Прогноз и выбор оптимальных параметров теплового режима при строительстве, эксплуатации и комплексном использовании горных выработок в криолитозоне

Из таблицы видно, что температура воздуха в период интенсивного проветривания (t_ох) изменяется в широких пределах и существенно зависит от температуры воздуха на первом этапе (бурение, крепление, уборка породы) и коэффициента теплоотдачи, причем, при соответствующем подборе последнего (Bi_пр) схема регулирования может быть использована даже при положительной температуре воздуха в призабойной зоне.

Выбор рациональных параметров теплового режима по критерию надежности работы машин и механизмов проведен для условий проходки выработок и ведении очистных работ, где эта проблема, как показали наши натурные исследования, наиболее значима. Проведенными исследованиями, было установлено, что в зависимости от климатических, геокриологических, технологических и экономических условий разработки пластовых месторождений криолитозоны всегда существует оптимальное значение температуры воздуха на выходе из лавы, при котором эффект от кондиционирования воздуха по технологическому критерию (снижению длительности рабочих операций по креплению лавы), будет максимальный. Равно, как и существует предельная температура воздуха, выше которой подогревать его нецелесообразно. На рис.1 приведены графики изменения оптимальной температуры в типичной очистной выработке угольной шахты криолитозоны, которые наглядно подтверждают данную закономерность.

Рис.1. Экономическая эффективность кондиционирования воздуха в очистной выработке угольной шахты.

К(Т) - эргономический коэффициент, доли единицы.

Графики построены на основании разработанной методики выбора оптимальных параметров теплового режима очистных выработок криолитозоны. Методика позволяет также прогнозировать изменение температуры по длине лавы и рассчитывать установочную и эксплуатационную мощность калориферной установки при локальной схеме регулирования теплового режима.

2.Математическое моделирование горнотехнических систем регулирования теплового режима подземных сооружений при управлении процессами по критерию экономии энергии должно проводиться на основе представления их как систем с распределенными параметрами, характеристики которых изменяются во времени, с использованием методов многомерной оптимизации соответствующих целевых функций затрат на создание нормативных параметров микроклимата.

Проведены комплексные теоретические исследования горнотехнических систем регулирования теплового режима подземных сооружений различного назначения как связанных с горным производством (шахты, рудники), так и не связанных (подземные холодильники, защитные сооружения, специальные геоаккумуляторы). Были исследованы основные классы горнотехнических систем: обыкновенные, рекуперативные, регенеративные, смешанные (рекуперативные, работающие в регенеративном режиме) и комбинированные, включающие горные выработки и скважинные коллекторы.

Для тепловых расчетов параметров вентиляционной струи в горнотехнических системах кондиционирования 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 рассмотренных классов. 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 в частных производных, а именно: двухмерного уравнения энергии для воздуха и уравнений Фурье для описания теплового поля в талой и мерзлой зоне пород, 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, разработанная нами модель 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 породного массива в пределах зоны теплового влияния. Модель позволяет учесть переменность термического сопротивления по длине выработки и наличие произвольно распределенных нестационарных абсолютных источников тепловыделений. Подобная модель является наиболее полной из известных и адаптированной к различным условиям эксплуатации выработок, пройденных в криолитозоне. 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. Так как температура воздуха определена не явно, а ищется из численного решения соответствующей задачи Коши, для минимизации полученной целевой функции многих переменных, использовался метод Хука и Дживса, который не требует знания производных функций. 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 теплообменных выработок. Результаты математического моделирования, в частности, показали, что традиционное представление об эффективности параллельного соединения теплообменных выработок справедливо только в определенных случаях. В действительности, в зависимости от стоимостных параметров (затрат на проведение новых или реконструкцию старых выработок, стоимости тепловой и электрической энергии) последовательное соединение является более предпочтительным, как энергетически, так и экономически. Для инженерных расчетов получено простое выражение, позволяющее определить целесообразность того или иного способа соединения выработок в единую сеть:

,

где Z₃ -- стоимость электрической энергии, руб./кВт·ч; -- длительность периода эксплуатации выработок в году, час/год; Z₁ -- затраты на проведение и крепление погонного метра выработки, руб./м; E -- нормативный коэффициент, 1/год; E₁ -- нормативный коэффициент, учитывающий часть капитальных вложений, идущих на эксплуатацию теплообменных выработок, 1/год; N' -- мощность вентилятора, затрачиваемая на проветривание одного метра теплообменной выработки в год, кВт/ м·год.

