Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах. Практическая работа №1. Занятие 1 Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах

• Название: Занятие 1 Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах
• Анкор: Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах
• Дата: 03.03.2022
• Размер: 318.5 Kb.
• Имя файла: Практическая работа №1.doc
• Тип: Занятие; #381773
• страница: 1 из 2

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1
Расчет тепловыделений и борьба

с избыточным теплом в шахтах
Цель практического занятия - закрепление теоретических знаний, полученных при изучении раздела «Гелиофизические и метеорологические факторы», и овладение методикой расчета тепловыделений в выработки глубоких шахт и выбора технических решений по борьбе с избыточным теплом.

Общие сведения. Климатические условия в подземных выработках, особенно в глубоких шахтах, как правило, отличаются от климатических условий на земной поверхности. Микроклимат горных выработок (т. е. действующее в них на организм человека сочетание температуры, влажности, скорости движения воздуха, его давления и температуры окружающих поверхностей) в значительной степени зависит от теплообменных процессов, происходящих на пути движения воздуха. Под воздействием этих процессов температура шахтного воздуха в выработках существенно повышается с увеличением глубины ведения горных работ.

Нагревание воздуха, движущегося по горным выработкам, происходит в результате:

• 
  теплообмена между потоком шахтного воздуха и окружающим выработки массивом горных пород, т. е. охлаждения пород;
  
• 
  естественного адиабатического сжатия воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам;
  
• 
  изменения содержания влаги в воздухе;
  
• 
  теплообмена между воздухом и подземной водой, текущей по выработкам;
  
• 
  окисления угля, угольной пыли, сульфидных руд, крепежного леса и некоторых других веществ;
  
• 
  охлаждения отбитых и транспортируемых масс угля и породы;
  
• 
  работы горных машин и механизмов;
  
• 
  выделения тепла осветительными установками, электрическими кабелями, трубопроводами сжатого воздуха, телом человека, а также действия других второстепенных факторов.
  

Вызванное перечисленными факторами приращение температуры шахтного воздуха (^оС = К), может быть определено из выражения



где Q_i - суммарное количество теплоты, идущее на нагревание воздуха, кДж/ч; С_р - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгК);  - плотность воздуха, кг/м³; V - объемный расход воздуха, м³/ч.

Шахтный воздух уже при температуре свыше 25 С оказывает отрицательное тепловое воздействие на физиологию и гигиену труда подземных рабочих. При задержке отдачи телом человека накопившегося в нем тепла возникает перегрев организма, осложняющий протекание жизненных процессов. Чрезмерный перегрев организма вызывает ухудшение самочувствия человека, приводит к серьезным заболеваниям (в наиболее тяжелых случаях - к тепловому удару, или стрессу, или даже к смерти), увеличивает вероятность травматизма, снижает производительность труда.

Изменение температуры воздуха (и других параметров микроклимата) в подземных выработках оказывает влияние также на физико-механические свойства горных пород и на безопасное состояние сооружений и выработок.

Расчет выделения теплоты в выработки глубоких шахт ведется по следующим зависимостям.
1. тепловыделение при охлаждении горных пород. Количество теплоты Q_охл, кДж/ч, выделяющееся вследствие охлаждения окружающих выработку горных пород, описывается уравнением Ньютона для конвективного теплообмена

,

где К_ - коэффициент нестационарного теплообмена между массивом горных пород и воздухом, кДж/(м²чК) (рассчитывается по формуле, приводимой ниже); Р и l - периметр и длина выработки, м; t_п - естественная температура неохлажденных пород на данной глубине, (^оС = К, расчет приводится ниже); t_в= t_пб - допустимая температура воздуха в выработке, ^оС (принимается согласно Правилам безопасности).

