СДЕРЖАТЬ ТЕПЛО ГЛУБИН

— 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 растет 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 завершен 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.

— 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 расчета 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 учета: 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 партнерами 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.

— 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.

— 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 встает вопрос, как сегодня и в будущем обеспечивать условия для их работы на больших глубинах.