Л. Ю. ЛЕВИН

ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМ ВОЗДУХОПОДГОТОВКИ НА ПРОЦЕССЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КРЕПИ И ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ
РЕВЕРСИРОВАНИИ ГВУ

Вентиляционные стволы рудников, в отличие от воздухоподающих, не имеют систем тепловой защиты от зимних холодов, функцию которых выполняют калориферные установки и каналы. В холодное время года нагретый воздух по калориферным каналам подаётся в воздухоподающий ствол и предохраняет его крепь от промерзания. В обычном режиме проветривания тюбинговая колонна вентиляционного ствола обогревается с одной стороны теплом горного массива, с другой – теплом исходящей из рудника струи отработанного воздуха, поэтому
угроза температурных деформаций крепи в этом случае отсутствует независимо от температуры наружного воздуха.

Иначе дело обстоит в случае включения реверсивного режима проветривания рудника в зимний период. При реверсировании главной вентиляторной установки (ГВУ) холодный атмосферный воздух подаётся в вентиляционный ствол без подогрева, и, как следствие, происходит охлаждение крепи ствола.
Реверсивный режим работы ГВУ является аварийным и предполагает ограниченное время действия. В зависимости от температуры и количества подаваемого в ствол воздуха охлаждение крепи за время реверсивного проветривания может
вызвать критические температурные деформации колонны, а может и не успеть. Время подачи холодного воздуха в ствол является величиной, определяющей
степень промерзания крепи вентиляционного ствола.

В зависимости от времени реверсирования воздушной струи и воздействия холодного воздуха на крепь следует различать три аварийных стадии размораживания:

1.  Замерзание воды на контактах тюбинг – бетон. После чего происходит
нарушение взаимосвязи между бетонной рубашкой и тюбингами и отрыв бетона от тюбинговой колонны.

2.  Снижение температуры крепи, равномерное по всему сечению, или
понижение температуры части тюбинговой колонны по отношению к
некоторой температуре tк, при которой происходит раскрытие соединительных швов вентиляционных стволов и нарушение свинцовой чеканки, что в последствии может привести к образованию течи воды, при замерзании которой на стенках ствола, расстрелах и проводниках нарастает ледяная корка.

3.  Замерзание воды на контактах бетон – порода, что может привести к разрушению крепи.

Следует отметить, что первая и вторая стадии в основном зависят от времени промерзания тюбинговой колонны. Первая стадия может наступить при промерзании тюбинговой колонны до 0°С на всю толщину спинки тюбинга. Однако в связи с тем, что многолетние наблюдения за температурой воздушного потока в вентиляционных стволах показывают, что сезонные колебания практически
отсутствуют (составляют не больше 2÷3°С) и не оказывают какого-либо влияния на состояние крепи ствола, можно предположить, что контакт чугунной колонны и бетонной рубашки не нарушен. И, следовательно, не должен иметь скоплений воды, которые могли бы привести к разрушению тюбинговой колонны.

Из практики эксплуатации стволов известно, что вторая стадия может наступить при охлаждении крепи до -12÷-15°С. Понижение температуры тюбингов
вызывает изменения геометрических размеров отдельных элементов крепи. Вследствие различия теплофизических и физико-механических свойств отдельные элементы крепи (тюбинговая колонна, бетонная рубашка и т. д.) по-разному реагируют на колебания температуры. Теплообмен между бетоном и воздушным потоком происходит через тюбинговую колонну, обладающую большим коэффициентом температуропроводности. Переход от одной температуры к другой у бетонной рубашки совершается значительно медленнее, чем у тюбинговой колонны, что, в свою очередь, вызывает различие в температурных деформациях и может привести к отрыву чугунной колонны от бетонной рубашки, нарушается их взаимосвязь. Однако в вентиляционных стволах после их проходки и проведения
повторного тампонирования закрепного пространства такая взаимосвязь существует и оказывает влияние на характер температурных колебаний.

На основе разработанной математической модели теплообмена воздуха и крепи вентиляционных стволов были произведены расчеты для наиболее
неблагоприятного места с точки зрения раскрытия швов и деформации свинцовых гидроизоляционных шайб. Для условий вентиляционного ствола № 4 рудника БКПРУ-4 это место расположено в районе первого пикотажного шва на отметке -16 метров. Диаметр вентиляционного ствола 7 м; температура пород до реверсирования +8°С; температура наружного воздуха рассматривалась от -48°С без учета работы системы воздухоподготовки до -24°С при работе системы нагрева воздуха мощностью 15 МВт; расход воздуха в стволе при реверсировании принят 30000 м3/мин (скорость - 13 м/с). Для анализа рассчитана температура на внешней спинке тюбинга при ее толщине 50 мм (рис. 1).