Если условие выполняется, то имеет смысл соединение “n” выработок параллельно, если нет -- то последовательно. Оптимальное количество выработок, которое может быть соединено параллельно: n_o =(12К_а/К_в)^0,3. Выполненная оценка величин K_а и K_в показывает, что для вновь строящихся теплообменных выработок целесообразным соединением является только последовательное.

Для рекуперативных и регенеративных систем построены математические модели, основанные на применении современных методов экспериментальных исследований и вычислительной математики: метода подобия, факторного анализа, планирования эксперимента, регрессионного и статистического анализа, теории разностных схем. Оценку экономической эффективности систем проводили с помощью целевой функции приведенных затрат. Для характерных случаев определялись эффективные длина, сечение выработок и расход воздуха в них, а, для регенеративных систем также и длительность циклов проветривания выработок, которая является управляющим параметром. Комплексный анализ рекуперативных систем двух классов: «труба в трубе» и «разделительная стенка» показал, что, в отличие от существующих традиционных представлений, горнотехнические системы второго типа более эффективны, как с энергетической, так и экономической точки зрения.

Сложность условий, в которых проходятся выработки в зоне многолетней мерзлоты - наличие термальных вод, высокая интенсивность тепловых процессов, наличие сторонних, не из воздухопроводов, утечек (притечек) воздуха, сложные схемы проветривания и др. обусловили необходимость разработки не конкретной методики прогноза тепловых условий в выработке в период проходки, а обобщенной модели для тепловых расчетов, которая бы наиболее полно учитывала все особенности и возможные варианты проходки выработок в мерзлых породах, и позволяла бы оперативно получить методику прогноза для конкретного способа и условий проходки путем упрощения исходной модели.. В общем случае принято, что все параметры, входящие в уравнение теплового баланса, а именно: геометрические размеры выработки и трубопроводов, коэффициенты теплопередачи, источники абсолютных тепловыделений в выработке и воздухопроводах, количество транспортируемого ископаемого, расходы воздуха в выработке и воздухопроводах и др., являются функцией координат и времени. То есть по существующей терминологии параметры модели являются распределенными. Обобщенная модель получена в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных, которая для определения промежуточных параметров дополнена системой линейных алгебраических уравнений. В предложенном виде модель может быть реализована одним из численных методов, а, принимая во внимание известное и широко используемое допущение о том, что инерционным членом в уравнении энергии для воздуха можно пренебречь, модель представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая в некоторых частных случаях может быть решена аналитически или интегрируется с помощью стандартных программ. На графиках (рис.2) приведены результаты численных расчетов по предлагаемым уравнениям, с результатами расчетов по уравнениям, аналогичным тем, которые приведены в известных методиках А.Н.Щербаня, В.П.Черняка, Н.А.Брайчевой, В.Кертикова и др., где использовано допущение о возможности усреднения определяющих параметров по длине.

Рис. 2. Изменение температуры воздуха при движении по выработке и воздухопроводам.

Из графиков, представленных на рисунке, видно, что, следуя традиционному допущению о возможности усреднения исходных данных по длине выработки, мы можем получить не только количественно, но и качественно отличные результаты.

