DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65087

An energy-efficient and environment-friendly method for normalizing the microclimate in heated mineshaft compartments

Daria Lapshina

Abstract

Underground mineshaft compartments with non-effective ventilation and heat output from mining facilities form an unfavourable microclimate that negatively affects the efficiency of work and the health of miners. Studies of the actual state of the microclimate conditions in the drainage units of the Kryvbas mines show that when two or three pumping units operate simultaneously, the air temperature in them reaches 36-38°C and the air velocity fluctuates within 0.2–0.3 m/s. Removal of warm air from the pumping unit is aggravated by lack of special ventilation openings and drop of pressure at the inlet and outlet of the unit.

To solve the problem of normalizing the microclimate in underground mine compartments with operating facilities, we modelled mathematically the process of cooling with the help of a pneumatically-vortex device (PVD). The mathematical model describes changes in thermal and physical properties of the cooled air stream formed by the PVD as well as allows determining its basic parameters – long range xmax=34.9 m and diameter 2rmax=12.58 m – and studying the temperature field of the stream. We have used the mathematical modelling to develop a program of regulating the microclimate in underground mine compartments that are provided with heat sources. The model is coded in the programming language Visual Basic for Applications Microsoft Excel and has a simple interface. The use of this program allows adjusting the parameters of the microclimate in mineshaft compartments in two modes – Airing and Cooling – with an optimal use of the compressed air and ventilation air.

The research findings presented in the article have been introduced in industrial conditions – in the pumping units of the Lenin Mine PJSC Kryvbaszalizrudkom and the Artem Mine PJSC ArselorMittal Kryvyi Rih (Ukraine).

Keywords

ventilation; microclimate; mathematical model of heat exchange; turbulent jet; vortex effect; cooling; compressed air

PDF (Українська)

References

Stupnik, M. I., Pysmennyi, S. V. (2012). Combined methods of further development of Krivbass iron ore deposits. Journal of Kryvyi Rih National University, 95 (1), 3‑7.

Unified Rules of safety at underground mining method (1977). Moscow, USSR: Nedra, 225.

Lapshyn, A. E., Nemchenko, A. A., Konovalyuk, V. A., Lapshina, D. A. (2012). The heat exchange between the water of mine collectors and air. Journal of Kryvyi Rih National University, 33, 94–96.

Lapshyn, A. E., Nemchenko, A. A., Konovalyuk, V. A., Lapshina, D. A. (2013). Studies of air exchange in the chambers with heat sources. Journal of Kryvyi Rih National University, 34, 235‑238.

Nemchenko, A. A., Lapshina, D. A. (2012). Microclimate normalization in the underground chambers of mines. Sustainable development of industry and society, International Conference, 252–253. doi: 10.1201/9781439833391.ch36

Johnson, O. S. (2006). Thermo- and psychrometric properties of intake air passing through fragmented strata. 11-th U.S./North American Mine Ventilation Symposium, 251–259.

Boyko, V. A., Boyko, A. V. To the question about the choice of method and means for normalizing the thermal conditions in preparatory mine workings of deep mines of Donbass in the period of their excavation. Scientific Bulletin of National mining university, 23–26

Lapshyn, A. A. (2014). Industrial studies of the microclimate and the condition of mine ventilation in deep ore mines. Metallurgical and mining industry, 1, 76–79.

Alekseenko, S. A., Shaihlislamova, I. A. (2012). Classification of methods and means of regulation of a thermal mode in mines Sustainable development and artificial cold, 501–505.

Bluhm, S., von Glehn, F. (2004). Important basics of mine ventilation and cooling planning. Journal Mine Ventilation Society South Africa, 57 (1), 15–24.

Akande, J. M., Moshood, O. (2013). Modelling of Okaba Underground Coal Mine Ventilation System. International Journal of Engineering and Technology, 3 (7), 766‑772.

Marx, W, von Glehn, F., Wilson, R. W. (2006). Design of energy efficient mine ventilation and cooling systems. 8th U.S./North American Mine ventilation Symposium, 641‑648. doi: 10.1201/9781439833391.ch39

Belle, B. K. (2008). Energy savings on mine ventilation fans using ‘Quick-Win' Hermit Crab Technology-A perspective. 12th U.S./North American Mine ventilation Symposium, 427‑433.

Ratner, G., Viviers, S. (2013). Underground auxiliary ventilation monitoring and diagnostic system. The Australian Mine Ventilation Conference, 57–62.

Rawlins, C. (2004) Underground mine heat loads and associated reduction methodologies. Journal Mine Ventilation Society South Africa, 57 (1), 25–30.