Рис. 1. Расчётные изменения температуры закрепного пространства

при реверсировании ГВУ (чёрные линии – чугун, зелёные линии – бетон)

Проведено два варианта расчёта изменения температуры массива на расстоянии 5 см от поверхности ствола – 1) массив является бетоном и 2) массив является чугуном. Отличие: теплопроводность чугуна – на порядок выше, чем у бетона. Согласно полученным результатам процесс охлаждения массива может быть разделён на две временные стадии:

1. Первая стадия до 1 часа с начала охлаждения. Часть массива за пределами 5 см в теплообмене поучаствовать ещё не успевает. Поэтому тонкий
цилиндрический слой чугуна охлаждается быстрее, чем слой бетона, по причине большей теплопроводности (рис. 1).

2. Вторая стадия после 1 часа с начала охлаждения. Окружающий массив начинает участвовать в теплообмене, выполняя функцию холодоотвода.
Разумеется, чугун с этой функцией справляется значительно лучше, чем
бетон. Поэтому на этой стадии охлаждение массива на 5 сантиметровой глубине для чугуна идёт значительно медленней, чем для бетона, поскольку
бетон, по сравнению с чугуном является теплоизолятором для выделенного цилиндрического слоя.

Из рис. 1 видно, что первая аварийная стадия при реверсивном режиме
проветривания наступает в течение первых двух – трех часов и практически не зависит от мощности системы воздухоподготовки.

Наиболее опасной является третья стадия, при которой происходит
промерзание бетонной рубашки с последующим замерзанием воды на контактах бетон – порода, что может привести к разрушению крепи. На участке крепления стволов чугунными тюбингами изменения температуры тюбинговой колонны
передаются бетонной рубашке. Бетонная крепь имеет в 5÷10 раз большую толщину и в 20÷25 раз меньшее значение коэффициента температуропроводности. Вследствие этого бетонная крепь с большим запаздыванием, чем тюбинговая
колонна, следит за изменениями температуры воздушного потока в стволе. В
результате этого возникают дополнительные температурные напряжения,
способствующие растрескиванию бетона. При дальнейшем размораживании бетонной крепи начинают замерзать грунтовые воды, создавая дополнительное давление на бетонную рубашку, которая в последствии может разрушиться.

Рис. 2. Расчётные изменения температуры закрепного пространства при реверсировании ГВУ

Расчеты температуры приведены на рис. 2 при толщине бетонной рубашки 500 мм.

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что промерзание бетонной крепи возможно не ранее, чем через 4 дня после включения реверсивного режима проветривания, что нужно учитывать при введении в действие плана ликвидации аварий и выбора вентиляционных режимов при длительном его
исполнении.

Итак, наступление перечисленных выше трех аварийных стадий размораживания крепи вентиляционных стволов зависит главным образом от продолжительности реверсирования и температуры наружного воздуха. Примеры таких зависимостей для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 представлены на рис. 3. Эти графики приложены к плану ликвидации аварий и учитываются при введении его в действие.

Рис. 3. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха без применения системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 : 1 – первая стадия; 2 – вторая стадия; 3 – третья стадия

Применение на вентиляционном стволе системы воздухоподготовки позволит значительно увеличить продолжительность реверсирования без опасности возникновения аварийной ситуации. Мощность, которой должна обладать система воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 рудника БКПРУ-4 , равна 12 МВт. При ее применении продолжительность реверсирования до наступления стадий размораживания изменится, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость времени промерзания крепи от температуры наружного воздуха с применением системы воздухоподготовки для вентиляционного ствола №4 БКПРУ-4 : 1 – первая стадия; 2 – вторая стадия; 3 – третья стадия

Таким образом, применение системы воздухоподготовки позволит создать надежный и устойчивый подогрев воздуха на период реверсирования. В результате этого стадии размораживания тюбинговой и бетонной крепей будут значительно отнесены во времени, что создаст условия для продления возможного периода реверсирования вентиляционной струи и увеличения эффективности плана
ликвидации аварий.