Исследованы закономерности формирования теплового режима выработок различного назначения при наличии рассредоточенных источников энергии. Результаты дали возможность получить новые представления о формировании температурного режима в горных выработках и энергоёмкости процесса кондиционирования рудничного воздуха при использовании рассредоточенных источников энергии. В частности, получены зависимости для определения оптимального количества установок, необходимых для энергетически и экономически эффективного регулирования теплового режима. Установлено, что наиболее эффективным способом регулирования теплового режима подземных сооружений является способ, основанный на использования рассредоточенных источников энергии. На рис. 3 показаны графики изменения суммарной мощности двух установок в зависимости от места их расположения по длине выработки.

горный сооружение тепловой режим

Рис. 3. Изменение суммарной мощности двух калориферных установок в зависимости от места их расположения.

Рис. 4. Изменение отношения длин в зависимости от коэффициента доставки воздуха.

Результаты исследований показали, что место расположения установок существенно влияет на суммарные энергетические затраты и в данном примере позволяет снизить их на 1535%. Установлено, что при переменном расходе воздуха в выработках распределение источников энергии по длине должно быть неравномерным. Получены формулы для определения оптимального расстояния между источниками в зависимости от закона изменения расхода воздуха в выработке и определена длина вентиляционного пути, при которой целесообразно использовать одну энергетическую установку, т.е. применять центральную схему регулирования теплового режима. На рис. 4 приведены графики изменения отношения расстояния между установками в зависимости от коэффициента доставки воздуха и различного числа энергетических установок в выработке. Из графиков видно, что с уменьшением коэффициента доставки отношение увеличивается, т.е. размещать установки по длине выработки для достижения максимального энергетического эффекта надо неравномерно. В случае постоянного расхода воздуха наиболее эффективным является равномерное распределение источников по длине.

Проведенные исследования послужили теоретической основой для разработки нового класса систем регулирования теплового режима, защищённых авторскими свидетельствами и патентами, которые позволяют существенно (до 30%) сократить затраты на обеспечение нормативных параметров микроклимата в подземных сооружениях криолитозоны.

3.Формирование энергетически эффективного теплового режима в подземных сооружениях криолитозоны, обеспечивающего комплексное использование горных выработок, должно проводиться на основе выбора рациональных объемно-планировочных решений по тепловому фактору и достигается оптимальными параметрами вентиляционного режима, циклического проветривания и нестационарной реверсии вентиляционной струи.

Новая концепция освоения подземного пространства при управлении процессами по критерию экономии энергии заключается в поэтапном использовании горных выработок для целей связанных и не связанных с горным производством, путем включения их в единую систему вентиляции и кондиционирования рудничного воздуха. Для реализации этой идеи разработаны и научно обоснованы новые технические решения по комплексному использованию горных выработок, в частности, по проектированию и строительству модульных подземных сооружений.. Проведенные комплексные оценочные тепловые расчеты показали, что в случае возникновения ЧС возможно обеспечить нормативные параметры микроклимата в защитных сооружениях, размещаемых в выработках двойного назначения, в необходимые сроки, не нарушая при этом тепловой и вентиляционный режим основных технологических модулей. Использование модульного принципа возможно и на действующих горнодобывающих предприятиях. На основе научного обоснования целесообразности включения выработок отработанных горизонтов горнодобывающих предприятий в системы вентиляции и кондиционирования рудничного воздуха, разработки новых способов регулирования теплового режима шахт и рудников Севера, методов расчета рациональных схем подготовки шахтных полей и объемно-планировочных схем подземных сооружений созданы конкретные схемы вскрытия месторождений малых рудных тел области многолетней мерзлоты, рудников средней мощности при переходе горных работ на подмерзлотные горизонты, а также схемы компоновки подземных холодильников и хранилищ. Разработанные схемы вскрытия и подготовки месторождений позволяют в среднем на 30-40% сократить энергетические затраты на кондиционирование рудничного воздуха. Предложена новая модульная схема компоновки подземных холодильников, основанная на использовании холодоаккумулирующих камер двойного назначения. При этом часть камер используется в обычное время в качестве элемента общей системы кондиционирования воздух в сооружении, а в условиях чрезвычайных ситуаций в качестве защитного сооружения. Использование нового подхода к проектированию подземных холодильников позволяет во многих случаях отказаться от использования холодильных установок или свести их мощность и время работы для поддержания нормативных параметров микроклимата в эксплуатационных камерах до минимума. Для реализации нового принципа при проектировании был разработан программный комплекс для ПЭВМ, с помощью которого представляется возможным выбрать оптимальные по энергетическому фактору объемно-планировочные решения подземных сооружений. Результаты математического моделирования позволили установить основные закономерности формирования теплового режима при наличии камер двойного назначения. В частности, на основании обработки данных, полученных в результате математического моделирования, установлена следующая закономерность: параметры целиков подземных сооружений криолитозоны зависят от температурных режимов эксплуатации соседних камер, причем существует оптимальное значение ширины целика, определяющее энергетическую эффективность функционирования подземного сооружения. На рис.5 приведены графики, подтверждающая данную закономерность.

