Способ регулирования теплового режима шахт Советский патент 1985 года по МПК E21F3/00 

.. Изобретение относится к горной промьшшенности и может быть использовано при кондиционировании рудничного воздуха в шахтах и рудниках,рас положенных в области многолетней мер злоты. Цель изобретения - повьшение эффективности регулирования теплового режима шахт путем активизации теплообмена шахтного воздзгха с глубокими слоями породного массива. На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая способ урегулирования теплового режима шахт} на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. На схеме показаны теплообменная выработка 1, теплоаккумулирующие вьфаботки 2, сбойки 3, теплоноситель 4, а также скважины 5 и 6, сообщающиеся между собой. Способ осуществляют следующим образом. Проходят теплообменную выработку и сеть теплоаккумулирующих выработок. Теплообменную выработку соединяют с началом основного вентиляционного пути шахты, а сеть теплоаккумулирующих выработок - с теплообменной. В почве выработок проходят тран шеи и бурят циркуляционные скважины Траншеи и скважины заполняют водным раствором хлористого натрия или хлористого кальция концентрацией 0,118,7%. Для приготовления раствора на поверхности шахты сооружают соляной солнечный бассейн, в котором нагревают раствор до 35-40 С. По мере нагревания раствора его закачивают с помощью насоса в горные вьфаботки и заполняют траншеи и скважины. Таким образом осуществляют аккумулирование тепла в горных выработках. С наступлением холодного периода года наружный воздух пропускают по теп.пообменной выработке. По мере понижения температуры атмосферного воз духа часть его направляют в теплоаккумулирующие выработки и с помощью вентиляционных устройств распределяют по сети этих выработок. В наиболее холодные месяцы для интенсификации теплообмена в системе шахтный воздух - раствор - горные породы включают циркуляционные насосы и насосы для распыления раствора навстречу шахтному воздуху. На выходе из теплообменной вьфа.ботки смешивают воздух, проходящий 18i по теплообменной выработке, с возду- хом, выходящим из сети теплоаккумулирующих выработок, и таким образом получают необходимую температуру воздуха, поступающего в вентиляционную сеть шахты. Способ регулирования теплового режима шахт позволяет в десятки раз сократить вентиляционный путь для основного количества подогреваемого воздуха. Это достигается в результате того, что теплообменная выработка 1, по которой проходит основное количество воздуха и происходит его подогрев, проводится небольшой длины (в пределах 200 м), а основная масса теплоносителя 4 размещается в теплоаккумулирующих выработках 2 (камерах, естественных или искусственных полостях), сообщающихся между собой и примыкающих к теплообменной выработке под любым углом. Теплракку мулирующие выработки 2 и сбойки 3 пересекают оконтуриваемое ими поле так, что на его площади размещается расчетное количество теплоносителя, :а образующиеся при этом целики обеспечивают нормальные условия поддержания самих выработок. Длина теплоаккумулирующих выработок, заполненных раствором, по сравнению с вьфаботками, аккумулирующими тепло только в породах, окружающих их, сокращается вследствие того, что теплоаккумулирующая способность раствора примерно в 4 раза выше, чем у горных пород (табл.1), и в активный теплообмен вовлекают глубокие слои породного массива с помощью скважин и создания условий для циркуляции по ним раствора (надежная фильтрация между скважинами, взаимосвязь между параметрами скважин и схемами их соединения) . В теплоаккумулирующих вьфаботках и сбойках между ними устанавливают вентиляционные устройства, с помощью которых эти вьфаботки включаются частично или полностью в теплообмен с наружным воздухом, количество которого регулируется также с помощью этих устройств. Тепловой режим в теплообменной вьфаботке 1 формируется в результате смешивания наружного воздуха с воздухом, выходящим из теплоаккумулирующих вьфаботок. С наступлением более холодных месяцев, если повьш ение температуры воздуха в теплоаккумулируккцих вы31работках путем естественного теплооб мена между воздухом и раствором недостаточно, включают устройство для распыления раствора навстречу воздуш ному потоку. Устройство состоит из насоса, трубопроводов, вентилей и ; форсунок, факелы разбрызганнсэго раст вора которыми перекрьгоают все сечение выработки, в которых они,установ лены. Интенсивность теплообмена между воздухом и раствором регулируют, изменяя как количество распыляемого раствора, так и его температуру пере мещением всасывающего патрубка насос по глубине траншеи. Скважины группируют в автономные замкнутые системы, состоящие из цент ральной скважины 6, которая сообщает ся со скважинами 5, расположенньми вокруг нее на расстоянии 1/4 ширины траншей, равной ширине вьфаботки или меньшей ее на 0,5 м. Глубина траншей 1-2 м, а расстояние между центральны ми скважинами равно 1/2 ширины траншеи. Суммарная площадь сечений периферийных скважин должна быть равной площади сечения центральной, чтобы скорости циркуляции раствора бьши равными. Глубина скважин ограничивается экономической и технической целесообразностыо. Между периферийными и центральной скважинами создается прямая связь ил зона фильтрации с помощью взрыва или наклоннь1а4 бурением периферийных сква жин. В центральной скважине раствор более интенсивно охлажда,ется, увеличивая свою плотность, чем в периферийных, вследствие того, что к рав;ному количеству раствора тепло горных пород, окружающих центральную скваямну, передается через меньшую поверхность (например, при шести скважинах в 2,4, а при восьми в 3,5 раза). Таким образом создаются условия для циркуляции раствора по скважинам а следовательно, и выноса тепла породного массива на поверхность, в охлаждающийся раствор. Эффективность способа обусловлена правильным выбором концентрации раствора. Поверхность растворов слабой концентрации, аналогично пресной воде, замерзает прежде, чем они от дадут свое тепло. При высокой концен трации породный массив, окружающий раствор, и сам раствор охлаждаются 84 ниже расчетной температуры, но при этом не происходит отдачи основного количества тепла, т.е. скрытой теплоты замерзания раствора. Для наиболее полного-использования тепла раствора и породного массива необходимо, чтобы температура замерзания, раствора tj бьша ниже естественной температуры породного массива t и вьш1е или равна температуре -подогрева шахтного воздуха t Чагр tg.tnОптимальное соотношение между количеством раствора и объемом породного массива, вовлекаемого для подогрева шахтного воздуха, должно определяться исходя из конкретных природно-климатических и горно-технических условий каждого предприятия. Предлагаемая система кондиционирования шахтного воздуха является в. какой-то мере самонастраивающейся, т.е. чем больше температура холодного воздуха отличается от температуры раствора, тем интенсивнее конвективный и радиационный теплообмены между ними. При контакте, раствора и воздуха происходит насьш1ение воздуха водяными парами при его нагревании и, следовательно, усвоение воздухом скрытой теплоты испарения насьш ающих его liapoB. В то же время применение, жидкого теплоносителя позволяет активно управлять процессом теплообме|На (даже в автоматическом режиме): распылять с помощью насоса и форсунок раствор навстречу воздушному по- току, создавать циркуляцию в скважинах и тем самым извлекать тепло из породного массива, распределять воздух по теплоаккумулирующим выработкам, подогревать раствор в технически и экономически целесообразные отрезки времени с помощью различных источников энергии . Летом для подогрева раствора до температуры превращения могут быть использованы энергия солнца и вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) тепловые отходы-промьшшенности (тепло воды принудительного охлажления местных электростанций, тепло отработанного пара или горячей воды котельных и др.). В зимнее время, помимо ВЭР, в ряде случаев целесорбразноиспользова ние пара, горячей воды, электроэнергии для подогрева шахтного воздуха

