|
DOI: 10.25136/2409-7543.2022.4.38938
EDN: DUMHVO
Дата направления статьи в редакцию:
13-10-2022
Дата публикации:
30-12-2022
Аннотация:
Тепловой режим подземных сооружений криолитозоны различного назначения, как связанных , так и не связанных с горным производством, является важным фактором, определяющим их надежную и безопасную эксплуатацию. В связи с этим, прогноз теплового режима в горных выработках является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции подземных сооружений в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты. Одним из главных источников тепловыделений в выработках является работа дизельной техники, которая широко применяется, как при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, так и для обеспечения технологических процессов в подземных сооружениях не горного профиля. Целью исследований являлась количественная оценка влияния работы дизельных установок на тепловой режим в подземных сооружениях криолитозоны. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние дизельной техники на приращение температуры воздуха в подземном сооружении в зависимости от времени года и к.п.д. дизельной установки. Показано, в частности, что в наиболее вероятном диапазоне изменения к.п.д. дизельной установки, температура воздуха может изменяться от 3,2 до 6,3 °С, в зависимости от нормативных значений расхода вентиляционного воздуха. Установлено, что приращение температуры не зависит от количества одновременно работающих дизельных установок и определяется только удельным нормативным расходом воздуха (м3/с на 1кВт мощности установки).
Ключевые слова:
подземное сооружение, тепловой режим, дизельная установка, температура, криолитозона, расчет, мощность, эффективность, вентиляция, безопасность
Abstract: The thermal regime of underground cryolithozone structures for various purposes, both related and not related to mining production, is an important factor determining their reliable and safe operation. In this regard, the forecast of the thermal regime in mine workings is a mandatory and important element in the justification of design solutions for the construction and reconstruction of underground structures in the areas of distribution of continuous and island permafrost. One of the main sources of heat generation in the workings is the work of diesel equipment, which is widely used, both in the development of mineral deposits by the underground method, and to ensure technological processes in underground structures of non-mining profile. The purpose of the research was to quantitatively assess the effect of diesel installations on the thermal regime in the underground structures of the cryolithozone. The results of numerical calculations are presented in the form of 2D and 3D graphs, which allow you to visually assess the effect of diesel equipment on the increment of air temperature in the underground structure, depending on the time of year and the efficiency of the diesel installation. It is shown, in particular, that in the most probable range of changes in the efficiency of a diesel installation, the air temperature can vary from 3.2 to 6.3 °C, depending on the standard values of the ventilation air flow. It is established that the temperature increment does not depend on the number of simultaneously operating diesel units and is determined only by the specific standard air flow (m3 / s per 1 kW of installation power).
Keywords: underground structure, thermal regime, diesel installation, temperature, permafrost, calculation, power, efficiency, ventilation, safety
Введение. Тепловой режим подземных сооружений криолитозоны различного назначения, как связанных (шахты, рудники), так и не связанных (склады, убежища) с горным производством является важным фактором, определяющим их надежную и безопасную эксплуатацию [1,2,3,4]. Особенно негативное влияние теплового фактора сказывается при эксплуатации подземных сооружений, расположенных в дисперсных мерзлых породах, когда в зоне теплового влияния выработок находятся насыщенные льдом породы (льдогрунты) или ледяные включения в породном массиве. Даже при отрицательной температуре воздуха в выработках льдонасыщенные дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на безопасности эксплуатации подземных сооружений в криолитозоне [5,6,7,8,9]. В связи с этим, прогноз теплового режима в горных выработках является обязательным и важным элементом обоснования проектных решений для строительства и реконструкции подземных сооружений в зонах распространения сплошной и островной мерзлоты [4,10,11,12]. На формирование теплового режима подземных сооружений оказывают влияние множество факторов (источников тепла), которые условно можно разделить на относительные (мощность которых зависит от температуры воздуха в выработке) и абсолютных (мощность которых не зависит от температуры воздуха) [1]. Во многих случаях, именно абсолютные источники являются основными и определяют тепловой режим в подземных сооружениях [13,14,15,16,17]. Одним их таких источников тепловыделений является работа дизельной техники, которая широко применяется, как при разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом, так и для обеспечения технологических процессов в подземных сооружениях не горного профиля.
Целью настоящих исследований являлась количественная оценка влияния работы дизельных установок на тепловой режим в подземных сооружениях криолитозоны.
Метод. Если рассматривать дизельную машину, как точечный абсолютный источник тепла, то основная расчетная формула будет иметь вид [18]:
 (1)
где  – приращение температуры воздуха в выработке, 0С; N – мощность двигателя, кВт;  - к.п.д. двигателя, д.е.;  – плотность воздуха, кг/м3; c – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг 0С; Q – расход воздуха в выработке, м3/с.