а) б)

Рис. 5. Изменение температуры в центре междукамерного целика (а) и рациональная (по минимуму температуры в центре целика в сентябре третьего года эксплуатации) ширина междукамерного целика при эксплуатации камер с различной температурой и проморозкой при температуре, равной -40^ОС (б).

Из графиков следует, что в зависимости от выбранного из технологических соображений порядка расположения камер должна изменяться и ширина междукамерного целика. Т.е., при проектировании подземных сооружений криолитозоны, в частности холодильников, расчеты междукамерных целиков необходимо проводить по двум определяющим факторам: устойчивости пород и тепловому, а в проектные решения закладывать наибольшее из полученных значений ширины целика.

Разработана методика выбора оптимальных параметров разделительных перемычек подземных объектов специального назначения, обеспечивающих не только заданный уровень безопасной эксплуатации конкретного объекта в различных нормативных режимах, но и повышающих энергетическую и экономическую эффективность использования объекта в обычный период, а также гарантирующих оптимальность проектных решений. В частности, оптимальная толщина изоляционного слоя перемычки определяется из следующего выражения

м

Здесь С_э - стоимость электрической энергии, руб/квтч; Сґ_м - стоимость материала теплоизоляции с учетом затрат на возведение второго слоя перемычки, руб./м³; _о,д - толщина бетонного и теплоизоляционного слоя, м; л_0, л₁ - коэффициент теплопроводности бетона и теплоизоляционного материала, Вт/м К; К_а - коэффициент амортизации средств, 1/год; Т₁,Т₂-температуры воздуха в разделяемых камерах, К; ф - количество часов эксплуатации камеры в году, час/год.

На базе проведенных исследований и установленных закономерностей обоснованы основные принципы проектирования подземных сооружений в криолитозоне при управлении процессами по критерию экономии энергии. К основным из них ним относятся:

- использование специальных холодоаккумулирующих выработок, в том числе двойного назначения;

- выбор оптимальных режимов проветривания выработок подземного сооружения с целью максимального использования природного холода;

- управление тепловым режимом камер с помощью специальных теплоизолирующих покрытий, которые одновременно выполняют функцию крепи;

- выбор оптимальных объемно-планировочных решений, в частности ширины междукамерных целиков по энергетическому фактору и пролета камер в зависимости от температурного режима эксплуатации;

- выбор оптимальных параметров разделительных перемычек.

Вариантные расчеты показывают, что реализация приведенных принципов позволяет существенно сократить затраты энергии на обеспечение нормативных параметров микроклимата, а в некоторых случаях полностью отказаться от использования кондиционирующего оборудования. Совокупность результатов исследований позволяет при проектировании новых и реконструкции действующих подземных сооружений различного назначения максимально учесть влияние теплового фактора на эксплуатационные характеристики и обеспечить минимум энергетических затрат для создания нормативных параметров микроклимата

Оценка энергетической и экономической эффективности использования нестационарных вентиляционных режимов для регулирования теплового режима, в частности влияние изменения расхода воздуха в годовом цикле для достижения заданного критерия качества (рис. 6), за который в данном случае принята температура поверхности горных пород (T 0C) на заданном расстоянии от начала горной выработки, выявила следующую закономерность.

