RU2117159C1

RU2117159C1 - Method for cooling and drying of mine air

Info

Publication number: RU2117159C1
Application number: RU96114118A
Authority: RU
Inventors: Б.П. Казаков; А.Е. Красноштейн; Н.Н. Мохирев; С.Н. Южанин
Original assignee: Акционерное общество "Уралкалий"
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: this can be used for regulating temperature of air and for its drying in mines and pits preferably in potassium mines and pits. According to method, air is taken from air feeding entry and is delivered into heat-mass-exchange underground workings through ventilation ducts. Taking place during these operations is redistribution of air in entire mine ventilation system. For this purpose, air is directed from air feeding entry into heat-mass-exchange underground workings by installing blower-ejector in ventilation duct at distance from air feeding entry. This ensures complete spreading of air flow within duct limits towards ventilation entry. With that, blower-ejector maintains velocity of air movement in air feeding entry between ventilation ducts at level not below 0.15 m/s. Size of surface area of heat-exchanging underground workings is determined from mathematical expressions. Aforesaid method allows for maintaining permanent thermodynamic parameters of air through entire length of ventilation route. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для регулирования температуры воздуха и его осушения в шахтах и на рудниках, преимущественно калийных. Известен способ терморегулирования шахтного воздуха, заключающийся в сооружении теплообменных выработок, пропускание по ним воздуха, подогрев или охлаждение его путем теплообмена с окружающим массивом (Ельчанинов Е. А., Розенбаум M.A., Шор А.И. Система регулирования теплового режима очистных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Проблемы горного дела. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1974, с. 103). The invention relates to the mining industry and can be used to control air temperature and its drainage in mines and mines, mainly potash. There is a method of thermoregulation of mine air, which consists in the construction of heat exchange openings, passing air through them, heating or cooling it by heat exchange with the surrounding massif (Elchaninov E.A., Rosenbaum MA, Shor A.I. System for regulating the thermal regime of treatment workings under long-term conditions permafrost. Problems of mining. - M .: IGD named after A. Skochinsky, 1974, p. 103).

Однако этот способ предусматривает проходку специальных выработок и не решает проблемы осушения шахтного воздуха. However, this method involves the sinking of special workings and does not solve the problem of drainage of mine air.

Наиболее близким к предлагаемому является способ нормализации процессов тепломассообмена в горных выработках, в котором тепломассообмен и осушение воздуха осуществляется за счет увеличения пути воздуха по горным выработкам специальной конструкции и взаимодействием воздуха с массивом калийных руд (авт. св. 1368443, кл. E 21 F 3/00). Closest to the proposed one is a method of normalizing heat and mass transfer processes in mine workings, in which heat and mass transfer and air drying are carried out by increasing the air path through the mine workings of a special design and the interaction of air with an array of potash ores (ed. St. 1368443, class E 21 F 3 / 00).

Однако этот способ также предусматривает специальную проходку выработок, что увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, так как увеличивает длину выработок и соответственно сопротивления вентиляционной сети. However, this method also provides for special tunneling of the workings, which increases capital and operating costs, as it increases the length of the workings and, accordingly, the resistance of the ventilation network.

Известно, что летом воздух несет примерно 10- 15 г влаги на килограмм воздуха. При охлаждении в подземных выработках до температуры пород (примерно 8 - 9^oC) выпадает до 4 - 6 г конденсата на килограмм вентиляционного воздуха. Образующиеся растворы солей - электролиты - выводят из строя оборудование, уменьшают несущую способность породы, повышают износ и затрудняют работу техники. В летнее время, в течение двух-двух с половиной наиболее жарких месяцев целесообразно охлаждение и осушение до 600000 м³ воздуха в час в каждом стволе калийного рудника. Обработка такого количества воздуха с помощью турбокомпрессорных холодильных машин требует больших капитальных и энергетических затрат.It is known that in summer air carries about 10-15 g of moisture per kilogram of air. When cooled in underground workings to the temperature of the rocks (approximately 8 - 9 ^o C) drops up to 4 - 6 g of condensate per kilogram of ventilation air. The resulting salt solutions - electrolytes - disable the equipment, reduce the bearing capacity of the rock, increase wear and impede the operation of the equipment. In the summer, during the two, two and a half hottest months, it is advisable to cool and drain up to 600,000 m ^{3 of} air per hour in each potash mine shaft. Processing such an amount of air with the help of turbocompressor refrigeration machines requires large capital and energy costs.

В зимнее время в рудники подается сухой подогретый воздух с влагосодержанием 2 - 3 г/кг, который активно отбирает влагу со стенок выработок и поверхности всех рассолосборников и связывает пыль на всем пути вентиляционных потоков. In winter, dry warmed air with a moisture content of 2–3 g / kg is supplied to the mines, which actively collects moisture from the walls of the workings and the surface of all brine collectors and binds dust along the entire path of ventilation flows.

В результате тепловлажностной обработки воздуха в существующих выработках околоствольного двора получим ресурсосберегающую технологию охлаждения и осушения вентиляционного воздуха в летний период и подогревания и увлажнения вентиляционного воздуха в холодное время года за счет использования и аккумулирования тепла горным массивом, сорбентом и использованием гигроскопических свойств пород, по которым пройдены выработки. As a result of heat-moisture treatment of air in the existing workings of the near-barrel yard, we obtain resource-saving technology for cooling and drying ventilation air in the summer and heating and humidification of ventilation air in the cold season due to the use and accumulation of heat by the mountain massif, sorbent and the use of the hygroscopic properties of the rocks through which working out.

При этом необходимые температурные параметры массива подготавливаются к каждому сезону естественным путем за счет аккумулирования соответственно летом тепла, а зимой холода. Гигроскопические же свойства пород зависят от состава пород, по которым пройдены выработки и в течение времени не изменяются. At the same time, the required temperature parameters of the massif are prepared for each season naturally by accumulating heat in summer and cold in winter, respectively. The hygroscopic properties of the rocks depend on the composition of the rocks along which the workings are passed and do not change over time.

Технический эффект предлагаемого способа заключается в создании постоянных термодинамических параметров воздуха по всей длине вентиляционного пути. The technical effect of the proposed method is to create constant thermodynamic parameters of air along the entire length of the ventilation path.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе охлаждения и осушения шахтного воздуха, включающем проходку воздухоподающих штреков, сооружение тепломассообменных выработок, пропускание по ним воздуха, подогрев, охлаждение или осушение воздуха путем взаимодействия с окружающим массивом, подачу воздуха из воздухоподающего штрека в теплообменные выработки по вентиляционным коллекторам осуществляют перераспределение воздуха в общешахтной вентиляционной сети, для чего воздух направляют из воздухоподающего штрека в тепломассообменные выработки установкой в вентиляционном коллекторе вентилятора-эжектора на расстоянии от воздухоподающего штрека, обеспечивающим полное раскрытие струи в пределах коллектора в сторону вентиляционного штрека, при этом вентилятор-эжектор поддерживает скорость движения воздуха в воздухоподающей выработке между вентиляционными коллекторами не менее 0,15 м/с, а величину поверхности теплообменных выработок определяют из соотношения

где
G - расход осушаемого воздуха, кг/час:
d₁ - влагосодержание воздуха, поступающего в рудник, г/кг;
d_тр - влагосодержание воздуха, требуемого после обработки в тепломассообменных выработках, г/кг;
β - коэффициент влагообмена, кг/м² ч мм рт.ст. кг сухого воздуха;
ΔP - средняя разность парциальных давлений водяных паров у поверхности стенки и в потоке, мм рт.ст.;
K₁ - коэффициент неравномерности параметров воздуха, поступающего в рудник;
K₂ - коэффициент неравномерности прогрева массива в течение периода.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of cooling and drying mine air, including driving air supply drifts, constructing heat and mass transfer openings, passing air through them, heating, cooling or drying air by interacting with the surrounding massif, supplying air from the air supply drift to the heat exchange workings ventilation collectors carry out the redistribution of air in the mine shaft ventilation network, for which air is directed from the air supply drift to the heat lomassoobraznye workings by installing an ejector fan in the ventilation manifold at a distance from the air drift, which ensures full opening of the jet within the manifold towards the ventilation drift, while the ejector fan maintains an air velocity in the air supply between ventilation manifolds of at least 0.15 m / s , and the surface area of the heat-exchange workings is determined from the ratio

Where
G is the flow rate of drained air, kg / h:
d ₁ - moisture content of the air entering the mine, g / kg;
d _Tr - the moisture content of the air required after processing in heat and mass transfer workings, g / kg;
β is the moisture exchange coefficient, kg / m ² h mm Hg kg of dry air;
ΔP is the average difference in partial pressures of water vapor at the wall surface and in the stream, mmHg;
K ₁ - the coefficient of non-uniformity of the parameters of the air entering the mine;
K ₂ - coefficient of uneven heating of the array during the period.

ΔP = P_в - P_ст
где
P_в, P_ст - соответственно парциальное давление водяных паров в воздушном потоке и у стенки выработки над поверхностью гигроскопического материала при температуре поверхности массива.ΔP = P _in - P _article
Where
P _in , P _article - respectively, the partial pressure of water vapor in the air flow and at the wall of the mine above the surface of the absorbent material at the surface temperature of the array.

Для ускорения процесса теплообмена тепломассообменные выработки могут быть заполнены сорбентом, а в летнее время дополнительно осуществляют орошение воздуха рассолом в тепломассообменных выработках. Охлаждение воздуха осуществляют также с помощью тепловых труб, располагаемых в глубину массива и имеющих выходы-испарители в воздухоподающие коллекторы и тепломассообменные выработки. To accelerate the heat exchange process, heat and mass transfer workings can be filled with a sorbent, and in the summer, air is additionally irrigated with brine in heat and mass transfer workings. Air cooling is also carried out using heat pipes located in the depths of the array and having exits-evaporators in the air supply manifolds and heat and mass transfer workings.

Сущность способа поясняется фиг. 1-3. The essence of the method is illustrated in FIG. 1-3.

На фиг. 1 представлена схема, на которой 1 - ствол; 2 - воздухоподающая выработка; 3 - воздухоподающий вентиляционный коллектор; 4 - тепломассоаккумулирующие выработки; 5 - вентилятор-эжектор; 6 - камера орошения. In FIG. 1 shows a diagram in which 1 is a trunk; 2 - air supply; 3 - air supply ventilation manifold; 4 - heat and mass storage workings; 5 - fan-ejector; 6 - irrigation chamber.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Воздух от вентиляционного ствола 1 по воздухоподающей выработке 2 подается для проветривания в шахтные выработки. Воздухоподающая выработка 2 соединена через вентиляционные коллектора 3 с тепломассоаккумулирующими выработками 4. Эти выработки могут быть пройдены специально, а можно в этом качестве использовать отработанные камеры. Air from the ventilation shaft 1 through the air supply 2 is fed for ventilation into the mine workings. The air outlet 2 is connected through ventilation manifolds 3 to the heat and mass storage openings 4. These openings can be walked on purpose, or used chambers can be used as such.

В вентиляционном коллекторе 3 устанавливают вентилятор-эжектор 5 для регулирования потока воздуха, причем устанавливают его от воздухоподающей выработки на расстоянии раскрытия воздушной струи. Так, для вентилятора ВЭМ-6 это составит ~60 - 70 м. In the ventilation manifold 3, a fan-ejector 5 is installed to control the air flow, and it is installed from the air supply at a distance of opening of the air stream. So, for a VEM-6 fan, this will be ~ 60 - 70 m.

Воздух от ствола 1 по воздухоподающей выработке 2 при включенном вентиляторе-эжекторе поступает в тепломассоаккумулирующие выработки, где при взаимодействии с горным массивом воздух изменяет температуру (летом охлаждается, а зимой нагревается до расчетной температуры). The air from the barrel 1 through the air supply outlet 2 with the fan-ejector turned on enters the heat and mass storage openings, where when interacting with the massif, the air changes temperature (it cools in the summer and heats up to the calculated temperature in the summer).

Кроме того, за счет гигроскопичности пород, по которым пройдены выработки, происходит поглощение водяных паров из воздуха, так как парциальное давление водяных паров над поверхностью солей (сорбентов) меньше, чем в поступающем воздухе. Интенсивность процесса осушения воздуха зависит от разности парциальных давлений водяных паров в воздухе и над поверхностью сорбента. В качестве сорбента может быть использован, например, карналлит. In addition, due to the hygroscopicity of the rocks through which the workings are passed, water vapor is absorbed from the air, since the partial pressure of water vapor above the surface of salts (sorbents) is less than in the incoming air. The intensity of the process of air drainage depends on the difference in the partial pressures of water vapor in the air and above the surface of the sorbent. As the sorbent can be used, for example, carnallite.

Для ускорения процесса охлаждения воздуха в тепломассообменных выработках и коллекторах могут быть установлены тепловые трубы 13, они устанавливаются в глубь массива (на 80 - 90% от общей длины трубы) и имеют выход-испаритель 14 в выработки (фиг. 2 и 3). Воздух, интенсивно охлаждаемый горным массивом, поступает в горные выработки, где смешивается с воздухом, охлаждаемым в выработках, значительно понижая его температуру. В зимнее время года в этих тепловых трубах теплопередача прекращается. To accelerate the process of air cooling in heat and mass transfer workings and collectors, heat pipes 13 can be installed, they are installed deep into the array (80 - 90% of the total pipe length) and have an evaporator outlet 14 in the workings (Figs. 2 and 3). The air, intensively cooled by the massif, enters the mine workings, where it mixes with the air cooled in the workings, significantly lowering its temperature. In the winter season, heat transfer stops in these heat pipes.

Кроме того, в вентиляционном коллекторе может быть оборудована камера орошения, оснащенная разбрызгивающими форсунками. В качестве разбрызгиваемой жидкости может быть использован, например, рассол. Оборудование такой камеры позволит уменьшить количество и объем тепломассообменных выработок при той же эффективности их работы. In addition, an irrigation chamber equipped with spray nozzles can be equipped in the ventilation manifold. As a spray liquid, for example, brine can be used. The equipment of such a chamber will reduce the number and volume of heat and mass transfer workings with the same efficiency of their work.

Использование предлагаемого способа позволит обеспечить подачу воздуха в выработки с постоянной температурой и влажностью по всей длине вентиляционного пути, что обеспечить круглый год благоприятные условия работы техники в транспортных выработках и горнорабочих в рабочих зонах. Using the proposed method will ensure the supply of air to the workings with constant temperature and humidity along the entire length of the ventilation path, which will ensure year-round favorable working conditions of equipment in transport workings and miners in working areas.

Так, для рудников Верхнекамского калийного месторождения необходимую рабочую поверхность камер тепловлажностной обработки вентиляционного воздуха можно в общем виде определить следующим образом:

здесь
ΔP = P_в - P_ст
где P_в, P_ст - соответственно парциальное давление водяных паров в воздушном потоке и у стенки выработки над поверхностью гигроскопического материала при температуре поверхности массива.So, for the mines of the Verkhnekamsk potash deposit, the necessary working surface of the heat-humidity treatment chambers of ventilation air can be generally defined as follows:

here
ΔP = P _in - P _article
where P _in , P _article - respectively, the partial pressure of water vapor in the air flow and at the working wall above the surface of the hygroscopic material at the surface temperature of the array.

По определению парциальное давление пара
P = φ • P_н (t)
где
φ - относительная влажность воздуха, а
P_н(t) - парциальное давление насыщенного пара при данной температуре.By definition, partial vapor pressure
P = φ • P _n (t)
Where
φ is the relative humidity, and
P _n (t) is the partial pressure of saturated vapor at a given temperature.

Тогда
P_в = φ_в •P_н(t_в), P_ст = φ_кр •P_н(t_ст),
где
t_в и t_ст - соответственно температура воздуха в потоке и у поверхности стенки;
φ_в и φ_кр - относительная влажность воздуха в потоке и критическая относительная влажность для гигроскопических окружающих пород (для галита 77%);
K₁ - коэффициент неравномерности параметров воздуха, K₁=2;
K₂ - коэффициент неравномерности прогрева массива в течение периода, K₂= 1,8;
β - экспериментальный коэффициент влагообмена. Для главных транспортных выработок калийных рудников ПО "Уралкалий" (окружающие породы - галит) усредненное значение коэффициента составляет 0,03 кг/м²ч мм рт.ст.Then
P _in = φ _in • P _n (t _in ), P _article = φ _cr • P _n (t _article ),
Where
t _in and t _article - respectively, the air temperature in the stream and at the wall surface;
φ _in and φ _cr - the relative humidity of the air in the stream and the critical relative humidity for hygroscopic surrounding rocks (for halite 77%);
K ₁ - coefficient of non-uniformity of air parameters, K ₁ = 2;
K ₂ - coefficient of uneven heating of the array during the period, K ₂ = 1.8;
β is the experimental coefficient of moisture exchange. For the main transport workings of potash mines at Uralkali (surrounding rocks - halite), the average value of the coefficient is 0.03 kg / m ² h mm Hg.

При использовании существующих выработок без искусственного увеличения их рабочей поверхности их общая длина L фиг. 1 определяется из выражения
L = F/P,
где
F - общая поверхность, м²;
P - периметр стандартной выработки, м.When using existing workings without artificially increasing their working surface, their total length L of FIG. 1 is determined from the expression
L = F / P,
Where
F is the total surface, m ² ;
P - perimeter of standard output, m.

В этом случае количество задействованных параллельных выработок R постоянной длины l, по которым следует подавать воздух, определится отношением n = L/l, где L - необходимая длина выработок для термовлажностной обработки всего воздуха; l - стандартная длина используемых для осушения выработок. In this case, the number of parallel workings R of constant length l involved, through which air should be supplied, is determined by the ratio n = L / l, where L is the required length of the workings for heat-moisture treatment of all air; l is the standard length used to drain the workings.

Представленный расчет может быть продемонстрирован на примере системы тепломассообменных выработок 2 Березниковского производственного рудоуправления (фиг. 2). The presented calculation can be demonstrated by the example of a system of heat and mass transfer workings 2 of the Berezniki industrial ore management (Fig. 2).

Схема вентиляции с использованием отработанного пространства 7-й и части 9-й ЗП (западной панели) представляет параллельное соединение выработок: одна ветвь - это главный южный транспортный штрек 7, состоящий из двух частей - северной (3 выработки длиной 530 м) и южной (2 выработки длиной 270 м); другая - транспортный штрек 8 5-й ЗП (2 выработки длиной 140 м), блоковый транспортный 9 (2 выработки длиной 200 м), отработанной зоны 10 (длина 600 м) и транспортные выработки 11 9-й ЗП (два транспортных уклона 12 длиной 250 м). Исходя из замеров при проведении воздушно-депрессионных съемок рассчитаны эквивалентные сечения штреков, состоящих из нескольких выработок. The ventilation scheme using the working space of the 7th and part of the 9th RFP (western panel) represents a parallel connection of the workings: one branch is the main southern transport drift 7, consisting of two parts - the northern (3 workings 530 m long) and the southern ( 2 workings with a length of 270 m); the other is a transport drift 8 of the 5th RF (2 excavations 140 m long), block transport 9 (2 excavations 200 m long), waste zone 10 (600 m long) and transport excavations 11 of the 9th RF (two transport slopes 12 long 250 m). Based on measurements during the air-depressive surveys, equivalent cross sections of drifts consisting of several workings were calculated.

Аэродинамический расчет нескольких вариантов вентиляционной сети показал, что для подачи необходимого количества воздуха в систему тепломассообменных выработок необходимо установить вентилятор-эжектор, состоящий из двух вентиляторов ВЭМ-6, в южный уклон (фиг. 2, узел А). Расчетное распределение воздуха по выработкам в этом случае представлено в таблице. The aerodynamic calculation of several variants of the ventilation network showed that in order to supply the necessary amount of air to the heat and mass transfer system, it is necessary to install an ejector fan, consisting of two VEM-6 fans, in a south slope (Fig. 2, node A). The estimated distribution of air over the workings in this case is presented in the table.

Таким образом, через тепломассообменные выработки будет проходить 79,1 м³/с воздуха, поступающего с поверхности с расчетными параметрами летом t = 20^oC; d₁= 10,9 г/кг, φ_н = 72%; P_н(20) = 12,8 мм рт.ст.Thus, 79.1 m ³ / s of air coming from the surface with calculated parameters in summer t = 20 ^o C will pass through heat and mass transfer workings; d ₁ = 10.9 g / kg, φ _n = 72%; P _{n (20)} = 12.8 mmHg

После обработки в тепломассообменных выработках необходимо получить воздух с параметрами
t_тр = 9^oC; d_тр = 5 г/кг; φ_тр = 70%; P_н(9) = 6 мм рт.ст.After processing in heat and mass transfer workings, it is necessary to obtain air with the parameters
t _mp = 9 ^o C; d _tr = 5 g / kg; φ _Tr = 70%; P _{n (9)} = 6 mmHg

Парциальное давление водяных паров у стенки выработки за счет гигроскопичности пород составит. The partial pressure of water vapor near the production wall due to the hygroscopicity of the rocks will be.

P_ст = P_н(9)• φ_кр = 6•0,67 = 4,02 г/кг
φ_кр = 67% относительная влажность воздуха над поверхностью тепломассообменных выработок (пласт - сильвинит).P _article = P _{n (9)} • φ _cr = 6 • 0.67 = 4.02 g / kg
φ _cr = 67% relative humidity above the surface of the heat and mass transfer workings (reservoir - sylvinite).

Тогда ΔP = 12,8 - 4,02 = 8,78 мм рт.ст., а площадь необходимой поверхности для обработки всего воздуха определится

β = 0,03
Площадь сечения тепломассообменных выработок составляет 20 м², параметр такой выработки 15,8 м.Then ΔP = 12.8 - 4.02 = 8.78 mm Hg, and the required surface area for processing all the air is determined

β = 0.03
The cross-sectional area of heat and mass transfer workings is 20 m ² , the parameter of such production is 15.8 m.

Тогда для обработки всего воздуха потребуется выработка длиной
L = 22960 : 15,8 = 1453 м
Для нашего случая длина имеющихся т.м.о. выработок составляет l = 800 м, т.е. для обработки всего воздуха достаточно двух выработок.Then, to process all the air, a production length of
L = 22960: 15.8 = 1453 m
For our case, the length of the available so the workings are l = 800 m, i.e. two workings are enough to handle all the air.

Claims

1. The method of cooling and drying (mine) mine air, including the passage of air supply drifts, the construction of heat and mass transfer workings, passing air through them, heating, cooling or drying air by interacting with the surrounding massif, characterized in that the air and air supply drift are fed into the heat and mass transfer workings along the ventilation manifolds, while redistributing the air in the mine shaft ventilation network, for which the air is directed from the air supply drift into the heat and mass exchange workings by installing an ejector fan in the ventilation manifold at a distance from the air supply drift, which ensures full opening of the jet within the collector towards the ventilation drift, while the ejector fan maintains an air velocity in the air supply workings between ventilation manifolds of at least 0.15 m / s, and the surface area of the heat exchange workings is determined from the ratio

where G is the flow rate of drained air, kg / h;
d ₁ - moisture content of the air entering the mine, g / kg;
d _Tr - the moisture content of the air required after processing in heat and mass transfer workings, g / kg;
β - moisture exchange coefficient, kg / m ² • mm Hg kg of dry air.

ΔP is the average difference in partial pressures of water vapor at the wall surface and in the stream, mmHg,
P = P _in - P _article
where R _in , R _article - respectively, the partial pressure of water vapor in the air flow and at the working wall above the surface of the hygroscopic material at the surface temperature of the array;
K ₁ - coefficient of non-uniformity of air parameters,
K ₂ - coefficient of uneven heating of the array during the period.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the summer additionally carry out irrigation of air with liquid in heat and mass transfer workings.

3. The method according to claim 1, characterized in that the heat and mass transfer workings are additionally filled with a sorbent.

4. The method according to claim 1, characterized in that the cooling of the air is carried out using heat pipes located in the depths of the array and having exits-evaporators in the air supply manifolds and heat and mass transfer workings.