Раздел 11

Термодинамические процессы горного производства.

Теплообмен в горных выработках, промерзание и оттаивание связных пород при открытой разработке

Тепловой режим в подземных выработках характеризу­ется совокупностью термодинамических параметров воздуха, ок­ружающего массива, горной массы, машин и людей. Основные термодинамические параметры для количественной оценки тепло­вого режима шахт и рудников-температура, энтальпия, влаго-содержание.

Тепловой режим шахт и рудников определяется температу­рой, влагосодержанием рудничного воздуха и скоростью его движения в подземных выработках. В настоящее время при глу­бинах подземных разработок свыше 900—1000 м необходимо искусственное охлаждение и осушение рудничного воздуха. При разработке многолетнемерзлых пород, наоборот, необходимо подогревать рудничный воздух.

Таким образом, как в одном, так и другом случаях возни­кает необходимость регулирования теплового режима в подзем­ных выработках.

Тепловой режим в подземных выработках должен обеспечи­вать комфортные условия труда человека, при которых бы он отдавал в окружающую среду столько тепла, сколько выделя­ется в его организме. Если теплопотери человека больше, чем количество тепла, вырабатываемого в его организме, то ему холодно и наоборот. Следовательно, температура воздуха, его влажность и скорость в подземных выработках должны быть такими, при которых бы существовало равновесие между теплом, вырабатываемым в организме человека, и теплом, отдаваемым им в окружающую среду.

Равнозначным в количественном отношении теплообменом конвекцией является отвод тепла из организма человека путем потовыделения. При выделении человеком 1 кг пота он теряет около 2260 кДж тепла и 8 г соли. Потовыделение происходит только в том случае, когда влажность воздуха не выше насы­щения.

Тепловой режим в подземных выработках должен поддержи­ваться таким, чтобы обеспечивался нормальный теплообмен организма человека с окружающей средой по всем четырем кана­лам: дыханием, лучеиспусканием, конвекцией и потовыделением. Канал теплообмена дыханием реализуется, когда температура воздуха ниже 310 К (37 °С).

Как показывает практика, комфортные условия труда по теп­ловому режиму при средней физической нагрузке на организм человека имеют место в том случае; когда температура, отно­сительная влажность и скорость движения воздуха в подземных выработках соответственно. равны 298 К (25 °С), 80—90% и 4 м/с.

Без регулирования рудничного микроклимата возможности сбалансирования количества вырабатываемого в организме чело­века тепла Q₄ с теплом Q_T, отдаваемым им во внешнюю среду, весьма ограничены. В какой-то степени это удается осуществить с помощью спецодежды, которая в зависимости от рудничного микроклимата может быть легкой или утепленной. При переходе из одного рудничного микроклимата в другой терморегуляционный аппарат человека старается сбалансировать величины Q₄ и Q_T, однако он обладает некоторой инерцион­ностью (10—15 мин) и поэтому резкие изменения параметров рудничного микроклимата и, в частности, температуры для организма человека весьма нежелательны. Если Q_T>Q₄, то наблюдается переохлаждение организма человека, что приводит к простудным заболеваниям, а если Q_T<Q₄ — возрастает частота его дыхания, повышается темпера­тура и при длительном сохранении этого условия возникают необратимые изменения в организме человека, приводящие к ухудшению его здоровья. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ. Влияние теплового режима рудничного воздуха сказывается на производительности труда горнорабочих, обеспечении безо­пасных условий их труда, поддержании устойчивости горных выработок (в условиях многолетней мерзлоты) и технологии разработки месторождений. С увеличением температуры рудничного воздуха обеспечить баланс между тепловыделением в организме человека и его тепло­обменом с окружающей средой становится все сложнее. Сбалансировать тепловыделение и теплообмен возможно: сокращением тепловыделения горнорабочего из-за увеличения перерывов в работе на отдых (ведет к снижению производительности его труда) и изменением температурного режима рудничного возду­ха до нормативных требований (связано с удорожанием ведения горных работ и не беспредельно по возможностям).

Оптимальным температурным режимом рудничного воздуха следует считать такой, при котором обеспечиваются безопасные условия для здоровья человека, минимальное удорожание горных работ за счет затрат на создание благоприятного микроклимата и максимальная производительность.