Рис. 6. Изменение температуры стенки в конце горной выработки при различных расходах воздуха в зимний период.

1 - при максимальном - 15 м³/с; 2 - при минимальном - 5 м³/с;

3 - при оптимальном.

Достижение критерия качества: возможно как при максимальном, так и при оптимальном расходе воздуха, но условный суммарный расход воздуха в течение зимнего цикла во втором случае почти в 1,5 раза ниже. То есть, регулирование расхода воздуха в течение периода охлаждения без ущерба для критерия качества позволяет снизить энергозатраты в рассматриваемом случае в два раза.

Для оценки эффективности различных режимов проветривания были разработаны алгоритмы и программы для численного моделирования температурных условий в горных выработках и окружающем их массиве пород при циклическом проветривании, неравномерной периодической реверсии вентиляционной струи с изменением расхода воздуха. Результаты моделирования позволяют выбрать оптимальные по тепловому фактору расходы воздуха в период реверсии струи и мощность управляющей энергетической установки. Результаты отдельных численных расчетов по программам представлены на графиках (рис. 7).

Рис. 7. Изменение температуры воздуха и горных пород по длине выработок холодоаккумулирующего модуля при реверсии вентиляционной струи.

Как видно из графиков, при реверсии вентиляционной струи после пяти суток проветривания с температурой на входе в выработку, равной -40С, на седьмые сутки температура на почти половине длины выработки поднимается в среднем на 10--15С. Соответственно и мощность энергетической установки, которая необходима для дальнейшего увеличения температуры в модуле после прекращения реверсии значительно уменьшается. Если необходимо вновь использовать выработку в качестве аккумулирующего модуля (отмена назначения на переоборудование), то, как видно из нижнего графика на рис.7 уже на вторые сутки положение, практически восстанавливается. На графиках справа показано изменение температуры при реверсии вентиляционной струи после 33 суток промораживания. Хотя абсолютные значения температуры прогрева в этом случае ниже, но общая тенденция сохраняется и эффективность реверсии очевидна.

Энергетическая эффективность циклического проветривания выработки определялась путем сравнения с постоянным проветриванием с неизменной скоростью. При проведении исследований в качестве сравнительных функций использовались: а) суммарные затраты на вентиляцию выработки при циклическом и постоянном проветривании; б) увеличение (уменьшение) общей длительности проветривания выработки для достижения заданного критерия качества; в) снижение (увеличение) длительности интенсивного проветривания (проветривания с максимальной скоростью воздуха). В качестве критерия качества использовалось количество холода, накопленного в породах, за заданный промежуток времени при постоянном проветривании выработки с неизменной скоростью. Результаты математического моделирования позволяют утверждать, что эффективность циклического способа проветривания по сравнению с простым понижением скорости значительно выше. Так, уменьшая время интенсивной вентиляции при циклическом проветривании выработки в два раза, мы снижаем темп охлаждения пород всего в 1,2 раза. Установлено также, что с течением времени эффективность циклического проветривания по сравнению с простым уменьшением скорости возрастает, т.е. темп изменения температуры, как на стенке выработки, так и по глубине для циклического случая выше, чем для случая простого уменьшения скорости Подтверждением этой закономерности могут служить результаты численных расчетов, приведенных в виде графиков на рис.8, где показано сравнение характеристик циклического и постоянного проветривания при различных периодах цикла для достижения одинакового уровня охлаждения породного массива в пределах деятельного слоя. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что циклический способ проветривания является эффективным инструментом управления температурным режимом горных пород, окружающих выработки, для целей накопления заданного количества холода (тепла) при управлении процессом вентиляции по критерию экономии энергии.

