С избыточным теплом в шахтах

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

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 åQ_i - суммарное количество теплоты, идущее на нагревание воздуха, кДж/ч; С_р - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг×К); r - 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 _t - 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 _t, кДж/(м²×ч×К) определяется по формуле

где l - коэффициент теплопроводности породы, кДж/(м×ч×К) (принимается по табл. 3.1); a₀ - 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); r_п - плотность породы, кг/м³ (принимается по табл. 3.1); t - расчетное время процесса теполообмена, ч (например, при длительности процесса теплообмена 4 года значение t = 4×365×24 = = 35040 ч).