В основном горнодобывающие предприятия России находятся в субарктическом поясе, в области континентального и резко-континентального климата, что обуславливает дополнительное потребление энергии на регулирование теплового режима, которое зависит от длительности холодного периода года, когда температура воздуха ниже + 2 °С.
Вопросами регулирования теплового режима шахт и рудников Севера занимались многие ученые горные теплофизики: Ю.Д. Дядькин, П.Д. Чабан, А.Ф. Зимбельборд, В.А. Шерстов, Ю.В. Шувалов, Б.П. Казаков, А.Ф. Галкин и др. [1, 2, 3, 6, 7, 8, 9]. Ими обоснованы и разработаны различные способы и средства для регулирования теплового режима шахт и рудников. Создана фундаментальная теоретическая база для прогноза и выбора оптимальных параметров теплотехнических систем кондиционирования рудничного воздуха. Предложены новые технические решения, позволяющие существенно снизить энергетические и экономические затраты на создание комфортных и безопасных условий труда подземных рабочих.
Согласно классификации Ю.Д. Дядькина [6] системы регулирования теплового режима шахт и рудников Севера могут быть разделены на две большие группы «энергетические» и «безэнергетические». Например, подогрев рудничного воздуха при помощи калориферных установок, который наиболее часто используется на горных предприятиях, относится к «энергетическим» системам, а регулирование теплового режима с помощью теплоаккумулирующих выработок – к «безэнергетическим». Перспектива использования горнотехнических систем, к которым относятся теплоаккумулирующие выработки, наряду с другими «безэнергетическими» системами, представляет несомненный интерес, поскольку они позволяют существенно снизить затраты на кондиционирование рудничного воздуха [2, 3].
Можно констатировать, что накоплен достаточный научный и инженерный потенциал по проектированию и внедрению энергетически и экономически эффективных способов регулирования теплового режима шахт и рудников. Однако в настоящий период применение подобных систем не носит обязательного характера и скорее является исключением, чем правилом. Более того, при проектировании современных рудников Севера, например золотодобывающих, вообще не предусматривается регулирование теплового режима. Это позволяет получить значительную экономию капитальных и эксплуатационных затрат, но создает проблемы для подземных рабочих. Анализ показал, что практически для всех современных рудников, эксплуатирующихся с естественным (нерегулируемым) тепловым режимом, жесткость микроклимата большую часть времени года превышает допустимую. Соответственно и риски производственно обусловленных простудных заболеваний для подземных рабочих существенно увеличиваются [1, 4, 6, 10].
Целью данной работы является определение горнодобывающих регионов, для которых использование оптимальных режимов регулирования теплового режима шахт и рудников с использованием «безэнергетических» систем наиболее актуально.
Для решения поставленной задачи введем критерий, который показывает, насколько увеличиваются общие затраты на кондиционирование рудничного воздуха (подогрев плюс вентиляция) по сравнению с использованием нерегулируемого теплового режима (только вентиляция):
(1)
где 
– затраты на подогрев 1 м3/с воздуха в год, руб./год; 
– затраты на вентиляцию 1 м3/с воздуха в год, руб./год.
Исходя из формулы (1), очевидно, что для нерегулируемого режима KQ = 1. При подогреве воздуха критерий KQ показывает степень увеличения затрат при подогреве подаваемого в рудник воздуха до +2 °С [11].
Стоимость потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года будет равна
(2)
где NВ – эксплуатационная мощность вентилятора, кВт; τВЕНТ – длительность работы вентилятора в год, ч; СЭ – стоимость электроэнергии, руб/кВт∙ч.
Эксплуатационная мощность вентилятора определяется как
(3)
где R – аэродинамическое сопротивление рудника, R = 9,81 Н∙с2/м4 [9]; Q – количество подаваемого воздуха, м3/с.
Стоимость потребляемой тепловой энергии за зимний период будет равна
(4)
где τi – длительность i-го месяца, с; i – количество месяцев со средней температурой ниже температуры подогрева, tПОД – температура подогрева, tПОД = + 2 °С; tВ(τi) – среднестатистическая температура воздуха в i-й месяц зимнего периода, °С; СП – стоимость тепловой энергии, руб./Гкал; Ср – удельная теплоемкость воздуха, Ккал/кг∙°С.
G = Qγ(ti), кг/с, (5)
где γ(ti) – плотность воздуха при i-й температуре, кг/м3; Q – объем подаваемого воздуха, м3/с.
Так как Q = 1 м3/с, то
G = γ(ti), кг/с. (6)
Для районирования были рассмотрены 53 основных горнодобывающих региона России с различными климатическими условиями и определены стоимости 1 Гкал тепловой энергии и стоимость 1 кВт/ч электроэнергии в каждом конкретном регионе, в табл. 1 показаны результаты расчета критерия KQ для Уральского федерального округа. По формулам (2) и (4) были проведены многовариантные расчеты и по полученным результатам по формуле (1) рассчитан критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима – KQ.
По результатам, полученным в ходе расчетов, можно сделать вывод, что среднемесячная температура зимнего периода является одним из основных факторов, влияющих на критерий удорожания процесса кондиционирования за счет регулирования теплового режима. При этом стоимость 1 Гкал теплоэнергии в регионе является главным фактором, влияющим на рассчитываемый критерий KQ.
