзание бетонной крепи возможно не ранее, чем через 4 дня после включения реверсивного режима проветривания, что нужно учитывать при введении в действие плана ликвидации аварий и выбора вентиляционных режимов при длительном его исполнении.

Итак, наступление перечисленных выше трех аварийных стадий размораживания крепи вентиляционных стволов зависит главным образом от продолжительности реверсирования и температуры наружного воздуха. Примеры таких зависимостей для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий» представлены на рис. 3. Эти графики приложены к плану ликвидации аварий и учитываются при введении его в действие.

Рис. 3. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха без применения системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий»: 1 - первая стадия; 2 - вторая стадия; 3 - третья стадия

Применение на вентиляционном стволе системы воздухоподготовки позволит значительно увеличить продолжительность реверсирования без опасности возникновения аварийной ситуации. Мощность, которой должна обладать система воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 рудника БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий», равна 12 МВт. При ее применении продолжительность реверсирования до наступления стадий размораживания изменится, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха с применением системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 ОАО «Уралкалий»: 1 - первая стадия; 2 - вторая стадия; 3 - третья стадия

Таким образом, применение системы воздухоподготовки позволит создать надежный и устойчивый подогрев воздуха на период реверсирования. В результате этого стадии размораживания тюбинговой и бетонной крепей будут значительно отнесены во времени, что создаст условия для продления возможного периода реверсирования вентиляционной струи и увеличения эффективности плана ликвидации аварий.

Размещено на Allbest.ru