Коэффициент К_, кДж/(м²чК) определяется по формуле



где  - коэффициент теплопроводности породы, кДж/(мчК) (принимается по табл. 3.1); ₀ - суммарный коэффициент теплоотдачи от стен шахтной выработки к воздуху, кДж/(м²чК) (расчет ниже); R_э - эквивалентный радиус выработки, м: а - коэффициент температуропроводности породы, м²/ч: (принимается по табл. 3.1); с_п - удельная теплоемкость породы, кДж/(кгК) (принимается по табл. 3.1); _п - плотность породы, кг/м³ (принимается по табл. 3.1);  - расчетное время процесса теполообмена, ч (например, при длительности процесса теплообмена 4 года значение  = 436524 = = 35040 ч).
Таблица 3.1

Тепловая характеристика пород

Порода	, кг/м3	сп, кДж/(кгК)	, кДж/(мчК)	а, м2/ч
Песчаник (Центральный Донбасс)	2475	0,854	9,211	0,00436
Глинистые и песчанистые сланцы (там же)	2450	0,904	6,363	0,00287
Уголь (там же)	1225	1,184	1,051	0,00073
Бурый уголь (Челябинский бассейн)	1210	1,130	0,913	0,00067
Каменный уголь (Карагандинский бассейн)	1275	1,055	0,963	0,00072
Углистый сланец	1765	1,021	3,006	0,00167
Глинистый сланец	2433	0,992	3,354	0.00139
Змеевик	2690	0,950	5,694	0,00223
Гранит	2722	0,917	7,972	0.00319
Серный колчедан (Дегтярское месторождение)	4620	0,908	15,010	0,00358
Медный колчедан (там же)	4716	0,862	15,165	0,00373

Суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности горной выработки ₀, кДж/(м²чК), находится их выражения



где _к - конвективный коэффициент теплоотдачи от стен выработки к воздуху, кДж/(м²чК)



где v - скорость движения воздуха в выработке, м/с; Д_э - эквивалентный диаметр выработки, м: _и - коэффициент, учитывающий испарения влаги с мокрых стен выработки, кДж/(м²чК)



где  - коэффициент массоотдачи (коэффициент испарения), кг/(м²чК), принимается равным 0,01 - для стволов, 0,15 - для капитальных выработок, 0,03 - для лав; r - теплота парообразования воды, принимается r = 2256 кДж/кг.

Температура горных пород в массиве t_п , ^оС, на заданной глубине Н, м, от земной поверхности определяется по формулам:

или

где t_п - температура пород нейтрального слоя (зоны с постоянной температурой пород) в данной местности; принимается примерно равной среднегодовой температуре воздуха на земной поверхности в данном районе, ^оС; t_н = 8,5; 2,5; 2,5; 3,0 С для условий соответственно Донбасса, Кузбасса, Караганды и Мосбасса; Н₀ - глубина (толщина) нейтрального слоя, м: Н₀ = 20-40 м; Г_ст - геотермическая ступень данного района, м/^оС: в среднем Г_ст составляет для угольных месторождений 30–40 м/ ^оС, рудных 50-140 м/ ^оС, нефтяных 15-20 м/ ^оС;  - геотермический градиент, ^оС/м.
2. Тепловыделение при сжатии воздуха. Количество теплоты Q_сж, кДж/ч, выделяющееся при движении воздуха вниз по вертикальным и наклонным выработкам, определяется выражением



где  - плотность воздуха, кг/м³; V_в - количество воздуха, проходящего по выработке (объемный часовой расход воздуха), м³/ч: ; v - скорость движения воздуха в выработке, м/с; S - площадь поперечного сечения выработки, м²; Н - глубина расположения выработки, м; для наклонной выработки



где l_н - длина наклонной выработки;  - угол наклона выработки, град.
3. Тепловыделение при окислительных процессах. Количество теплоты Q_ок, кДж/ч, образующееся при окислении угля, угленосных сланцев, сульфидных руд и древесины, подсчитывается по формуле А. Ф. Воропаева



где q_ок - тепловыделение в результате окислительных процессов, приведенное к скорости движения воздуха в выработке, V = 1 м/с, кДж/(м²ч); q_ок можно принимать равным 12-21 кДж/(м²ч).