Расход воздуха в выработке при работе дизельной техники определяется по формуле:
Q = QoN (2)
где – Qo нормативный расход воздуха на один кВт мощности двигателя (0.113 м3/с при нормативе 5.0 м3/мин. на 1 л.с. или 0.086 м3/с при нормативе 3.5 м3/мин. на 1 л.с.). Общая формула для перевода нормативного расхода воздуха в [(м3/мин)/(л.с.)] в [(м3/с)/(кВт)] имеет вид
Qo (кВт) = 0,023+0,018Qo(л.с.). (3)
Подставляя выражение (2) в (1), с учетом (3), получим:
 (4)
Здесь Qo - нормативный расход воздуха на одну л.с. мощности двигателя, м3/мин.
Результаты и обсуждение. Анализ выражения (4) показывает, что суммарная мощность дизельных установок (количество одновременно работающих машин в горной выработке) не оказывает влияния на приращение температуры воздуха в выработке, которое, главным образом, определяется средним значением к.п.д. дизельного двигателя. Причем, приращение температуры в летний период (при постоянном к.п.д.), естественно больше, чем в зимний (в среднем, на 10%), т.к. плотность воздуха зимой выше, а влагосодержание ниже.
На графиках (рис. 1) приведены зависимости приращения температуры от к.п.д. двигателя при различных нормативных расходах воздуха.
Рис. 1. Приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке
Примечания: 1-в зимний период (при нормативе 5м3/мин. на 1 л.с.); 2-в летний период (при нормативе 5м3/мин. на 1 л.с.); 3-в зимний период (при нормативе 3.5 м3/мин. на 1 л.с.); 4-в летний период (при нормативе 3.5 м3/мин. на 1 л.с.); 5-в зимний период (при нормативе 2.8 м3/мин. на 1 л.с.); 6-в летний период (при нормативе 2.8 м3/мин. на 1 л.с.).
Из графиков следует, что максимальное приращение температуры при нормативном расходе 5м3/мин. на 1 л.с. может достигать для наиболее вероятного значения к.п.д. дизельного двигателя (0.4-0.5) 3,2-4,3 0С. При снижении нормативного расхода до 2.8 м3/мин. на 1 л.с. приращение температуры возрастает до 4.7- 6.3 0С.
На рисунке 2 представлены графики приращения температуры воздуха в подземной выработке (камере) при работе дизельной технике в диапазоне изменения расхода воздуха от 2,0 до 5,0 м3/мин. на 1 л.с. при различных значениях к.п.д. двигателя. Как видно из графиков, с уменьшением нормативного расхода воздуха температура воздуха в выработке повышается. Причем, чем меньше к.п.д. двигателя, тем темп изменения выше. От количества машин, работающих в выработке одновременно, изменение температуры не зависит. Изменение в летний период незначительно больше, чем в зимний.
Рис. 2. Приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке в зависимости от величины нормативного расхода воздуха
Примечания: 1-в зимний период (при к.п.д. 0,5); 2-в летний период (при к.п.д. 0,5); 3-в зимний период (при к.п.д. 0,4); 4-в летний период (при к.п.д. 0,4); 5-в зимний период (при к.п.д. 0,3); 6-в летний период (при к.п.д. 0,3).
На рисунке 3 представлен 3D график приращения температуры воздуха в выработке (камере) при работе дизельной технике в различных диапазонах изменения нормативных расходов воздуха на 1 л.с. и к.п.д. дизельного двигателя.
Рис. 3. Приращение температуры воздуха (Т, 0С) при работе дизельной техники в выработке:
1- в зимний и 2- в летний период года
Анализ графиков на рисунке подтверждает ранее сделанные вводы о роли дизельной техники в формировании теплового режима камер подземного сооружения. Для рассматриваемых условий приращение температуры воздуха не превысит 6,50С. Причем, как в зимний, так и летний периоды года это улучшит климатические условия в горных выработках.
Заключение. Выполнена оценка влияния работы дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений при различных нормативных значениях расхода воздуха. Результаты численных расчетов представлены в виде 2D и ЗD графиков, которые позволяют наглядно оценить влияние дизельной техники на приращение температуры воздуха в подземном сооружении в зависимости от времени года и к.п.д. дизельной установки. Показано, в частности, что в наиболее вероятном диапазоне изменения к.п.д. дизельной установки, температура воздуха может изменяться от 3,2 до 6,3 0С, в зависимости от нормативных значений расхода вентиляционного воздуха. Эти приращения являются значительными и могут оказать существенное влияние на выбор параметров крепи в подземном сооружении. Установлено, что приращение температуры не зависит от количества одновременно работающих дизельных установок и определяется только удельным нормативным расходом воздуха (м3/с на 1кВт мощности установки).
Статья имеет прежде всего методическое значение и позволяет на конкретном примере детально проследить пути качественного и количественного анализа ожидаемого влияния дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений криолитозоны. Статья может быть полезна как инженерам-проектировщикам и практикам горного строительства, так и научным работникам в области горной теплофизики и рудничной аэрологиии. В методическом плане статья может представлять интерес для аспирантов, обучающимся по различным специализациям направления 2.6.8 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика» а также студентам, обучающимся по горным и строительным специальностям данного направления. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку формирования теплового режима в камерах подземных сооружений при непостоянной (периодической) работе дизельных установок и, соответственно, различном режиме вентиляции камер.
Библиография
1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики. М.:Недра.1968. 256с.
2. Скуба В.Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1974. 118 с.
3. Шерстов В.А. Повышение устойчивости выработок россыпных шахт Севера. Новосибирск : Наука, 1980. 56 с.
4. Кузьмин Г.П. Подземные сооружения в криолитозоне. Новосибирск: Наука, 2002.176 с.
5. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Новосибирск: Наука, 1975. 176 с.
6. Teng J, Shan F, He Z, Zhang S, Sheng D (2018) Experimental study of ice accumulation in unsaturated clean sand. Géotechnique. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208
7. Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature Effect on the Compressive Strength of Frozen Soils: A Review. Recent Advances in Geotechnical Research, Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 2019, 227-236.
8. Вялов С.С. Реологические основы механики мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1978. 447 с.
9. Цытович Н.А. Механика мёрзлых грунтов. М.: Высш. школа, 1973. 448 с.
10. Галкин А.Ф. Тепловой режим рудников криолитозоны//Записки Горного института. 2016. Т.219. С. 377-381.
11. Вернигор В.М., Морозов К.В., Бобровников В.Н. О подходах к проектированию теплового режима рудников в условиях многолетнемерзлых пород// Записки Горного института. 2013. Т. 205. С. 139-140.
12. Шувалов Ю.В., Галкин А.Ф. Теория и практика оптимального управления тепловым режимом подземных сооружений криолитозоны//Горный информационно-аналитический бюллетень(научно-технический журнал).2010. № 8. С.365-370.
13. Sh. Zhu, Sh. Wu , J. Cheng , S. Li and M. Li. An Underground Air-Route Temperature Prediction Model for Ultra-Deep Coal Mines. Minerals, 2015, 5, 527-545; doi:10.3390/min5030508
14. Лашин А.А. Влияние твердеющей закладки в очистных камерах на микроклимат глубоких шахт//Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2014. №10(68). С.3-11.
15. Казаков Б. П., Шалимов А.В., Зайцев А.В. Влияние закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках в условиях рудников ОАО «Норильский никель» //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2012. № 2. С. 110-114.
16. Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Соловьев Д.Е. Особенности формирования теплового режима россыпных шахт криолитозоны при ведении добычных работ с применением самоходной техники// Горный журнал. 2015. №4. С.29-32.
17. Казаков Б.П., Зайцев А.В. Исследование процессов формирования теплового режима глубоких шахт и рудников//Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014. № 10.С. 91-97.
18. Галкин А.Ф., Дормидонтов А.В., Курта И.В., Короткова К.Б. Влияние дизельных машин на температурный режим горных выработок // Естественные и технические науки. 2018. №5. С.84-86.
References
1. Dyadkin Yu.D. (1968).Osnovy gornoi teplofiziki. M.:Nedra.
2. Scuba V.N. (1974). Issledovanie stoyaniya gorykh vyrobotki v conditions of permafrost. Novosibirsk: Nauka.
3. Sherstov V.A.(1980). Povyshteniei sorotanie vysrabotok placerachnykh shakhty Severa. Novosibirsk : Nauka.
4. Kuzmin G.P.(2002). Underground structures in cryolithozone. Novosibirsk: Nauka.
5. Votyakov I.N. (1975). Physical and mechanical properties of frozen and thawing soils of Yakutia. Novosibirsk: Nauka.
6. Teng J, Shan F, He Z, Zhang S, Sheng D (2018) Experimental study of ice accumulation in unsaturated clean sand. Géotechnique. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208
7. Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. (2019).Temperature Effect on the Compressive Strength of Frozen Soils: A Review. Recent Advances in Geotechnical Research, Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 227-236.
8. Vyalov S.S.(1978). Rheological foundations of the mechanics of frozen soils. M.: Vyssh. shkola.
9. Tsytovich N.A. (1973). Mechanics of frozen ground. M.: Vysshaya shkola.
10. Galkin A.F. (2016).Thermal regime of mines cryolithozones//Notes of the Mining Institute, 219, 377-381.
11. Vernigor V.M., Morozov K.V., Bobrovnikov V.N.(2013). On approaches to the design of the thermal regime of mines in the conditions of permafrost rocks // Notes of the Mining Institute, 205, 139-140.
