„УГОЛЬ УКРАИНЫ“, Июнь, 1977 1 YДK 622.412: 536.244 МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ВЫРАБОТКИ С ТЕРМАЛЬНЫМИ ВОДАМИ Доктор техн. наук Ш. И. Ониани, канд. техн. Наук. О. А. Ланчава Институт горной механики АН ГССР В формировании микроклимата выработок термальные воды могут принимать косвенное (если они непосредственно не изливаются в выработки, но имеют восходящее движение в пределах шахтного поля) и непосредственное участие. Косвенное влияние вод учитывается при построении геотемпературного поля месторождения. В этом случае геотермический градиент не является параметром, характеризующим естественное тепловое состояние массива, и реальную картину распределения температуры в недрах необходимо установить другими способами [1], при которых методика теплового расчета выработок не меняется. Наблюдения показали, что при поступлении термальных вод в выработки происходит резкая интенсификация тепло- и массообменных процессов, вследствие чего температура насыщенного водяными парами шахтного воздуха на коротком участке (100—500 м) становится примерно равной температуре вод, и без их предварительного отвода нельзя создать приемлемые климатические условия. Все практически возможные способы водоотвода по полученному эффекту можно свести к трем основным: по специальной выработке, по канаве с теплоизоляционным перекрытием и по канаве с простым перекрытием [2]. В указанных способах исключается возможность массообмена между шахтным воздухом и открытой поверхностью горячей воды. Для любого способа водоотвода характерно наличие определенного уровня термальных вод, поэтому они рассматриваются как плоский источник тепла постоянной температуры, расположенной в неограниченном горном массиве на уровне разгрузки вод. Тогда теплообменный процесс в выработках характеризуется двумя стадиями: нестационарной и квазистационарной [3]. В нестационарной стадии происходит интенсивное охлаждение окружающего выработку массива (за исключением почвы). Шахтному воздуху передается и тепло термальных вод. Через промежуток времени, зависящий от многих факторов, влияющих на интенсивность теплообмена, наступает квазистационарная стадия, в которой почти все тепло от вод передается воздуху. Температура воздуха в горизонтальных выработках с термальными водами определяется по известным формулам [4], скорректированным с учетом влияния этих вод: где 𝑖1 и 𝐾1— температура шахтного воздуха в начале и в конце расчетного участка, ˚С; „УГОЛЬ УКРАИНЫ“, Июнь, 1977 2 m, n, l — коэффициенты уравнения квадратичной зависимости изменения влагосодержания от температуры, г/кг, г/(кг∙˚С), г/(кг∙°С2); 𝑖1 и 𝑖2— энтальпия шахтного воздуха при температуре t1 и t2, ккал/кг; G —количество шахтного воздуха, проходящего по расчетному участку, кг/ч; 𝑄𝑚—тепловыделение от местных источников, ккал/ч; 𝐶 = 𝛼𝐹𝛩 𝐺 ; 𝛼— коэффициент теплопередачи, ккал/(м2-ч-°С); F — площадь поверхности теплопередачи, м2; 𝛩 = 𝑡−𝑡𝐵 𝑡𝜏−𝑡𝐵 — безразмерная температура стенок выработки, которую в зависимости от принятого способа водоотвода и значений критериев Фурье и Био можно определить из критериальной зависимости 𝛩 = 𝑓(𝐹0, 𝐵𝑖), построенной авторами для каждого рассмотренного способа отвода термальных вод; t'τ -расчетная температура термальных вод в пределах рассматриваемого участка, °С; tτ - естественная температура термальных вод на уровне разгрузки, °С; t и tB — искомая температура массива и заданная температура шахтного воздуха, °С. Безразмерную температуру можно определить также по следующим эмпирическим формулам: при 0,01 ≤ Fo ≤ 0.3, Θ= Kexp (- βFoB10.33), при 0.3< Fo ≤ 2 Θ = Kexp (- βFo0.5B10.33) , при Fo > 2 (квазистационарная стадия) Θ = Kexp ( - εВ10,33), где К — безразмерный коэффициент пропорциональности, равный 1 (отвод термальных вод по канаве с простым перекрытием), 0,852 (по