Prognozowanie temperatury powietrza w szybach wdechowych na przykładzie kopalń LGOM
1. Wstęp
Podczas przepływu powietrza w wyrobiskach górniczych zachodzi ciągła wymiana ciepła między skałami, a powietrzem kopalnianym. Wymiana ciepła odbywa się w sposób jawny drogą przewodnictwa cieplnego, konwekcji i promieniowania oraz w sposób niejawny drogą parowania wody, w szczególności wilgoci. Temperatura powietrza w wyrobiskach górniczych różni się zazwyczaj od temperatury skał. W związku z tą różnicą zachodzi wymiana ciepła między skałami a przepływającym powietrzem. Temperatury obu ośrodków zależą między innymi od czasu, przez co proces ten jest nieustalony. Na tę wymianę ciepła nakłada się w szybach i wyrobiskach nachylonych sprężanie powietrza przy jego ruchu w polu sił ciężkości w dół lub rozprężanie przy jego ruchu do góry. Efektem sprężania powietrza w szybach wdechowych jest wzrost jego temperatury, który teoretycznie przy założeniu, że szyb wypełnia powietrze suche ulegające przemianie adiabatycznej i nie zachodzi wymiana ciepła z górotworem, wynosi około 1°C na 100 m szybu. Praktycznie, ze względu na zachodzącą wymianę ciepła i zawilżenie powietrza, przyrost ten wynosi 0.5÷0.6 °C na 100 m szybu. Ponadto w wyrobiskach kopalnianych wydziela się ciepło od źródeł miejscowych, takich jak: pracujące maszyny i urządzenia, transport urobku, procesy utleniania itp. Temperatura powietrza atmosferycznego w ciągu doby, miesiąca i roku charakteryzuje się znacznymi wahaniami, mającymi istotny wpływ na różnicę temperatur powietrza kopalnianego i skał, a tym samym proces wymiany ciepła.
Drogi powietrza świeżego w kopalni stanowią swego rodzaju akumulator ciepła. Ciepłe powietrze wchodzące latem do kopalni ogrzewa skały chłodząc się. Zimą natomiast powietrze chłodzi skały odbierając od nich ciepło [2]. Skały otaczające wyrobisko, biorące udział w tych procesach, noszą wg. [16] nazwę "strefy (warstwy) wyrównującej temperaturę", a wg. [2] nazwę "regeneratora ciepła". Grubość tej warstwy w zależności od rodzaju skał sięga od kilku do kilkunastu metrów w głąb górotworu. Zasięg strefy wyrównującej wahania temperatury zależy natomiast głównie od ilości przepływającego powietrza. Dla płytkich kopalń, przewietrzanych dużymi ilościami powietrza może ona sięgać nawet do szybów wydechowych [16]. W głębokich, gorących kopalniach strefa ta obejmuje zazwyczaj grupowe prądy powietrza świeżego i sięga do miejsca, do którego następuje obniżanie temperatury ciepłego powietrza płynącego w lecie od szybów wdechowych. Od tego miejsca temperatura skał jest stale wyższa od temperatury powietrza i ogrzewa się ono od skał wzdłuż drogi jego przepływu. Wartości temperatur powietrza w kopalni zależą jednak głównie od temperatury powietrza na wlocie do szybu. Zgodnie z przepisami temperatura powietrza wpływającego do kopalni nie powinna być niższa niż +2 °C. Stosowana metoda prognozowania temperatury powietrza w wyrobiskach górniczych pozwala prognozować temperaturę średnią (średnioroczną) powietrza.
(…)
…,
- współrzędna bieżąca, m, - współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK),
- bezwymiarowy strumień cieplny,
- strumień objętości powietrza, m3/s,
- gęstość powietrza, kg/ m3, - ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu, J/(kgK),
- temperatura pierwotna skał na wlocie do wyrobiska, °C,
- przyspieszenie ziemskie, m/s2, - strumień ciepła od dodatkowych źródeł ciepła przypadający na jednostkę długości wyrobiska…
… korzysta z różniczkowego równania energii. W celu jego rozwiązania zakłada się, że temperatura powietrza zależy od jednej współrzędnej bieżącej i nie zmienia się w przekroju poprzecznym wyrobiska. Ponadto zakłada się, że strumień masy powietrza przepływającego wyrobiskiem jest stały i pomija się zmiany energii kinetycznej wzdłwiż osi wyrobiska. Przyjmuje się jednorodność górotworu i niezmienność…
…), jak i amplitudy oraz przesunięcia fazowego. Z przedstawionych w literaturze [1],[2] przykładów zastosowania opracowanych wzorów w warunkach kopalń LGOM wynika, że w przypadku przepływu szybem wdechowym strumienia masy powietrza w ilości równej 200 kg/s temperatura średnia powietrza na głębokości 1000 m po 4 latach powinna wynosić 19,1°C, amplituda 8,95°C, a przesunięcie fazowe -0,11. Dla większych ilości powietrza zanikanie okresowych zmian temperatury powietrza jest wolniejsze, a przesunięcie fazowe mniejsze. W warunkach rzeczywistych kopalń LGOM, gdzie w szybach wdechowych płynie strumień masy powietrza od 575 do 900 kg/s, prognozowane - zgodnie z metodą J. Wacławika - amplitudy i przesunięcia fazowe będą wynosiły odpowiednio:
= 575 kg/s - A = 9.75 °C, = -0.038,
= 900 kg/s - A = 10.0 °C, = -0.024…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)