12. Shuvalov Yu.V., Galkin A.F.(2010). Theory and practice of optimal thermal management of underground structures of cryolithozone // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal), 8, 365-370.
13. Sh. Zhu, Sh. Wu , J. Cheng , S. Li and M. Li. (2015). An Underground Air-Route Temperature Prediction Model for Ultra-Deep Coal Mines. Minerals, 5, 527-545; doi:10.3390/min5030508
14. Lashin A.A.(2014). Influence of hardening bookmarks in treatment chambers on the microclimate of deep mines // East European Journal of Advanced Technologies,10(68), 3-11.
15. Kazakov B. P., Shalimov A.V., Zaitsev A.V. (2012). The influence of laying works on the formation of a thermal regime in mining in the conditions of mines of JSC "Norilsk Nickel" // Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovannogo polytechnicogo universiteta, 2, 110-114.
16. Kurilko A.S., Khokholov Yu.A., Solovyov D.E. (2015). Features of the formation of the thermal regime of placer mines of cryolithozone in the conduct of mining works with the use of self-propelled technology // Mining Journal, 4, 29-32.
17. Kazakov B.P., Zaitsev A.V.(2014). Research of the processes of formation of the thermal regime of deep mines and minesVestnik PNRPU. Geology. Oil and gas and mining, 10, 91-97.
18. Galkin A.F., Dormidontov A.V. , Kurta I.V. , Korotkova K.B. (2018). Influence of diesel engines on the temperature regime of mine workings Natural and technical sciences, 5, 84-86.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.
В представленной на рецензирование статье исследуется изменение температуры в камерах подземных сооружений при работе дизельных установок в контексте обеспечения безопасности.
Методология исследования базируется на рассмотрении дизельной машины в качестве точечного абсолютного источника тепла, применении метода математического моделирования теплового режима и визуализации результатов расчетов.
Актуальность работы авторы связывают с негативным влиянием теплового фактора при эксплуатации подземных сооружений, расположенных в дисперсных мерзлых породах, когда в зоне теплового влияния выработок находятся насыщенные льдом породы (льдогрунты) или ледяные включения в породном массиве, отмечают, что даже при отрицательной температуре воздуха в выработках льдонасыщенные дисперсные породы изменяют свои прочностные характеристики, что сказывается на безопасности эксплуатации подземных сооружений в криолитозоне.
Научная новизна рецензируемого исследования, по мнению рецензента состоит в проведенной оценке влияния работы дизельных установок на формирование теплового режима в камерах подземных сооружений при различных нормативных значениях расхода воздуха.
В тексте статьи структурно выделены следующие смысловые разделы: Введение, Цель, Метод, Результаты и обсуждение, Заключение и Библиография.
Авторы приводят расчетные формулы для оценки приращения температуры воздуха в выработке, расхода воздуха в выработке при работе дизельной техники, перерасчета (перевода) нормативного расхода воздуха из одних единиц измерения в другие. На основе проведенных вычислений делается вывод о том, что суммарная мощность одновременно работающих машин в горной выработке не оказывает влияния на приращение температуры воздуха в выработке, которое, главным образом, определяется средним значением коэффициента полезного действия дизельного двигателя; отмечают, что приращение температуры в летний период в среднем на 10 % больше, чем в зимний, поскольку плотность воздуха зимой выше, а влагосодержание ниже. Текст иллюстрирован тремя рисунками, на которых показано приращение температуры воздуха при работе дизельной техники в выработке, ее зависимости от величины нормативного расхода воздуха, изменение температуры в зимний и летний периоды года. В Заключении подведены итоги исследования, показаны возможности практического использования полученных результатов и перспективы дальнейших разработок по оценке формирования теплового режима в камерах подземных сооружений при непостоянной (периодической) работе дизельных установок и, соответственно, различных режимах вентиляции камер.
Библиографический список включает 18 источников – публикации отечественных и зарубежных ученых теме статьи за период с 1968 по 2019 годы. В тексте имеются адресные ссылки на литературные источники, подтверждающие наличие апелляции к оппонентам.
В качестве замечаний следует отметить следующие моменты. Во-первых, представляется целесообразным расширить библиографический список за счет публикаций, изданных в последние годы. Во-вторых, для облегчения восприятия представленной на рисунке 2 информации его стоит увеличить.
Рецензируемый материал соответствует направлению журнала «Вопросы безопасности», подготовлен на актуальную тему, содержит теоретические обоснования, элементы научной новизны и практической значимости, отражает результаты проведенных автором статьи расчетов, которые могут вызвать интерес у читателей. Статья рекомендуется к опубликованию после некоторой доработки в соответствие с высказанными замечаниями.
Ссылка на эту статью
Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также
попробовать найти похожие
статьи
|
