Полезные ископаемые — ресурс невосполняемый, а потребность в них с каждым годом только увеличивается, поэтому горной отрасли все чаще приходится заниматься разработкой глубокозалегающих месторождений. Спуск на большую глубину таит в себе много опасностей, одна из них — высокие температуры, способные привести к тепловым ударам у горняков и выходу из строя оборудования.

Заведующий лабораторией развития горного производства Горного института УрО РАН (филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН) доктор технических наук Артём Зайцев занимается решением этой проблемы, опираясь на фундаментальные исследования, моделирование и цифровые технологии. Учёный подробно рассказал «Науке Урала» об этом цикле своих работ, отмеченных недавно медалью Российской академии наук.

— Артём Вячеславович, профессия горняка всегда считалась трудной и опасной. Какие именно угрозы подстерегают человека при работе в шахтах и рудниках, особенно глубокозалегающих?

— Ему приходится сталкиваться с проявлениями горного давления, выделением горючих и ядовитых газов, прорывами подземных вод. Также широко известно, что чем глубже опускаешься в недра Земли, тем там теплее. На самом деле температура с увеличением глубины растёт не слишком быстро: в среднем на два градуса каждые 100 метров. Но на сегодня глубина ведения горных работ на ряде предприятий уже перевалила за один километр, что даже при невысоком темпе роста температуры приводит к превышению допустимых правилами безопасности +26 °C. Например, сейчас в Норильском промышленном районе завершён первый этап строительства самого глубокого рудника в Евразии, там достигнута отметка в 2 100 метров. Температура горных пород на такой глубине — +54 °C. Поскольку пространство шахты сильно ограничено, воздух стремится принять температуру окружающих его пород. Помимо этого в выработках работает мощная техника с электрическими приводами и двигателями внутреннего сгорания, также выделяющая большое количество тепла.

Как я уже сказал, согласно нормативным требованиям, в подземных условиях допускается работа при температурах окружающего воздуха не более +26 °C. При температурах свыше +35 °C есть опасность получить тепловой удар. И такие условия не выдерживают не только люди — перегревается оборудование, останавливается производственный процесс, вести добычу становится невозможно.

— Какие решения вы предлагаете в рамках своего исследования?

— Проблема не нова, с аналогичными вызовами уже сталкивались горные предприятия в ЮАР, Германии, Бразилии, Индии и других странах. На начальном этапе мы изучали возможность применения их разработок и опыта, но столкнулись с различиями, требующими учета. Например, наши предприятия зачастую находятся в северных широтах, в условиях продолжительного холодного периода года, и надо было постараться по максимуму использовать этот ресурс. Также работы у нас ведутся с относительно небольшими превышениями температур горных пород над предельно допустимыми (на 10–20 °С). Отличаются и сами горные предприятия по применяемым способам, принятым параметрам отработки, размерам шахтных полей. Поэтому применить зарубежный опыт «в лоб» если и было возможно, то это были бы далеко не самые оптимальные решения по соотношению эффективности снижения температур и финансовых затрат.

В итоге мы предложили новую методику расчёта и выбора способов снижения температур в шахтах. Дело в том, что где-то задача решается изменением того, как и в каком количестве довести воздух до рабочих зон, а где-то необходимо применять подземные системы охлаждения воздуха, разработка которых была отдельной большой историей. И чтобы верно рассчитать эффективность разных способов и их сочетание, мы провели большой объем исследований физических процессов формирования теплового режима глубоких шахт и рудников. Был установлен целый ряд нюансов, требующих учёта: влияние изменения плотности воздушной среды на параметры тепло- и массопереноса, сопряженный характер влагообменных процессов внутри горных выработок, теплообмен с окружающими горными породами. Даже параметрическое обеспечение для расчета тепловыделения от работающих горных машин, по сути, пришлось сделать заново — традиционные зависимости в горной теплофизике были установлены еще в прошлом веке, когда парк горных машин был совсем другой. Результатом этой работы стала разработка теплофизического модуля, ставшего составной частью программного комплекса «АэроСеть», ныне широко применяющегося в проектных институтах и на горных предприятиях страны.

Параллельно мы с нашими индустриальными партнёрами разрабатывали и испытывали шахтные системы кондиционирования воздуха для его эффективного охлаждения в специфических условиях, когда приходится иметь дело с воздухом высокой плотности и относительной влажности, стесненным пространством и ограничениями по отведению избыточных тепловыделений от систем охлаждения.

Также оригинальным направлением стала совместная работа вместе со специалистами по гигиене труда: мы исследовали предельные параметры микроклимата. Установленные правилами безопасности +26 °С могут иметь разную тепловую нагрузку на организм шахтеров в зависимости от влажности воздуха, тяжести и продолжительности работы, а также ряда других факторов. Мы предложили гибко подходить к определению предельных показателей микроклимата и организации работ в зависимости от особенностей шахты: где-то вводя дополнительные ограничения, а где-то исключая избыточные. Законодательная база в области промышленной безопасности позволяет устанавливать специальные требования для горных предприятий. Результаты этих исследований нашли отклик, и ряд предприятий уже применяют разработанные нами системы нормирования.

— Правильно ли я понимаю, что вы ставите себе задачу создать интеллектуальную систему мониторинга и регулирования микросреды на рудниках и шахтах?

— Современные шахты и рудники — это огромные сети подземных тоннелей протяженностью десятки и сотни километров. Чаще всего крайне сложно обеспечить нормальные условия в любой точке этой сети. Да это и не нужно, так как количество рабочих зон, где находятся люди, ограничено. В этих условиях одна из актуальнейших задач — научиться контролировать и управлять параметрами подземной среды именно в этих зонах.

Наша концепция обеспечения безопасных условий труда строится не только на статичном расчете и реализации на этой основе готовых решений, но и на разработке систем вентиляции и кондиционирования «по требованию». Такие системы состоят из датчиков контроля состояния воздушной среды и технических средств, позволяющих управлять ее параметрами: вентиляторов, автоматических вентиляционных регуляторов и дверей, систем кондиционирования. Рудники и шахты предстают своего рода живыми организмами, которые постоянно меняются из-за движения фронта ведения горных работ, перемещения людей и техники, изменения условий и на поверхности, и под землей. Системы, которые мы разрабатываем, должны соответствовать этому положению дел, быть гибкими и «умными». Их построение требует фундаментальных исследований закономерностей тепломассообменных процессов в подземных условиях, разработки математических моделей, специальных технических средств и цифровизации внедряемых рудничных систем вентиляции и кондиционирования.

— В каких направлениях планируете продолжить исследования?

— Мы ищем новые решения по обеспечению безопасных условий труда в глубоких шахтах и рудниках. Например, активно разрабатываем идеи по кондиционированию воздуха в пределах не отдельных горных выработок (а это десятки и сотни метров), а именно мест нахождения людей (это уже метры). В перспективе это позволит снизить мощности систем кондиционирования, сделать их меньше и более технологичными. Кроме того, помимо штатных режимов работы для каждого подземного предприятия разрабатывается план ликвидации аварий, предусматривающий порядок эвакуации и спасения людей. Применяемое горноспасателями оборудование в настоящий момент позволяет им работать только до температуры +40 °C, и сейчас очень остро встаёт вопрос, как сегодня и в будущем обеспечивать условия для их работы на больших глубинах.

Текст: Павел Киев.
Источник: «Наука Урала»