Моделирование динамики теплового режима тупиковых горных выработок с источником выделения теплоты

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения температуры воздуха в тупиковых горных выработках при ведении работ, связанных с выделением большого количества теплоты. Разработка способов нормализации термодинамических параметров рудничного воздуха в забоях на основе построения прогнозных математических моделей изменения теплового режима является необходимым условием обеспечения безопасности труда в горнодобывающей промышленности. Цель: получение зависимостей для определения скорости повышения температуры воздуха в тупиковой выработке при известных величинах интенсивности выделения теплоты и скорости ее отведения вентиляционной струей. Объекты: тупиковые выработки и окружающий породный массив. Методы: решение задачи нестационарного теплообмена рудничного воздуха и породного массива в сопряженной постановке с помощью преобразований Лапласа; оценка безопасности по газовому фактору интенсификации выноса теплоты из горной выработки путем увеличения подачи воздуха в забой за счет частично-повторного использования воздуха. Результаты. Проведен анализ проблемы отвода теплоты, выделяющейся при работе оборудования в замкнутом пространстве горных выработок. Показано, что процессов поглощения теплоты породным массивом и ее отведения за счет проветривания может быть недостаточно для обеспечения нормативных значений температуры воздуха. Разработана математическая модель сопряженного теплообмена воздуха и породного массива, позволяющая прогнозировать повышение температуры с течением времени в зависимости от длины выработки и суммарной интенсивности выделения теплоты в ней. Установлено, что теплообменные процессы продолжительностью в несколько часов могут моделироваться в приближении малых времен, что значительно упрощает расчетные зависимости. Произведен расчет динамики теплового режима при характерном для шахтных условий наборе физических параметров задачи, результаты которого явились обоснованием сделанного приближения и подтвердили опасность быстрого увеличения температуры воздуха при недостаточной скорости выноса теплоты из выработки вентиляционной струей. Доказано, что при необходимости дополнительного отведения теплоты можно применять источники тяги высокой производительности с частично-повторным использованием исходящего воздуха без риска увеличения содержания газов в тупиковых выработках.

The relevance of the research is caused by the need to reduce the air temperature during mining operations in dead-end workings associated with the release of a large amount of heat. Development of ways to normalize the thermodynamic parameters of mine air in the faces based on the construction of predictive mathematical models of change of the thermal regime is a necessary condition for safety in the mining industry. The aim of the research is to obtain dependences for determining the rate of air temperature increase in a dead-end mine at known values of the intensity of heat release and its removal by a ventilation jet. Objects: dead-end workings and the surrounding rock mass. Methods: solution of the problem of non-stationary heat transfer of mine air and rock mass in the conjugate formulation using Laplace transformations; safety assessment on the gas factor of intensification of heat removal from the production by increasing the air supply to the bottom using recirculation. Results. The authors have analyzed the problem of heat removal, released during the operation of mining equipment in a confined space of mine workings. It is shown that heat absorption by the rock mass and its removal due to ventilation may not be enough to prevent excessive overheating of the air. A mathematical model of the conjugate heat exchange of air and rock is developed, which allows predicting the temperature increase over time depending on the length of production and the total intensity of heat release in it. It is established that heat exchange lasting several hours can be modeled in the approximation of small times, which greatly simplifies the calculated dependences. The calculation of the dynamics of the thermal regime under a set of physical parameters characteristic of mine conditions of the problem, the results of which were the basis of the approximation made and confirmed the danger of a rapid increase in air temperature with insufficient intensity of heat removal from the workings of the ventilation jet. It is proved that if additional heat removal is necessary, it is possible to use traction sources with a large flow rate and air recirculation, without fear of increasing gas content in the bottom hole.