и аккумулирования тепла в теплоаккумулирующих выработках, особенно в не рабочие дни и в ночное время, когда нагрузки на электростанции и котельHbife резко снижаются, В результате уменьшение количества аккумулируемого теплоносителя повьшает эффективность предлагаемого способа кондиционирования шахтного воздуха. Аккумулирование теплоты в течение суток или недели и более длительного времени очень сложный и дорогостоящий процесс, и поэтому поддержание температуры теплоносителя в заданных пределах даже с помощью перСвойства теплоаккумулирукмцих веществ

вичных источников энергии экономически оправдано.

Выданный на поверхность охлажденный за зиму раствор можно нагреть в

соляном солнечном бассейне, особенность которого заключается в том, что поверхностные слои раствора играют роль тепловой изоляции для придонного слоя, температура которого при

глубине водоема 0,8 м повьш1ается до 90-100.С и незначительно остьгоает в ночное время. Это обстоятельство позволяет по мере нагрева раствора до заданной температуры закачивать

его в теплоаккумулирунщие выработки.

СПОСОБ РЕГУШРОВАНР ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ШАХТ, включающий подачу наружного воздуха в теплообменную . вьфаботку и изменение его температуры до естественной температуры породного массива, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности регулирования теплового режима шахт путем активизации теплообмена шахтного воздуха с глубокими слоями породного массива, проходят систему теплоаккумулирующих выработок, сбитЬк между собой и примыкающих к теплообменной вьфаботке, и осзществляют перераспределение наружного воздуха по указанным выработкам, при этом в . теплоаккумулирующих вьфаботках проходят траншеи, в дне которых бурят сообщающиеся между собой скважины, причем траншеи и. скважины заполняют лагретым водным раствором соли. (Л

Раствор хлористого кальция 308-264 13,7 1120 3,40 2.13 406112

Песчаник 308-264 - 2500 0,84 . - 92400.

Примечание. Температуру превращения хлористого кальция (292-382 К) принимают 308 К. Температуру замерзания раствора 264 К принимают равной температуре подогрева шахтного воздуха, что позволяет сравнивать предлагаемый способ регулирования теплового режима с известным.