POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 2 lutego 2000

WYDZIAŁ GÓRNICZY

ROK V

SPEC EPO

Referat

z

Klimatyzacji kopalń.

Temat: Prognozowanie temperatury powietrza na podszybiu szybu wdechowego

Prowadzący: dr inż. F. Rosiek

Wykonał: Arkadiusz Snopkowski

1. Wstęp.

Istnieje wiele sposobów prognozowania temperatury w szybach wdechowych. Wielu różnych autorów polskich i zagranicznych zajmowało się określeniem wpływu ciepła skał na temperaturę przez rozwiązanie przewodnictwa cieplnego dla skał i energii dla przepływającego powietrza przy złożeniu różnych ekstremalnych warunków wyjściowych. Rozwiązania te dotyczyły określenia temperatury średniej, nie uwzględniały jednak zmian temperatury powietrza na wlocie kopalni.

1. Metoda Wacławika.

J. Wacławik podał rozwiązanie, które uwzględnia wpływ sezonowych zmian temperatury powietrza atmosferycznego.

Przy prognozowaniu średniej temperatury powietrza w wyrobiskach kopalnianych skorzystał z przybliżonego rozwiązania równania różniczkowego przewodnictwa cieplnego w skałach i równania energii przy odpowiednich warunkach brzegowych.

Do warunków kopalń LGOM można zastosować metodę Wacławika. Zgodnie z tą metodą temperaturę średnią powietrza w wyrobisku kopalnianym wyznacza się z zależności:

(1)

gdzie:

- średnioroczna temperatura powietrza atmosferycznego, °C,

- gradient geotermiczny, °C/m,

- 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, W/m,

- sinus kąta nachylenia wyrobiska.

Przy wyznaczaniu średniej temperatury powietrza w szybie wdechowym zwykle przyjmuje się, że średnie temperatury ziemi przy powierzchni i powietrza atmosferycznego są sobie równe () oraz że = -1. Przy tych założeniach wzór ten przyjmie postać:

(2)

Przykład:

Przyjmijmy, że kopalnia jest przewietrzana 4 lata, szyb ma średnicę 8m. a średnia temperatura powietrza atmosferycznego w rejonie Legnicy wynosi t_0śr = 8,4 ^oC. W związku z tym liczba Fouriera wynosi F_o = 5,488 a q^* = 3,86

σ = 0,0356 ^oC/m.

λ = 2,32 W/(m.⋅^oC)

c_p = 1004,8 J/(kg⋅^oC)

s = H = 0 do 1000 m.

ρ = 1,2 kg/m³

Q₁ = V⋅ρ = 100 kg/s

g = 9,80665 m/s²

q_d = 0 W/m

Po podstawieniu otrzymujemy następujące wyniki:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Temperatura na podszybiu wg Wacławika	8,40	9,39	10,41	11,44	12,50	13,59	14,69	15,82	16,96	18,13	19,32

Na wykresie przedstawiono przebieg zmian temperatury w zależności od głębokości H

Przy dużych ilościach przepływającego powietrza wyrażenie

wówczas temperatura w podszybiu wyniesie

(3)

Więc średnia roczna temperatura w podszybiu wzrasta w stosunku do wlotowej na nadszybiu o około 0,01^oC na 1m. głębokości szybu a więc do temperatury adiabatycznego sprężania, w wyniku wzrostu ciśnienia z głębokością szybu.

Dla:

t_0śr = 8,4 ^oC

H = 0 do 1000m

Otrzymujemy następujące wyniki w porównaniu ze wzorem (2):

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Temperatura na podszybiu wg Wacławika	8,40	9,39	10,41	11,44	12,50	13,59	14,69	15,82	16,96	18,13	19,32
Temperatura adiabatycznego sprężania	8,40	9,40	10,40	11,40	12,40	13,40	14,40	15,40	16,40	17,40	18,40

Obie te zmiany przedstawiono na poniższym wykresie

Dla kopalni ZG Rudna wzór podany przez Wacławika jak i wartości w praktyce różnią się od danych które obejmowały wszystkie szyby wdechowe tej kopalni od momentu ich powstania do dnia dzisiejszego.

Przy zastosowaniu metody regresji wielorakiej opracowano dla tych danych zależności empiryczne pozwa­lające prognozować na podszybiach szybów wdechowych m.in. średnią temperaturę powietrza

Wzór ten ma postać

(4)

Jeśli przyjmiemy dane:

t_0śr = 8,4 ^oC

H = 0 do 1000m.

=100 m³/s

i porównamy wyniki z wynikami ze wzorów (2) i (3) to otrzymamy następujący wykres:

Otrzymane wyniki:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Temperatura na podszybiu wg Wacławika	8,40	9,39	10,41	11,44	12,50	13,59	14,69	15,82	16,96	18,13	19,32
Temperatura adiabatycznego sprężania	8,40	9,40	10,40	11,40	12,40	13,40	14,40	15,40	16,40	17,40	18,40
Temperatura dla ZG Rudna	10,44	11,48	12,52	13,56	14,60	15,64	16,68	17,72	18,76	19,80	20,84

2. Inne metody prognozowania średniej temperatury na podszybiu szybu wlotowego.

2.1. Metoda profesora A.N.Szczerbania

Metoda ta jest charakteryzuje się dużą prostotą oraz częściowym sprawdzeniem słuszności tej metody dla naszych kopalń węgla które posiadają zbliżone warunki górniczo-techniczne

2.1.1. Dla miesięcy letnich.

(5)

gdzie:

t₁ = (18 - 28)^oC przyjęte 21 ^oC

ϕ₁ = 0,57 - wilgotność względna powietrza na nadszybiu (%/100) dla czerwca

H = 0 do 1000m

Otrzymamy następujące wyniki:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Dla miesięcy letnich	18,51	18,81	19,11	19,41	19,71	20,01	20,31	20,61	20,91	21,21	21,51

2.1.2. Dla miesięcy zimnych.

Profesor A.N.Szczerban podaje również wzór na prognozowanie średniej temperatury na podszybiu szybu wdechowego dla miesięcy zimnych. Jednak wzór ten nie sprawdza się dla polskich kopalń

(6)

gdzie:

t₁ = (0 - 10)^oC przyjęte 5 ^oC

H = 0 do 1000m.

Otrzymane wyniki:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Dla miesięcy zimnych	5,93	6,35	6,76	7,18	7,59	8,01	8,43	8,84	9,26	9,67	10,09

2.2. Prognozowanie średniej temperatury na podszybiu szybu wdechowego w zagłębiach URAL i DONBASA.

Według M.N. Bodjatina średnią temperaturę na podszybiu szybu wdechowego w Zagłębiu Donbaskim można prognozować wg. następującego wzoru:

(7)

gdzie:

c_p - ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu 1004,8 J/(kg^oC)

r - ciepło właściwe wody 2,500 J/g

ϕ - wilgotność względna powietrza na podszybiu (%/100)

T_B - temperatura na wlocie do szybu wdechowego ^oC

z - głębokość kopalni

m., n, l - współczynniki (m. = 3,872; n = 0,169; l = 0,0186)

M.N. Bodjatin podaje zastępcze rozwiązanie tego wzoru uwzględniając warunki atmosferyczne na wlocie do szybu wdechowego za pomocą parametrów A₁ i B₁.

(8)

Dla Zagłębia Donbasa parametry A₁ i B₁ są następujące:

Miesiące	A1	B1
Styczeń	253	0
Luty, Grudzień	265	42
Marzec, Listopad	312	157
Kwiecień, Październik	413	315
Maj, Wrzesień	532	477
Czerwiec, Sierpień	823	591
Lipiec	657	635

Podstawiając do wzoru otrzymujemy następujące temperatury:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
styczeń	1,16	1,86	2,53	3,18	3,82	4,43	5,04	5,62	6,20	6,76	7,31
luty-grudzień	2,42	3,08	3,72	4,34	4,94	5,53	6,11	6,67	7,23	7,77	8,30
marzec-listopad	5,84	6,41	6,96	7,51	8,05	8,57	9,09	9,59	10,09	10,58	11,06
kwiecień-październik	10,50	10,98	11,46	11,93	12,39	12,84	13,29	13,74	14,17	14,60	15,03
maj-wrzesień	14,85	15,28	15,69	16,11	16,52	16,92	17,32	17,71	18,10	18,49	18,87
czerwiec-sierpień	20,30	20,67	21,03	21,39	21,74	22,10	22,45	22,79	23,14	23,48	23,82
lipiec	18,74	19,12	19,50	19,87	20,24	20,61	20,97	21,33	21,69	22,04	22,39