Расчет критерия KQ рассмотрим более подробно на примере Мурманской области.
В Мурманской области добыча полезных ископаемых подземным способом ведется на предприятиях в городах Кировск и Оленегорск.
Таблица 1
Критерий KQ для Уральского федерального округа
|
Регион |
Населенный пункт |
τ, дней |
tср, °С |
KQ |
|
Уральский федеральный округ |
||||
|
Курганская область |
г. Далматово |
166 |
–10,7 |
1,18 |
|
Свердловская область |
г. Березовский |
158 |
–10,8 |
1,10 |
|
г. Карпинск |
176 |
–10,9 |
1,08 |
|
|
г. Кушва |
161 |
–9,3 |
1,08 |
|
|
Челябинская область |
г. Копейск |
162 |
–10,1 |
1,12 |
|
пгт. Вишневаторск |
172 |
–10,6 |
1,06 |
|
|
пгт. Южный |
170 |
–11,1 |
1,09 |
|
|
Ямало-Ненецкий АО |
г. Лабытнанги |
228 |
–15,5 |
1,32 |
Рис. 1. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов
Рис. 2. Климатические параметры для Северо-Западного, Центрального, Уральского, Южного и Приволжского федеральных округов
Таблица 2
Значения среднемесячной температуры и удельной плотности воздуха в зимний период года
|
январь |
февраль |
март |
апрель |
май |
июнь |
сентябрь |
октябрь |
ноябрь |
декабрь |
||
|
Кировск |
t, °С |
–12,2 |
–12,6 |
–10,9 |
–6,9 |
–1,9 |
– |
+ 1,5 |
–4,1 |
–7,7 |
–10,4 |
|
γ, кг/м3 |
1,35 |
1,35 |
1,35 |
1,33 |
1,3 |
– |
1,28 |
1,31 |
1,33 |
1,34 |
|
|
Оленегорск |
t, °С |
34 |
–35 |
–33 |
–20 |
–12 |
0 |
– |
–5 |
–18 |
–28 |
|
γ, кг/м3 |
1,48 |
1,48 |
1,47 |
1,4 |
1,35 |
1,29 |
– |
1,32 |
1,38 |
1,44 |
Таблица 3
Стоимость 1 Гкал теплоэнергии и 1 кВт/ч электроэнергии
|
Ср, руб./ Гкал |
Сэл, руб./кВт∙ч |
|
|
Кировск |
2786,92 |
2,34 |
|
Оленегорск |
3609,3 |
1,64 |
Расчет стоимости потребляемой тепловой энергии в течение января по формуле (4):
В Кировске:
В Оленегорске:
Результаты расчетов стоимости потребляемой тепловой энергии по формуле (4) в течение зимнего периода для Мурманской области представлены в табл. 4.
Таблица 4
|
январь |
февраль |
март |
апрель |
май |
июнь |
сентябрь |
октябрь |
ноябрь |
декабрь |
ΣЭПОД, руб. |
|
|
Кировск |
34342,6 |
31892,9 |
31198,56 |
20521,6 |
9082,78 |
– |
1109,5 |
14315,7 |
22366,3 |
29767,2 |
194597,3 |
|
Оленегорск |
123615,8 |
114754,4 |
119369,9 |
64154,4 |
43850,1 |
5792,8 |
– |
21437,9 |
61969,5 |
100229 |
660174 |
Расчет стоимости потребляемой электроэнергии работы вентилятора в течение года по формуле (2).
В Кировске:
В Оленегорске:
Определение критерия зависимости стоимости кондиционирования рудничного воздуха от затрат на регулирование теплового режима рудничного воздуха шахт и рудников в Мурманской области.
Для Кировска:
Для Оленегорска:
Рис. 3. Районирование России по критерию KQ
По полученным результатам видно, что критерий KQ в городе Оленегорске выше, чем в городе Кировске, почти в 2 раза, что вызвано повышенной стоимостью 1 Гкал тепловой энергии в Оленегорске.
По результатам расчетов, представленных в табл. 1, было проведено районирование горнодобывающих регионов России (рис. 1).
На карте зеленым цветом отмечены области с незначительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха, желтым цветом обозначены области с существенным увеличением затрат. Оранжевым цветом отмечены области с большим увеличением затрат и красным цветом отмечен регион со значительным увеличением затрат на кондиционирование рудничного воздуха (при подогреве и вентиляции).
Таким образом, можно сделать вывод, что применение «безэнергетических» систем при регулировании теплового режима наиболее актуально в Красноярском и Камчатском краях, а также в отдельных районах Забайкальского края и Мурманской области. В областях, отмеченных на карте районирования желтым цветом, следует уделять более тщательное внимание выбору систем регулирования теплового режима.
Авторы выражают благодарность научному руководителю, профессору А.Ф. Галкину за идею работы и помощь при написании статьи.
Рецензенты:
Коршунов Г.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург;
Галкин А.Ф., д.т.н., профессор кафедры безопасности производств, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.