специальной выработке) и 0,925 (по канаве с теплоизоляционным перекрытием); β, ε — экспериментальные поправочные коэффициенты, значения которых приведены в работе [3]. При составлении критериальных зависимостей термальные воды рассматривались как источники тепла постоянной температуры; это допущение не является строгим при их малом относительном дебите (отношение массового дебита GТ термальной воды к массовому расходу Gв шахтного воздуха, проходящего по выработке в единицу времени). Передача тепла шахтному воздуху от термальных вод сопровождается снижением их температуры. В нестационарной стадии такое уменьшение практически не наблюдается даже при малом относительном дебите вод, поскольку теплоприращение шахтного воздуха обусловлено главным образом теплопередачей от горных пород. В квазистационарной стадии вся тепловая энергия передается шахтному воздуху (кроме ΣQм) от горячих вод. В данном случае целесообразнее установить величину минимального относительного дебита, при котором расчетную температуру можно приравнять к естественной температуре термальных вод. Важное значение имеет температурное приращение шахтного воздуха в пределах расчетного участка и естественная температура термальных вод, так как при прочих равных условиях от них зависит соблюдение равенства. 𝑡𝑇 ′ ≈ 𝑡𝑇 Расчеты показали, что для температурного приращения воздуха, доходящего до 10 град, и для естественной температуры горячих вод 50° С и более минимальный относительный дебит равен 2. Если он меньше 2 или „УГОЛЬ УКРАИНЫ“, Июнь, 1977 3 температурное приращение больше 10 град, температуру термальных вод можно вычислить по формуле 𝑡𝜏 ′ = 0,25 𝑡𝜏(1 + √𝜎) 2 , где σ — безразмерный коэффициент, значение которого определяется из рис. 1. Рис. 1. К определению расчетной температуры термальных вод. На рис. 1 показаны кривые изменения величины о в зависимости от GT/GB для температурных приращений воздуха при разной естественной температуре термальных вод. Стрелки с надписями обозначают предполагаемое приращение температуры воздуха. Для каждого перепада правая кривая соответствует естественной температуре вод, равной 50° С, левая 100° С. Для промежуточных значений температуры а находят интерполяцией. Способ отвода термальных вод t2, °С ∆t град % Отсутствие термальных вод 23,7 3,7 100 По специальной выработке 27,5 7,5 203 канаве с теплоизоляционным перекрытием 28,1 8,1 219 То же, с простым перекрытием 29,4 9,4 254 Примечание. ∆t — приращение температуры в пределах расчетного участка. В таблице приведены результаты сравнительного теплового расчета обычных выработок и выработок с восходящими потоками термальных вод. Принято, что относительный дебит термальных вод больше 2, т. е. 𝑡𝜏 ′ ≈ 𝑡𝑇; 𝑡1 = 20℃; 𝑡𝑇 = 42℃; длина расчетного участка равна 1000 м; температура пород 𝑡п = 42℃. Погрешность теплового расчета выработок без учета влияния термальных вод может превышать 100%. Изложенная методика рекомендуется для теплового расчета горизонтальных выработок с термальными водами в окружающем массиве, проветриваемых вентиляционной струей (за счет общешахтной депрессии). „УГОЛЬ УКРАИНЫ“, Июнь, 1977 4 ЛИТЕРАТУРА 1.Ониани Ш. И., Лацабидзе Т. О., Ланчава О. А. Температурное поле шахты № 8 Ткварчельского каменноугольного месторождения. В сб.: «Горная электромеханика и рудничная аэрология». Тбилиси, «Мецниереба», 1975. 2.Ониани Ш. И., Пирцхалава Т. Г., Ланчава О. А. Тепловой режим горных выработок при наличии термальных вод. Проблемы горной теплофизики. (Материалы Всесоюзной научно- технической конференции). Л., ЛГИ, 1974. 3.Ониани Ш. И., Ланчава О. А. Сообщения АН Грузинской ССР. Тбилиси, «Мецниереба». Т. 77, 1975, № 1. 4.Щербань А. Н., Черняк В. П. К методике тепловых расчетов рудничного воздуха. «Физико- технические проблемы разработки полезных ископаемых», 1970, № 4.