Промерзание связных пород при открытой разработке

Разработка связных пород в период года с отрицательными температурами

Открытым способом добывают около 40 % угля и 85 % железной руды, до 70 % руд цветных металлов, более 80 % агросырья. Еще больший объем земляных работ в этот период выполняется в условиях строительства.

В период года с отрицательными температурами разработка рыхлых и связных пород сопряжена со значительными трудно­стями, так как они промерзают иногда до 1,5 м. Разработка мерзлых пород требует их предварительной подготовки (оттаи­вания, механического или взрывного рыхления). При этом себе­стоимость разработки мерзлых рыхлых и связных пород в 2— 3 раза выше, чем талых, а производительность примерно во столько же раз ниже.

В зависимости от мощности исполнительных органов экскава­торов, применяемых на карьерах, допустимая глубина промер­зания до 0,5 м. На такую глубину грунт промерзает при темпера­туре примерно 263 К (— 10 ^СС). Мощность исполнительных орга­нов экскаваторов не является однозначным критерием допусти­мой глубины промерзания уступов карьеров. Большинство используемых на карьерах в настоящее время экскаваторов (как цикличных, так и непрерывного действия) обеспечивают разрушение промерзшего слоя глубиной до 0,3—0,4 м. Однако образующиеся при этом куски смерзшихся пород достигают 2 м (по максимальному размеру), что затрудняет их погрузку и транспортирование.

Использование техники непрерывного действия в период года с отрицательными температурами становится практически невоз­можным, так как при глубине промерзания до 15—20 см обра­зующиеся после экскавации куски смерзшейся породы достигают 60—80 см и являются нетранспортабельными для конвейеров. В связи с этим комплексы непрерывного действия останавливают на зимний период, что приводит к большим убыткам. Так, на­пример, только 1 ч простоя роторного комплекса производитель­ностью 5 тыс. м³/ч приводит к убыткам, которые в денежном выражении составляют около 3 тыс. руб. В общегосударствен­ном масштабе убытки от простоев роторных комплексов в зимний период составляют сотни миллионов рублей.

Одним из основных мероприятий, которое позволит обеспе­чить круглогодичную разработку рыхлых и связных пород на карьерах с высокими технико-экономическими показателями, яв­ляется покрытие уступов и бортов карьеров теплоизоляционны­ми материалами, препятствующими промерзанию массива на глу­бину выше допустимой. Критерии допустимой глубины промер­зания — мощность применяемых экскаваторов, линейные разме­ры их ковшей и самое главное — транспортабельность образую­щихся мерзлых кусков породы.

Для оценки глубины промерзания и параметров теплоизоля­ционных покрытий необходимо для каждого района знать зави­симость изменения температуры окружающей среды в зимний период от времени. Если при известном изменении температуры в зимний период промерзание не превышает допустимой глубины, то необходимость в теплоизоляционных покрытиях отпадает, и наоборот. Толщину и тепловые свойства теплоизоляционных покрытий можно выбирать такими, чтобы полностью предотвратить про­мерзание уступов и бортов карьеров, или же такими, при которых промерзание будет происходить на глубину, не превышающую допустимую. В этом случае, когда кроме теплообмена имеет место и массообмен, для оценки критерия следует пользоваться приве­денным коэффициентом теплообмена, определяемым по фор­муле. Источники тепла в подземных выработках

Учет источников тепловыделения в выработках и определение их интенсивности необходимы для составления уравнений теп­лового баланса, на основании которых производят расчет необходимого расхода воздуха и его температуры.[2, 6,8]

Контрольные вопросы

1. Условия геометрического подобия термодинамических процессов.

2. Условие подобия термодинамических процессов, выраженное через коэф­
фициенты перехода.

3. Правило образования критериев подобия.

4. Назовите основные критерии в термодинамике, их физический смысл и
пределы изменений.

5. Назовите и объясните условия однозначности термодинамических про­
цессов.

6. Какая разница между теплоотдачей и теплопередачей?

7. Каким параметром характеризуется интенсивность конвективного тепло­
обмена и от чего она зависит?

8. От чего и как зависит интенсивность лучистого теплообмена?

9. Основные характеристики пограничного слоя и условия переноса тепла
в нем при конвективном теплообмене.

10.Способы определения термодинамических параметров теплоносителей, их
различие.

Поиск по сайту: