Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 2, стр. 363-372

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития многие горнодобывающие предприятия России для поддержания объемов добычи твердых полезных ископаемых вовлекают в отработку новые, глубокозалегающие запасы. С увеличением глубины ведения горных работ возрастает температура окружающего породного массива, что в совокупности с применением мощной, высокопроизводительной горной техники существенно ухудшает микроклиматические условия в подземных горных выработках. На ряде горных предприятий температура рудничной атмосферы достигает +40°С, что делает выполнение производственных операций практически невозможным. Поля распределения температур, относительных влажностей и скоростей движения воздуха в сети горных выработок определяют так называемый тепловой режим горного предприятия, который характеризует микроклиматические условия работы в подземных рабочих зонах. Для примера в табл. 1 приведены результаты измерений основных параметров теплового режима в наиболее глубоких участках ведения горных работ ряда действующих рудников России и Белоруссии [1].

С проблемой высоких температур воздуха горная промышленность столкнулась еще в середине прошлого века – за рубежом есть опыт добычи на большой глубине полезных ископаемых в ЮАР, Бразилии, Индии, Германии и ряде других стран [2, 3]. На территории СССР в середине прошлого века сформировалась сильная школа горной теплофизики по нормализации теплового режима глубоких шахт, прежде всего Донецкого угольного бассейна [4]. Но разработки того периода были ограничены мощностями вычислительной техники и сводились к разработке упрощенных оценочных моделей.

В настоящий момент разработкой технологий и технических средств для нормализации микроклиматических условий занимается ряд зарубежных инжиниринговых компаний, наиболее известными из которых являются BBE, CFT, Howden [5, 6]. Однако их подходы разработаны для условий теплого климата и относительно небольших горных предприятий и оказываются слабо применимыми для отечественных предприятий, столкнувшихся с проблемами высоких температур воздуха, отличительной спецификой которых являются холодный климат и наличие большой подземной инфраструктуры, а также сложность вентиляционных сетей горных выработок. Кроме того, требуется учет влияния на микроклимат горных выработок современных горных машин (конвейерных линий, погрузочно-доставочных машин, автосамосвалов и т.д.), а необходимая параметрическая база в виде мощностей тепловыделений, их связи с характеристиками машин, наработанная в прошлом веке, оказывается слабо пригодной.

Возникшие проблемы наряду с современными возможностями приборной базы и вычислительной техники послужили мощным стимулом к выполнению ряда фундаментальных и прикладных исследований, позволивших приступить к задаче управления тепловым режимом подземных рабочих зон при освоении глубокозалегающих месторождений.

Традиционные отечественные и зарубежные подходы основаны на выборе способа нормализации микроклимата в зависимости от глубины ведения горных работ и температуры окружающего массива пород [5]. Однако проведенные нами многочисленные экспериментальные исследования процессов формирования микроклиматических условий в глубоких рудниках показали наличие разнородных определяющих факторов на микроклимат рабочих зон [7]. Так, например, в главных воздухоподающих выработках, стволах, околоствольных дворах, существенное влияние оказывают параметры подаваемого воздуха, а температура горных пород и тепловыделения от горных машин влияет слабо. И наоборот, в рабочих зонах, где ведутся основные проходческие и добычные работы, параметры подаваемого атмосферного воздуха практически не влияют, а основное влияние оказывают именно температура породного массива и техногенные источники тепловыделения. Установленные закономерности легли в основу оригинального подхода к выбору способов управления тепловым режимом, учитывающего не только температуру массива, но и тип горных выработок, их удаленность и действующие факторы формирования теплового режима [8]. На рис. 1 схематично представлена диаграмма, позволяющая качественно отразить эффективность различных способов регулирования теплового режима в зависимости от глубины и типа рабочей зоны.

Однако количественное определение границ эффективности мероприятий в зависимости от горнотехнических условий требует разработки соответствующих математических инструментов для моделирования термодинамических процессов в сети горных выработок и окружающем их породном массиве.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В рамках выполненных фундаментальных исследований разработаны методы расчета тепло- и массопереноса в сети горных выработок произвольной топологии с учетом сопряженного влияния факторов теплообмена между воздухом и массивом горных пород, процессов влагообмена в рудничной атмосфере, тепловыделений от подземных техногенных источников в виде твердеющих закладочных массивов и горношахтного оборудования [1].

