3. Тепловой режим и тепловой баланс

Атмосферный воздух на поверхности и поступающий в горные выработки шахт меняет свои климатические параметры – температуру и влажность.

Изменение температуры воздуха t_в на поверхности определяется климатическими особенностями района месторождения и приближенно описывается уравнением

t_в = t_о + (t _max – t_о) cos ωτ, (4)

где t_о и t_max среднегодовая и максимальная температуры воздуха в районе по метеорологическим данным; ω = 2π/Т – частота температурных колебаний; Т – период температурной волны, т.е. когда t_в = t _max.

Воздух, поступающий в шахту зимой, охлаждает стенки воздухоподающих выработок, а сам нагревается; летом, наоборот, - воздух охлаждается, а стенки выработок нагреваются. Теплообмен наиболее интенсивно происходит в воздухоподающих выработках и на некотором расстоянии от их устья затухает, а температура воздуха становится близкой к температуре горных пород. Слой породы, температура которого меняется в течение года, называется тепловыравнивающей рубашкой или оболочкой.

Протяженность тепловыравнивающей оболочки зависит от количества и скорости движения воздуха, размеров выработок и теплофизических параметров горных пород. При небольшом количестве воздуха затухание амплитудыы колебаний наступает на небольшом расстоянии от околоствольного двора, при большом – амплитуда не затухает даже в очистных выработках.

В очистных и подготовительных выработках температура воздуха, как правило, несколько выше температуры пород; в выработках вентиляционного горизонта и в вентиляционных стволах она остается практически постоянной в течение года [1,7].

Относительная влажность воздуха в воздухоподающих выработках зависит от обводненности пород и влажности атмосферного воздуха. При более или менее сильном капеже в стволах и штольнях воздух быстро увлажняется, и относительная влажность становится близкой 90 – 95%. Если горные выработки пройдены по сухим породам или закреплены водонепроницаемой крепью, то относительная влажность рудничного воздуха полностью определяется влажностью атмосферного воздуха и температурными условиями в шахте или руднике.

Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяного пара он может содержать. Воздух, содержащий предельное количество водяного пара при данной температуре, называется насыщенным.

Влагосодержание воздуха d (г/кг) определяется из выражения

φ Р н. п

d = 622 ------------- , (5)

В – φРн. п

где φ – относительная влажность воздуха, %; Р н.п - давление насыщающих водух водяных паров, Па; В – нормальное атмосферное давление (В = 101325 Па).

При понижении температуры воздуха и неизменном его влагосодержании относительная влажность воздуха повышается, при повышении температуры воздуха, наоборот, понижается. В летнее время влагосодержание атмосферного воздуха довольно высокое, а при охлаждении его в горных выработках избыток влаги конденсируется на стенках выработок. В этом случае относительная влажность может достигать 100%, а в выработках шахт или рудников накапливаться значительное количество воды.

В зимнее время влагосодержание атмосферного воздуха, как правило, невелико и поэтому происходит чаще всего обратный процесс – осушение горных выработок.

Значительная сухость воздуха обуславливает его более высокую охлаждающую способность, что облегчает создание нормальных климатических условий в горных выработках.

Основным фактором, влияющим на изменение температуры воздуха в шахтах, является тепло-и массообмен с горными породами. Установлено, что температура горных пород с увеличением глубины возрастает.

К другим факторам, влияющим на изменение температуры рудничного воздуха, относятся следующие.

1. Естественное сжатие воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам, а также разрежение его при подъеме по этим выработкам. Ориентировочно можно считать, что при опускании на 100м сухой воздух нагревается на 1С, а при подъеме на 100м охлаждается примерно на ту же величину.

2. Окисление полезного ископаемого, горных пород и материалов крепи; окисление угля, сульфидных руд, дерева может происходить при сравнительно низких температурах (10-15С), причем скорость окисления определяется притоком кислорода и возрастает с увеличением последнего. Измельченное полезное ископаемое окисляется быстрее не измельчённого, так как поверхность контакта его с кислородом в этом случае увеличивается. Одним из факторов, влияющих на окислительные процессы полезного ископаемого, является наличие пирита в угле и в сульфидных рудах. Гниение крепежного леса обусловлено тем, что дерево содержит вещества, склонные к окислению, которое легко происходит в присутствии воды. Кроме того, дерево поражает микроорганизмы, причем жизнедеятельность их также связана с выделением тепла.

3. Процессы массообмена между воздухом и водой. Повышение влагосодержания воздуха в шахтах и рудниках может происходить адиабатически и не адиабатически. В первом случае тепло, расходуемое на испарение, отбирается только от воздуха, во втором случае также и от шахтной воды, если температура ее выше температуры воздуха.

4. Охлаждение горной массы при транспортировании ее по горным выработкам. Степень нагревания воздуха в этом случае зависит от способа транспортирования горной массы и от направления грузопотока по отношению к вентиляционной струе. Так, теплоотдача при транспортировании горной массы в вагонах меньше, чем конвейером. При движении грузопотока навстречу свежей струе теплоотдача его увеличивается.

5. Тепловыделения при работе машин и механизмов. Трение частей рабочих механизмов, работа электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания сопровождается выделением тепла. Особенно заметно повышение температуры по этой причине в тупиковых подготовительных выработках. Так, при работе проходческих комбайнов температура воздуха может повышаться на 10-12С. Повышение температуры воздуха на 2-3С наблюдается при работе вентиляторов местного проветривания.

6. К прочим причинам, способствующим повышению температуры воздуха, относится тепловыделение людей, охлаждение шахтных кабелей, трубопроводов сжатого воздуха, горение светильников и пр.

Тепловой баланс, т.е. распределение выделившегося в шахте или руднике по различным источникам, определяется конкретными горно-геологическими и горнотехническими условиями и, строго говоря, индивидуален для каждого горного предприятия.

По данным А.Н. Щербаня, тепловой баланс угольных шахт Донбасса в зависимости от глубины разработки характеризуется данными, приведенными в табл.1, из которых видно что при глубине выработки 900-1100м тепловой баланс складывается из: теплоотдачи горных пород (от 44,6 до 52,2%); окисления угля и дерева (от 25,6 до 31,5%); добытого ископаемого (8,3-9,1%); механической работы и электроэнергии (8,2-9,3%) и прочих факторов (4,9-6,3%).

Удельное тепловыделение пород рудников Кривбасса несколько меньше, чем в шахтах Донбасса, что может быть объяснено более значительными глубинами угольных шахт, на которых проводились наблюдения, и меньшим геотермическим градиентом в Кривбассе. Однако основные закономерности в изменениях удельного тепловыделения пород в выработках являются общими как для угольных шахт Донбасса, так и для криворожских металлических рудников.

По данным Ю.Д. Дядькина, годовой тепловой баланс одной из шахт, расположенной в районе многолетней мерзлоты, складывается из: теплоотдачи пород (до 60%); «абсолютных» тепловыделений при механической работе, работе электродвигателей и т.п.(до 34%); теплоты, образующейся при охлаждении транспортируемого ископаемого (до 13%); скрытой теплоты, поглощаемой при изменении влагосодержания (до 7%).

Из приведенных примеров следует, что в годовом тепловом балансе шахт и рудников основное значение имеет теплоотдача породного массива.