4. тепловыделение от местных источников. К местным источникам теплоты относят электродвигатели, трансформаторы, светильники, электрические кабели, трубопроводы сжатого воздуха, пневматические двигатели, другие тепловыделяющие машины, механизмы и устройства, а также работы, производимые с применением бетона на участке выработки или в призабойной зоне, когда тепло выделяется при его отвердении.

Расчетные формулы для определения количества теплоты от местных источников имеют следующий вид:
4.1. Тепловыделение при работе электродвигателей горных машин и освещения Q_эд, кДж/ч



где N_потр - потребляемая мощность электродвигателей и осветительных установок, кВт; k_з - коэффициент загрузки оборудования во времени: k_з = 0,8; _э - к. п. д. электродвигателя: _э = 0,95.
4.2. Тепловыделение в выработку (ствол, уклон, бремсберг и др.) при эксплуатации лебедок Q_л, кДж/ч:

- при подъеме груза лебедкой

- при спуске груза лебедкой

где N_л- установленная мощность электродвигателя лебедки, кВт; _м - механический к. п. д.: _м = 0,8.
4.3. Тепловыделение при работе трансформатора Q_тр, кДж/ч



где N_тр - мощность трансформатора, кВт; р_тр - тепловые потери трансформатора: р_тр = 0,040,05.
4.4. Тепловыделение при затвердевании монолитной бетонной крепи Q_б, кДж/ч



где q_б - удельное выделение теплоты при отвердевании бетона, кДж/(м²ч); принимается q_б = 200400 кДж/(м²/ч); Р - периметр выработки, м; l_ц - длина участка бетонирования, контактирующего с вентиляционной струей за один цикл проходки, м.
4.5. Тепловыделение при взрыве ВВ. В выработке большого сечения при использовании более 100 кт ВВ тепловыделение при взрыве Q_взр, кДж/ч, рассчитывается по формуле



где q_взр- удельное тепловыделение при взрыве 1 кг ВВ, кДж/кт; m_з - масса заряда, кг.

Рекомендуемые значения q_взр для применяемых ВВ:

Аммонит ПЖВ-20	3360		Аммонит АП-5ЖВ	3780
Угленит Э-6	2570		Аммонит скальный №1	5400
Победит ВП-4	3810		Аммонит № 6 ЖВ	4290
Аммонит АП-4ЖВ	3560		Игданит	3790

4.6. Тепловыделение при работе шахтных вентиляторов происходит в результате работы электродвигателя, внутренних потерь энергии в вентиляторе и аэродинамического сжатия воздуха. Количество теплоты Q_вен, кДж/ч, поступающее в выработку при работе вентилятора, выражается формулой

(3.1)

где V_вс - количество воздуха, проходящего по выработке (секундный расход), м³/с; h_в - депрессия выработки, Па;

(3.2)

где _в - коэффициент аэродинамического сопротивления трения выработки, Нс²/м⁴ = Па с²/м²; Р, l, S - периметр, длина и площадь поперечного сечения выработки, м, м, м²; v - средняя скорость движения воздуха по выработке, м/с;



_в= 0,60,8; _дв= 0,850,95 и _п - к. п. д. соответственно вентиляторной установки, вентилятора, двигателя и редукторной (_п= 1) или ременной (_п = = 0,90,95) передач.

Подставляя (3.2) в (3.1) и учитывая, что

м³/с,

получим (кДж/ч)



4.7. Тепловыделение при работе людей Q_л, кДж/ч



где q_л - количество теплоты, выделяемое работающим человеком, кДж/ччел q_л = 10502500 кДж/ччел.; n_л - число одновременно работающих людей в выработке.
5. Общее тепловыделение в выработку Q_общ, кДж/ч, находится суммированием всех частных выделений теплоты