Задача решается на основе системы уравнений конвективно-диффузионного тепло- и влагопереноса в системе “горные выработки – массив горных пород”. Сеть горных выработок моделируется в виде ориентированного графа. В сети горных выработок расчет производится на решения системы уравнений тепло- и массопереноса на основе метода конечных разностей, в рамках которого каждая j-я ветвь дискретизируется на расчетные ячейки длиной $\Delta {{L}_{j}}$. Расчет распределения температуры на следующем шаге по времени осуществляется по выражению:

где $T_{{ij}}^{{t + 1}}$ – температура воздуха в i-й ячейке j-й ветви в рассчитываемый момент времени, °С; $W_{{ij}}^{t}$ – количество теплоты, выделяющееся от техногенных источников в i-й ячейке j-й ветви в момент времени t, Вт; ${{c}_{a}}$ – удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг °С; ${{\alpha }_{j}}$ – коэффициент теплоотдачи на границе “воздух – массив”, Вт/м²; $\tau _{{0,i,j}}^{t}$ – температура массива горных пород на границе “воздух – массив” на участке i-й ячейки j-й ветви, °С; ${{F}_{{ij}}}$ – площадь контакта i-й ячейки j-й ветви с массивом горных пород, м². Правая часть выражения (1.1) учитывает следующие факторы формирования температурного поля воздуха внутри горных выработок: первое слагаемое описывает трансляционный перенос за счет движения воздушной среды, второе слагаемое описывает влияние тепловыделений от техногенных источников, третье описывает теплообмен воздуха с окружающими горными породами, четвертое – нагрев или охлаждение воздуха за счет гидростатического сжатия или расширения при движении по вертикальным и наклонным горным выработкам в поле силы тяжести.

Для расчета распределения влажности воздуха в сети горных выработок используется следующее выражение

где $d_{{ij}}^{{n + 1}}$ – влагосодержание воздуха до испарения влаги на i-м участке, кг/кг; ${{\varphi }_{{ij}}}$ – относительная влажность воздуха на i-м участке до испарения, %; ${{P}_{{{\text{sat}}}}}$ – давление насыщенного водяного пара при указанной температуре, Па. Аналогично выражению (1) первое слагаемое учитывает трансляционный перенос параметров воздуха, а второе – процесс влагообмена в горной выработке. Для этого применяется удельный эффективный коэффициент влагообмена ${{k}_{e}}$, учитывающий долю поверхности выработки, с которой происходит испарение или конденсация влаги, а также интенсивность влагообмена в зависимости от влажности воздуха.

В выражении (1.1) температура поверхности массива горных пород $\tau _{{0,i,j}}^{t}$, контактирующих с рудничной атмосферой, не является постоянной. Это связано с протеканием процесса теплообмена между рудничным воздухом и горными породами, для учета которого разработана модель сопряженного теплообмена. Массив горных пород моделируется в виде цилиндрической расчетной области, внешний радиус которой больше или равен размерам зоны теплого влияния (так называемой “тепловыравнивающей рубашки” [8]). Внутренний радиус цилиндра равен гидравлическому радиусу горной выработки ${{r}_{0}}$. Теплораспределение в массиве определяется законом Фурье. Для решения задачи методом конечных объемов решается уравнение теплопроводности в плоском цилиндрическом слое на каждой i-й ячейке j-й ветви. При этом учитывается нестационарный характер температуры воздуха, поступающего по выработке. На рис. 2 представлены расчетная схема задачи сопряженного теплообмена между рудничным воздухом и массивом горных пород и дискретизация расчетной области по радиальной координате.

В рамках численной реализации метода конечных объемов расчетная область вокруг каждой ячейки ветви разбивается в радиальном направлении с неравномерным шагом $\Delta r$, имеющим минимальное значение у стенки выработки с постепенным увеличением к внешнему радиусу.

