Провітрювання гірничих виробок з використанням геотермальної енергії

Тема 4 Способи використання геотермальної енергії для потреб гірничодобувного підприємства

В настоящее время для проветривания горных выработок шахт используют осевые и центробежные вентиляторы с мощным электрическим приводом. Для их круглосуточной работы затрачивается значительное количество электроэнергии, которая является существенной составляющей себестоимости добываемого угля. В ДонНТУ предложен способ проветривания шахт за счет использования геотермальной энергии, вследствие чего уменьшается расход используемой для работы вентиляционных установок электроэнергии, получаемой из ископаемых видов горючего, которые относятся к невосполнимым и исчерпывающимся видам энергоносителей. Таким образом появляется возможность не только снизить себестоимость добываемого угля, но и значительно улучшить экологическую обстановку в угледобывающих регионах.

Существующие способы проветривания шахт предусматривают подачу в воздухоподающий ствол воздуха с поверхности и регулирование его расхода в сети горных выработок шахты. После проветривания забоев, производят выдачу воздуха на поверхность через вентиляционный ствол за счет депрессии, развиваемой вентилятором главного проветривания.

Температурный режим в горных выработках следующий. В холодное время года, воизбежание обмерзания устья ствола нагревают поступающий в шахту воздух до температуры не менее +2°С (275 К). При движении по сети выработок воздух нагревается за счет теплоты горных пород до температуры около 25°С (298 К), что приводит к уменьшению его плотности. Температурный барьер 25°С обусловлен требованиями «Правил безопасности в угольных шахтах», в соответствии с которыми, это является эргономическим ограничением на рабочих местах в подземных условиях. В результате нагревания плотность выдаваемого из шахты воздуха становится меньше плотности подаваемого в холодный период года в шахту воздуха. Разница в плотности обеспечивает дополнительную тягу и позволяет зимой несколько уменьшать подачу и, соответственно, энергопотребление вентилятора главного проветривания шахты. Но такое проветривание требует высокой стоимости проветривания шахты и негативно воздействует на экологическую обстановку из-за использования для работы вентиляционных установок энергии, получаемой из ископаемых видов горючего, которые относятся к невосполнимым и исчерпывающимся видам энергоносителей. В теплое время года подаваемый в шахту воздух несколько охлаждается в воздухоподающем стволе, отдавая тепло остывшим в холодное время года горным породам. За счет охлаждения плотность воздуха несколько увеличивается. По мере движения по горным выработкам он вновь нагревается до температуры +25°С или несколько меньшей.

Физический смысл предлагаемого способа проветривания шахты состоит в использовании теплоты породного массива для обеспечения энергоемкого процесса нагревания исходящего из шахты воздуха и уменьшения его плотности. В основу способа поставлена задача усовершенствования вентиляции шахты, путем введения конструктивных признаков обеспечивающих повышение эффективности проветривания горных выработок за счет увеличения депрессии между воздухоподающим и вентиляционным стволами, снижения затрат на проветривание горных выработок и негативного воздействия на окружающую среду путем сокращения электроэнергии, получаемой из невосполнимых и исчерпывающихся видов энергоносителей.

Предложенный способ проветривания шахты (рис.4.1а) предусматривает подачу в воздухоподающий ствол воздуха с поверхности и нагревание его в устье ствола до температуры не менее 2°С, подачу воздуха по сети горных выработок шахты, выдачу воздуха на поверхность через вентиляционный ствол.

а)

б)

Рис. 4.1. Схемы проветривания шахты с использованием геотермальной энергии (а) и теплообмена воздуха в выработанном пространстве (б): 1,2 - шахтные стволы, соответственно, воздухоподающий и вентиляционный; 3,8– квершлаги, соответственно вентиляционный и воздухоподающий; 4 – вихревая труба; 5,12,10 – выработки, соответственно, главная и участковая воздухоотводящие и участковая воздухоподающая; 6 – трубопровод охлажденного воздуха; 7 – вентиляционная перемычка; 9 – геотермальный теплообменник (заштрихованная часть рисунка); 11 – каналы, пройденные в выработанном пространстве на расстоянии 50...70 м друг от друга.

Отличие от известных способов состоит в том, что, воздух из воздухоподводящей выработки, направляют в воздухоотводящую выработку через каналы (рис. 4.1б), созданные после выемки полезного ископаемого в выработанном пространстве. Совокупность выработок и каналов образует геотермальный теплообменник, в котором теплота недр в режиме динамического равновесия передается движущемуся по каналам воздуху. Чтобы исключить взаимное влияние каналов на теплообменные процессы, расстояние между ними должно быть не менее 50…70 м. На современных глубоких шахтах температура породной толщи составляет 35…50⁰С и более. В результате нагревания плотность воздуха становится существенно меньше, чем была в воздухоподающем стволе.

После того как воздух нагревается до температуры горного массива, он подается в обособленный тракт, куда закрыт доступ горнорабочих при нормальном режиме работы шахты. В этих выработках возможно нахождение людей только в средствах индивидуальной защиты организма от теплового воздействия или после охлаждения стенок холодным воздухом.

После этого воздух может быть направлен в вихревую трубу, где разделяют молекулы воздуха, имеющие минимальную и максимальную энергию, из которой поток холодного воздуха может быть направлен для кондиционирования атмосферы на рабочие места, а горячего - к вентиляционному стволу. Благодаря наличию в вентиляционном стволе газового потока с повышенной температурой и минимальной плотностью, по сравнению с воздухоподающим, образуется тепловая депрессия, т.е. разность напоров воздуха. Более плотная, а следовательно тяжелая среда в воздухоподающем стволе выдавливает менее плотную (более легкую) из вентиляционного, что определяет достижение полезного технического эффекта.

Экологический эффект от использования геотермальной энергии складывается из двух составляющих, во-первых сокращается расходование невосполнимых энергетических ресурсов, таких как уголь, природный газ, мазут и т.п., во-вторых снижаются экологические платежи.

Результаты расчетов показывают, что если оборудовать на шахте «Октябрьский рудник» два геотермальных теплообменника, то можно отказаться от использования вентиляторов главного проветривания и тем самым сократить затрат электроэнергии на проветривание шахты не менее чем на 4,7 млн. грн. в год. За счет использования геотермальной энергии для нагревания воздуха существенным образом снижается расход природного газа или угля, что обеспечивает экологический эффект от использования способа. Применение данного способа проветривания горных выработок шахты следует считать целесообразным и экологически эффективным.

Дата добавления: 2014-01-06