Экспериментальная установка для проведения исследований по снижению температуры тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт

УДК 662.210.587:621.572

Институт геотехнической механики им. НАН Украины

Украина, г. Днепропетровск

Экспериментальная установка для проведения исследований по снижению температуры тупиковых подготовительных выработок глубоКих шахт

EXPERIMENTAL SETUP FOR research on the reduction in the temperature-OUT impasse development workings of deep mines

Исследование процесса нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в системе тупиковой подготовительной выработки на больших глубинах крайне затрудненно. Это особенно сложно, когда предметом исследования являются параметры процесса нормализации шахтной атмосферы. [1,2]

Изучение данного процесса в эксплуатационных условиях требует, прежде всего, длительного наблюдения [3,4]. В обычных условиях объект исследования практически не управляем по отношению к температуре атмосферы, необходима специальная доработка системы нормализации под условия каждой выработки. Последнее определено большими перепадами температуры в системе выработок. Поэтому наиболее целесообразно предварительное моделирование такого процесса в лабораторных условиях на специально разработанном стенде, с последующей проверкой полученных результатов в промышленных условиях шахты.

Для проведения лабораторных исследований способов снижения температуры подготовительных выработок ИГТМ НАН Украины им. , была разработана и изготовлена экспериментальная установка, конструктивная схема которой представлена на рис 1, а общий вид на рис 2.

Технические характеристики экспериментальной установки по исследованию методов нормализации температуры подготовительных выработок

Габаритные размеры модели:

-Длина – 400 см;

-Ширина – 60 см;

-Высота – 55 см.

Внутренние размеры выработки:

-Длина – 350 см;

-Высота – 40 см;

-ширина – 50 см.

Диапазон моделируемых температур: 15-80°С.

Разряжение отсоса нагретого воздуха:

- I ступень – 150 мм. вод. ст.;

- II ступень – 150 мм. вод. ст.;

- III (I+II) ступень – 300 мм. вод. ст.

Напряжение питания – 220 В.

Потребляемая мощность установки (мах) -2000 Вт

Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования способов снижения температуры подготовительных шахтных выработок: 1 - корпус модели выработки; 2 - вихревой кондиционер; 3 - проветривающий канал; 4 - блок управления нагревом; 5 - устройство отсоса нагретого (проконтактировавшего) воздуха; 6 - канал отвода нагретого воздуха; 7 - облицовочные пластины; 8 - смотровое окно; 9 - омический нагреватель.

Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки по исследованию методов снижения температуры тупиковых подготовительных выработок.

Основным элементом данной установки является модель тупиковой подготовительной выработки 1 (рис. 1) f= 0,20м2, выполненная в масштабе 1:100.

Корпус модели 1 изготовлен из ламинированного ДСП, внутрь которого уложены гипсовые блоки, формирующие пространство модельной выработки.

Для создания температурных условий аналогичных реальным, в модели установлены омические нагревательные элементы 9, при помощи которых достигается нагрев установки до имитируемой температуры вымещающих пород. Нагревательные элементы установлены между асбоцементными пластинами 7.

Управление нагревом установки осуществляется блоком управления 4, запитанным от внешней электрической сети 220 В. Регулировка нагрева, осуществляется вращением регулятора 3 (рис. 3) с визуальным контролем напряжения по шкале 2.

Рис. 3. Общий вид блока управления нагревом выработки.

Проветривание выработки осуществляется нормализированным воздухом, который генерируется кондиционером 2 [5-9]. Данный кондиционер был специально разработан и изготовлен для проведения подобных исследований [10]. Подача проветривающего воздуха в выработку происходит по каналу 3. Отведение нагретого воздуха, который проконтактировал с поверхностью забоя, осуществляется с помощью центробежных устройств 5 через канал отсоса 6.

Приведём основные положения методики проведения исследований с использованием данной установки.

При принудительной схеме проветривания с отводом (отсосом) горячего воздуха (рис. 4) эффективность нормализации температуры шахтной атмосферы характеризуется следующими параметрами [11]:

, (1)

где - скорость падения температуры стенки выработки; Vвс- скорость воздуха на выходе из става ; lс-расстояние от става до поверхности забоя; dс-диаметр става; fс-площадь става; Tвс- температура воздуха на выходе из става; Tвв- начальная температура стенки выработки; Fв- площадь выработки; ν-влажность воздуха в выработке; τ –время проветривания выработки.