Система уравнений, выражающая тепловой баланс в выделенной расчетной области, имеет следующий вид:

где ${{S}_{{l,i,j}}}$ – поверхность границы контакта ячеек l – 1 и l; ${{S}_{{l + 1,i,j}}}$ – поверхность границы контакта ячеек l и l + 1; ${{c}_{m}}$ – удельная массовая теплоемкость горных пород; ${{\rho }_{m}}$ – плотность горных пород; $\Delta {{V}_{{i,j}}}$ – объем ячейки с индексами i и j; $\tau _{{l,i,j}}^{t}$ – температура пород в рассматриваемой ячейке в момент времени k; $\tau _{{l,i,j}}^{{t - 1}}$ – температура пород в рассматриваемой ячейке в момент времени k – 1. ${{\lambda }_{m}}$ – теплопроводность горных пород; $\Delta {{r}_{{l,j}}}$ – радиальный шаг в ячейке с индексами l и j.

Для решения задачи применяется неявная временная схема, таким образом система уравнений (1.3) решается относительно неизвестных температур на следующем временном шаге.

Расчет распределения температур и влажностей воздуха по формулам (1.1) и (1.2), а также расчет распределения температур внутри массива горных пород (1.3) осуществляется с заданным шагом по времени во всей сети горных выработок и окружающих их элементов массива горных пород.

Полученные решения носят оригинальный характер и отличаются от традиционных подходов, предполагающих либо рассмотрение сопряженных задач в рамках отдельных горных выработок, либо решение сетевых задач тепло- и воздухораспределения с использованием модельных упрощающих характеристик, таких как коэффициент нестационарного теплоообмена, что существенно снижало область применимости и точность выполняемых расчетов.

Все предложенные модели получили численную реализацию в программном комплексе “АэроСеть” [9, 10] и верифицированы многочисленными экспериментальными исследованиями. Пример расчета теплораспределения в сети горных выработок и окружающем их породном массиве представлен на рис. 3.

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ

Развитие методов расчета позволило существенно увеличить точность расчета распределения микроклиматических параметров воздуха в сети горных выработок с учетом временного фактора и стало основой разработки оригинального позабойного способа расчета холодопотребности горных предприятий. При этом суммарная требуемая холодопотребность является функцией от параметров вентиляционного и теплового режимов рудника и представляет собой следующий минимизируемый функционал:

где ${{T}_{{mi}}}$ – температура непотревоженного массива горных пород на глубине i-й рабочей зоны, °С; ${{c}_{a}}$ – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг °С; ${{\rho }_{a}}$ – плотность воздуха, кг/м³; ${{W}_{i}}$ – мощность тепловыделения в i-й рабочей зоне, складывается из мощности техногенного источника тепловыделения и суммарных теплопритоков из окружающего массива горных пород, кВт. Суммирование выражения осуществляется по всем рабочим зонам.

Рассчитанная минимальная холодильная мощность по всем рабочим зонам может быть технологически обеспечена различными способами и средствами кондиционирования с учетом особенностей отведения (или утилизации) избыточной теплоты. В связи с этим следующим этапом является решение задачи оптимизации параметров и мест размещения технических средств охлаждения воздуха и отведения избыточных тепловыделений по критерию минимального потребления энергии:

где $N$ – общее число холодильных машин в системе; $W_{j}^{R}$ – холодопроизводительность j-й холодильной машины, кВт; ${{K}_{{Nj}}}$ – коэффициент холодильной мощности (отношение электрической мощности холодильной машины к ее холодопроизводительности, определяется типом холодильной машины и условиями ее работы); $N_{j}^{F}$ – суммарная мощность вентиляторов, обеспечивающих проток воздуха через систему теплообменных аппаратов j-й холодильной машины, кВт; $N_{j}^{P}$ – суммарная мощность насосов, обеспечивающих проток масла, тепло- и хладоносителей в j-й холодильной машине, кВт.

Как правило, для заданных условий рассматриваемые варианты систем управления тепловым режимом представляют ограниченный дискретный спектр, поэтому решение задачи оптимизации осуществляется методом вариантов. Для примера на рис. 4 представлена матрица вариантов, включающая суммарные электрические мощности и энергопотребление, отвечающие одной и той же минимальной требуемой холодопроизводительности. Расчеты приведены для условий шахты “Глубокая” ЗФ ПАО ГМК “Норильский никель”, которая является самой глубокой в Евразии.

Из приведенных результатов видно, что одной холодильной мощности могут соответствовать существенно отличающиеся варианты по энергопотреблению и энергоемкости. На рис. 4 у каждой из схем верхняя цифра обозначает суммарную электрическую мощность системы, нижняя – суммарное годовое энергопотребление. Видно, что оптимальным вариантом, отличающимся минимальными параметрами, является вариант с размещением холодильной машины на поверхности. Физически его эффективность обосновывается тем, что расположение холодильной машины с градирнями позволяет максимальным образом задействовать потенциал продолжительного холодного периода года в Норильске.

СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

На основе предложенного подхода реализовано множество проектов по управлению тепловым режимом на горных предприятиях [11, 12]. В частности, разработаны системы КШР-350Н и СКВ-250, предназначенные для местного кондиционирования воздуха, предусматривающие отведение избыточных тепловыделений в технологический шахтный трубопровод или исходящую вентиляционную струю. Установки в настоящее время находятся в промышленной эксплуатации на рудниках ЗФ ПАО ГМК “Норильский никель”, ОАО “Беларуськалий”, Гремячинского ГОК ООО “ЕвроХим-ВолгаКалий”.

Реализуется проект строительства самой большой в стране центральной подземной системы кондиционирования воздуха для обеспечения возможности отработки глубоких залежей С-3 и С-4 Октябрьского месторождения богатых сульфидных медно-никелевых руд с глубиной добычи полезных ископаемых до 1600 м. Разработанная система рассчитана на холодильную мощность 6 МВт и включает 14 распределенных охладителей с диапазоном мощности от 100 до 900 кВт. На рис. 5 представлены отдельные технические элементы системы.

РАЗРАБОТКА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И УПРАВЛЕНИЕ ЗОНАМИ ОХЛАЖДЕНИЯ

Реализация разработок на горных предприятиях стала возможна благодаря кооперации с промышленным партнером – научно-производственным объединением “АэроСфера”, расположенным в г. Перми. Применение шахтных систем кондиционирования показало, что во многом их итоговая эффективность определяется характеристиками теплообменных аппаратов. Шахтные условия накладывают ряд требований к их разработке – малые габариты, устойчивость к агрессивным средам и загрязнению, возможность обслуживания. Для их разработки в соответствии с этими условиями создана математическая модель расчета теплообменных аппаратов, учитывающая фазовые переходы влаги и хладагента, возможные различные направления движения сред. На производственной базе компании “АэроСфера” выполнены многочисленные натурные эксперименты различных материалов и конструкций теплообменных аппаратов. Итогом исследований стала разработка линейки высокоэффективных шахтных систем кондиционирования воздуха, удельный коэффициент теплопередачи теплообменных аппаратов которых на 18% превышает зарубежные аналоги [1].

Управление тепловым режимом горного предприятия является новым технологическим процессом, который требует внедрения на производстве и несет с собой дополнительные затраты. В связи с этим активно продолжаются работы по оптимизации разрабатываемых решений. Одно из них – выбор оптимальной по размерам охлаждаемой зоны. В табл. 2 представлены результаты расчета требуемой холодильной мощности в зависимости от размера зоны охлаждения. Расчеты выполнены для условий глубокого калийного рудника Гремячинского ГОК, отличающегося сравнительно небольшой сетью горных выработок. Результаты расчетов по данным вариантам представлены в табл. 2. Видно, что с уменьшением размера зоны охлаждения существенно снижается требуемая холодильная мощность. Это объясняется двумя причинами – уменьшением общего расхода охлаждаемого воздуха и уменьшением суммарного теплообмена между горными породами и объемом воздуха с поддерживаемыми микроклиматическими параметрами.

НОРМИРОВАНИЕ МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Другим направлением совершенствования систем нормализации микроклиматических условий является обоснование нормативных параметров микроклимата, обеспечивающих безопасные условия труда. Предпосылкой к возможности работ в данном направлении являются существующие в Федеральных нормах и правилах “Правила безопасности при ведении горных работ …” [13] требования к микроклиматическим параметрам воздуха, которые не учитывают ряд важных особенностей. Во-первых, отсутствует учет комплексного влияния всех микроклиматических параметров воздуха – температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха, излучения. Во-вторых, не учитывается время пребывания рабочих в зонах с различными микроклиматическими параметрами в течение смены, а также тяжесть выполняемых работ с точки зрения уровня энергозатрат.