Рис.8. Сравнение характеристик циклического и постоянного режимов проветривания горной выработки

1-степень снижения (экономии) затрат; 2-степень увеличения общей длительности проветривания; 3 - степень снижения длительности интенсивного проветривания.

4. Нормативные параметры микроклимата в подземных сооружениях криолитозоны как в обычный, так и чрезвычайный периоды эксплуатации достигаются оптимизацией параметров теплоизоляции и использованием новых многофункциональных теплозащитных несущих конструкций на основе набрызг-бетона с изменяющимися по координатам физико-механическими свойствами.

На основе теоретических исследований разработаны аналитические методы расчета оптимальных параметров тепловой защиты подземных сооружений двойного назначения, которые обеспечивают их безопасную эксплуатацию в течение заданного времени. Отличительной особенностью выбора параметров тепловой защиты подобных объектов, является зависимость оптимального термического сопротивления от времени. Были рассмотрены сооружения цилиндрической и сферической симметрии. Зависимости получены из решения соответствующих задач теплообмена в безразмерном виде для критерия Био как функции других определяющих параметров, в частности чисел Фурье и Коссовича. Критерий Био определялся для условий эксплуатации подземных сооружений, не допускающих и допускающих оттаивание пород на заданную глубину за нормативный период времени. По известным числам Био определялось необходимое термическое сопротивление теплозащитного слоя, в том числе и для случая многослойной теплозащитной конструкции. Зависимости получены в простой аналитической форме, удобной для инженерных расчетов, а результаты вариантных расчетов представлены в виде номограмм. Например, для шаровой симметрии (сооружения камерного типа) выражения имеют вид:

а) для покрытий, не допускающих оттаивание пород

,

б) для покрытий, допускающих оттаивание на заданную глубину

; ;

; ; ; ; ;

Здесь: S и t, соответственно, безразмерные глубина оттаивания и температура воздуха в сооружении; Bi, F₀ и K₀ - критерии Био, Фурье и Коссовича.

Для оперативных расчетов построены номограммы (рис.9), охватывающие широкий диапазон условий эксплуатации подземных сооружений криолитозоны.

Рис.9. Номограмма для определения чисел Био контактирующих конструкций цилиндрической симметрии, допускающих оттаивание пород на заданную глубину.

Выполненные оценочные расчеты для различных геокриологических условий показывают, что даже при температуре пород, близкой к температуре плавления льда, можно обеспечить безопасную эксплуатацию подземных сооружений в нормативные сроки. При этом установлено, что с увеличением сроков эксплуатации и повышением естественной температуры породного массива, целесообразно проводить дополнительное охлаждение горных пород в пределах деятельного слоя. В характерных случаях, предварительное охлаждение пород позволяет снизить нормативное число Био почти в 3 раза, т.е. существенно снизить термическое сопротивления теплоизоляционного слоя. Получены зависимости для выбора рациональных параметров предварительного охлаждения пород до необходимой температуры, в частности длительности периода охлаждения и скорости вентиляционной струи.

Задачей экспериментальных исследований являлось установление качественных и количественных особенностей теплообмена в экспериментальной тупиковой выработке, имеющей участки с теплоизоляцией из пенополиуретана и без нее. В результате натурных наблюдений установлено, что наличие теплоизоляции существенно снижает интенсивность теплообмена между воздухом и горными породами: температурный перепад воздуха по длине выработки на теплоизолированном участке, в среднем, был равен 0,3 град/м, а на участке без теплоизоляции -- 0,8 град/м. Тепловую эффективность проветривания экспериментальной выработки можно охарактеризовать разностью теплосодержания входящей и исходящей вентиляционной струи(Q_J )._. В таблице 3 приведены расчетные значения Q_J для участков выработки с теплоизоляцией и без нее. Полученные величины существенно отличаются друг от друга, что свидетельствует о более интенсивных теплообменных процессах на участках без теплоизоляции.