Рис. 4. Схема параметров тупиковой подготовительной выработки при стандартном проветривании.

Чтобы выявить влияние каждого из 10 входящих в зависимосить факторов потребуется большое количество экспериментов, даже если воспользоваться современными методами рационального планирования экспериментов [12]. В связи с этим целесообразно сократить число исследуемых факторов [13]. Это можно сделать, например, исключив из рассмотрения те из них, которые не управляемы, например, – влажность. А такой параметр, как время – стабилизировать.

Под стабилизацией времени следует понимать выбор его отрезка, в течении которого, будет проводится регистрация параметров одного опыта.

Количество факторов может быть уменьшено так же путем их обезразмеривания, представив их в следующем виде:

(2)

где -относительная скорость воздуха; - относительное расстояние от става до груди забоя выраженное в диаметрах става; - относительная площадь; -относительный перепад температур стенки и нормализирующего воздуха.

Таким образом, (1) с учетом (2) примет вид:

. (3)

Проведение экспериментов с варьированием четырех безразмерных факторов при их двухуровневом варьировании в условиях данной установки, требует необходимости постановки 16 опытов, что в случае проведения лабораторного эксперимента совсем не много.

Для выше указанного примера - это изменение loc, Fв, Tc, Vот, обеспечивается регулировками стенда с достаточно высокой точностью.

Кроме того, проведение экспериментов в лабораторных условиях экономит большое количество, средств и времени, которые необходимы на подготовку таких же экспериментов в промышленных условиях, что важно в условиях современной промышленности и науки.

Литература.

1. Перепелица, В. Г. К вопросу о возможности применения вихревых охладителей при создании систем кондиционирования тупиковых выработок глубоких шахт/ // Геотехническая механика, 2008. – № 77. – С. 154-159.

2. Бойко, В. А К вопросу о выборе способа и средств нормализации тепловых условий в подготовительных горных выработках глубоких шахт Донбасса в период их проходки/ , // Науковий вісник НГУ. – Днепропетровск, 2004.

3. Бойко, и математическая модель системы охлаждения горного массива глубокой шахты/ // Науковий вісник НГУ. – Днепропетровск, 2004.

4. Физика земных недр. – М.: Мир, 1983. – 264 с.

5. Меркулов, эффект и его применение в технике. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с.

6. Патент на полезную модель № 000 Украина, ПМК(2006) F04F 5/00, B02C 19/6, G01M 9/00. Кольцевое эжекторное устройство / , , Ю. С Яцук /Украина/

№ u; Заявлен. 12.06.2007; Опубл. 10., Бюл. № 7. – 4 с.

7. О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров/ , , [и др.] // Геотехническая механика, 2009. – № 82. – С. 113-119.

8. О возможности применения тепловых насосов для нормализации параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах/ , , // Геотехническая механика, 2009. – № 81. – С. 211-219.

9. Тынына вихревых кондиционеров для нормализации микроклимата тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт // Геотехническая механика, 2011. – № 95. – С. 149-153.

10. о повышении эффективности систем местного кондиционирования тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт // Геотехническая механика, 2011. – №94. – С. 266 – 271.

11. Цейтлин и эксплуатация шахтных систем кондиционирования воздуха / , , В. И. Могилевский и др. – М.: Недра, 1983. – 261 с.

12. Налимов методы планирования экспериментов. В. В Налимов, . – М.: Наука,19с.

13. Факторный анализ. – М.: Статистика,19с.

Аннотация.

В статье рассмотрена модель экспериментальной лабораторной установки по исследованию методов нормализации температурных условий шахтной атмосферы тупиковых подготовительных выработок. Приведен, пример моделирования многофакторного эксперимента с использованием данной установки.

In the paper the model of experimental laboratory the setup to study methods for normalization of temperature conditions mine atmosphere deadlock development workings. Shows an example of modeling multivariate experiment with this setting.

Ключевые слова.

тупиковая выработка, нормализация температурных параметров шахтной атмосферы, экспериментальная модель, варьируемые факторы, полнофакторный эксперимент

dead-end production, normalization of temperature parameters of mine atmosphere, the experimental model, the varied factors polnofaktorny experiment