Нами предложен подход, основанный на требованиях СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания” [14] и “Методикой проведения специальной оценки условий труда” [15]. Данный подход базируется на определении и нормировании среднесменного индекса тепловой нагрузки среды (ТНС-индекса) с учетом заданного класса вредности условий труда и тяжести выполняемых работ. ТНС-индекс является интегральным показателем и учитывает температуру, относительную влажность воздуха, скорость его движения и уровень излучения. Предельные значения ТНС-индекса и класс условий труда устанавливаются с учетом уровня энергозатрат при выполнении работ различных подземных профессий. Таким образом, задавшись предельно допустимым значением ТНС-индекса (исключающим опасные условия), возможно решить обратную задачу и установить предельные значения температуры и влажности с учетом тяжести выполняемых работ. Надо отметить, что ТНС-индекс широко применяется для нормирования микроклиматических условий в шахтах за рубежом [16].

На сегодняшний день в рамках этого подхода реализуются динамические модели расчета ТНС-индекса для горнорабочих, учитывающих нестационарную динамику изменения микроклиматических параметров, их пространственное распределение, время нахождения рабочих на разных участках. Пример динамики изменения ТНС-индекса горнорабочего очистного забоя приведен на рис. 6. Видно, что превышение допустимого значения ТНС-индекса носит кратковременный характер и не достигает опасных значений. Как правило, это связано с моментами нахождения рабочего на наиболее нагретых участках горных выработок.

Предложенный подход нормирования на основе гигиенических нормативов с решением обратной задачи расчета предельных параметров микроклимата реализуется сегодня на горных предприятиях. Согласно пункту 4 статьи 3 № ФЗ-116 “О промышленной безопасности опасных производственных объектов” допускается отступление от требований промышленной безопасности, если установленных требований недостаточно или они не установлены. В качестве примера можно привести действующее Обоснование безопасности опасного производственного объекта, разработанное для условий рудника Гремячинского ГОК ООО “ЕвроХим-ВолгаКалий”. С учетом гигроскопичных свойств калийных солей в руднике низкая относительная влажность воздуха, что позволяет увеличить допустимую температуру воздуха до +32°С (при условии относительной влажности воздуха не выше 35%) и применении соответствующих мероприятий по контролю за тепловой нагрузкой рабочих. Этот результат позволил уменьшить суммарную требуемую мощность систем кондиционирования воздуха с 6650 до 1730 кВт на период максимального развития горных работ без рисков для здоровья горнорабочих.

Аналогичные работы по обоснованию систем нормирования микроклиматических условий с учетом теплофизических особенностей горных предприятий выполняются сейчас для предприятий ОАО “Беларуськалий” и ЗФ ПАО ГМК “Норильский никель”.

ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

В работе представлены основные результаты фундаментальных и прикладных исследований, позволившие на современном этапе развития отечественных горных предприятий эффективно решать задачу нормализации микроклиматических условий в горных выработках при разработке глубокозалегающих запасов твердых полезных ископаемых.

Результаты проведенных работ позволяют использовать новую методологию при разработке и проектировании систем управления тепловым режимом, применение которой приводит к обеспечению безопасных условий труда по тепловому фактору в горных выработках глубоких рудников при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Полученные фундаментальные и прикладные результаты формируют фундамент комплексного решения задачи обеспечения нормальных условий труда при освоении глубокозалегающих запасов, но еще не решают весь спектр стоящих перед наукой и производством задач. На наш взгляд, безопасное и эффективное освоение глубокозалегающих запасов требует в перспективе решения следующих научно-технических задач:

— Исследование нестационарного характера техногенных источников тепловыделения с учетом переменных режимов работы и нагрузки, материалоемкости оборудования и его теплофизических характеристик, теплообмена с окружающим массивом горных пород и рудничной атмосферой.

— Исследование и разработка методов расчета динамической картины распределения микроклиматических параметров воздуха в пространстве горных выработок, их интеграция с местами и периодами пребывания горнорабочих, для прогнозирования тепловой нагрузки среды и разработке компенсирующих мероприятий.

— Разработка алгоритмов управления холодильной мощностью в сети горных выработок сложной топологии с нестационарными и подвижными источниками тепловыделений.

— Разработка систем кондиционирования малой мощности (до 15 кВт) во взрывобезопасном исполнении и устойчивым к работе в запыленной среде.

— Разработка технических решений по обеспечению устойчивой работы дизельных и электрических машин в условиях повышенных температур.

— Разработка средств индивидуальной противотепловой защиты горнорабочих и средств контроля тепловой нагрузки среды.