Dla Zagłębia Uralskiego wzór przyjmuje następującą postać:

(9)

Dla Zagłębia Uralskiego parametry A₁ i B₁ są następujące:

Miesiąc	A1	B1
Styczeń	353	-490
Luty	315	-450
Marzec	371	-253
Kwiecień	219	59
Maj	354	312
Czerwiec	534	477
Lipiec	659	543
Sierpień	592	468
Wrzesień	404	284
Październik	247	44
Listopad	227	-228
Grudzień	318	-430

Podstawiając do wzoru otrzymujemy następujące temperatury:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
styczeń	-12,39	-10,70	-9,27	-8,00	-6,86	-5,81	-4,82	-3,90	-3,03	-2,20	-1,40
luty	-12,26	-10,60	-9,18	-7,92	-6,79	-5,74	-4,76	-3,84	-2,97	-2,14	-1,35
marzec	-2,42	-1,62	-0,85	-0,11	0,61	1,30	1,97	2,62	3,25	3,87	4,47
kwiecień	1,62	2,28	2,92	3,54	4,15	4,74	5,32	5,89	6,44	6,99	7,52
maj	9,19	9,69	10,17	10,65	11,12	11,58	12,04	12,49	12,93	13,37	13,81
czerwiec	14,57	14,99	15,40	15,81	16,21	16,61	17,01	17,40	17,79	18,17	18,55
lipiec	17,22	17,61	17,99	18,37	18,75	19,12	19,49	19,86	20,22	20,58	20,94
sierpień	15,27	15,68	16,08	16,48	16,88	17,27	17,66	18,04	18,43	18,80	19,18
wrzesień	9,57	10,05	10,53	11,00	11,47	11,93	12,38	12,83	13,27	13,70	14,13
październik	1,91	2,56	3,20	3,81	4,42	5,00	5,58	6,14	6,69	7,23	7,75
listopad	-6,16	-5,16	-4,22	-3,33	-2,48	-1,67	-0,90	-0,16	0,56	1,25	1,92
grudzień	-10,93	-9,47	-8,18	-7,02	-5,95	-4,96	-4,03	-3,15	-2,31	-1,51	-0,75

Do obliczeń nie zostało przyjęte grzanie powietrza przed wpłynięciem do szybu (minimalna temperatura to 2^oC)

Jeżeli uśrednimy otrzymane wyniki i porównamy je ze sobą to otrzymamy następujący wykres:

H[m.]	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
Donbasa	6,15	6,45	6,74	7,03	7,31	7,58	7,86	8,12	8,38	8,64	8,90
Ural	2,10	2,94	3,72	4,44	5,13	5,78	6,41	7,02	7,61	8,18	8,73

3. Wnioski końcowe.

Analizując powyższe metody prognozowania temperatury na podszybiu szybu wdechowego można wyciągnąć następujące wnioski:

• Wyniki otrzymane z metod prognostycznych (2) różnią się od pomiarów prowadzonych na kopalni od początku jej działalności (4)

• Wyniki otrzymane z metod prognostycznych (2) mogą posłużyć jako dane wyjściowe przy prognozowaniu średnich temperatur powietrza w wyrobiskach chodnikowych

• Wraz ze wzrostem przepływu powietrza w szybie temperatura na podszybiu dąży do temperatury adiabatycznego sprężania w wyniku wzrostu ciśnienia z głębokością szybu (3)

• Inne metody prognostyczne można stosować wówczas gdy warunki klimatyczne i górnicze-techniczne są zbliżone do warunków dla jakich ta metoda została opracowana (5)

4. Literatura.

[1] „Przewietrzanie kopalń” - J. Pawiński, J. Roszkowski, J.Strzemiński

[2] „Sprawocznoje rykowodctwo ....” - prof. A.N. Szczerban

[3] „Rudnicznaja wentiljacja” - M.N. Bodjatin

[4] Materiały wykładowe z Klimatyzacji kopalń - dr inż. F. Rosiek

---