Lapshyn, O. E., Lapshyn, O. O., Dengub, V. I. (2012). Patent for useful model № 71139. Lapshyn’s cooling ejector. Applicant and the patentee Kryvyi Rih National University. № u201200123. applicant 04.01.2012; published 25.07.2012, 14.

Lapshyn, O. E., Lapshyn, O. O., Galinskyi, V. S. (2012). Patent for useful model № 71727. Lapshyn’s hydraulic nozzle. Applicant and the patentee Kryvyi Rih National University. № u20111391. applicant 07.11.2011; published 10.07.2012, 13.

Lapshyn, O. O. Lyashenko, V. I. (2014). Improvement of efficiency of mine air cooling with use of nozzle irrigation. Non-ferrous metallurgy, 1, 8–14.

Lapshyn, O. O. (2014). Air cooling with use of mine water. Mining journal, 5, 13–17.

Alabiev, V. R. (2004). Formation of refrigerant dangerous concentrations in mines during exploitation of mine refrigeration. The ways and means of establishing a safe and healthy working conditions in coal mines, 1, 184–190.

Tinina, S. V. (2009). About increase of efficiency of local systems of conditioning deadlock development workings of deep mines. Geotechnical mechanics, 82, 211–219.

Gerasimenko, G. P. (1971) Integrated use of pneumatic energy during the mining of deep deposits. Мoscow: Nedra, 7–16.

Ranque, G. J. (1933). Experiments on expansion in a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air. J Phys Radium (Paris), 4, 112–114.

Perepelitsa, V. G., Tinina, S. V. (2008). To the question about the possibility of using vortex coolers in the creation of air conditioning systems deadlock deep mine workings. Geotechnical mechanics, 77, 154–159.

Chang, K., Li, Q., Zhou, G., Li, Q. (2011). Experimental investigation of vortex tube refrigerator with a divergent hot tube. International Journal of Refrigeration, 34 (1), 322–327. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2010.09.001

Nian, L., Zheng, W., Xiaohong, H., Guangming, C. (2014) Experimental study of the Couple Characteristics of the Refrigerants and Vortex Tube. International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 15–18.

Volkov, K. N., Emelyanov, V. N., Zazimko, V. A. (2013). Turbulent jet – statistical models and large vortices simulation. Moscow: Fizmatlit, 360.

Abramovich, G. N. (1960). The theory of turbulent jets. Moscow: Fizmatgiz, 652.

GOST Style Citations

1. Ступнік, М. І. Комбіновані способи подальшої розробки залізорудних родовищ Криворізького басейну. [Текст] / М. І. Ступнік, С. В. Письменний // Вісник Криворізького національного університету. ‑ 2012. – Вип. 95 (1). – С. 3–7.

2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений подземным способом [Текст]. – М.: Недра, 1977. – 225 с.

3. Лапшин, О. Є. Теплообмін між водою шахтних водозбірників і повітрям [Текст] / О. Є. Лапшин, А. А. Немченко, В. А. Коновалюк, Д. О. Лапшина // Вісник криворізького національного університету. – 2012. ‑ Вип. 33. – С. 94–96.

4. Лапшин, О. Є. Дослідження повітрообміну в камеро подібних виробках з великими теплопритоками [Текст] / О. Є. Лапшин, А. А. Немченко, В. А. Коновалюк, Д. О. Лапшина // Вісник криворізького національного університету. – 2013. ‑ Вип. 34. – С. 235–238.

5. Johnson, O. S. Thermo- and psychrometric properties of intake air passing through fragmented strata [Text] / O. S. Johnson // 11-th U.S./North American Mine Ventilation Symposium, 2006. – P. 251–259. doi: 10.1201/9781439833391.ch36

6. Немченко, А. А. Нормализация микроклимата в подземных камерах шахт [Текст]: міжнар. конф. / А. А. Немченко, Д. А. Лапшина // Сталий розвиток промисловості та суспільства, 2012. – С. 252–253.

7. Бойко, В. А. К вопросу о выборе способа и средств нормализации тепловых условий в подготовительных горных выработках глубоких шахт Донбасса в период их проходки [Текст] / В. А. Бойко, А. В. Бойко // Науковий вісник НГУ. ‑ 2009. – С. 23–26

8. Лапшин, А. А. Промышленные исследования микроклимата и состояния проветривания горных выработок в глубоких рудных шахтах [Текст] / А. А. Лапшин // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2014. – № 1. – С. 76–79.

9. Алексеенко, С. А. Классификация способов и средств регулирования теплового режима шахт [Текст] / С. А. Алексеенко, И. А. Шайхлисламова // Сталий розвиток і штучний холод, 2012. – С. 501–505.

10. Bluhm, S. Important basics of mine ventilation and cooling planning [Text] / S. Bluhm, F. von Glehn // Journal Mine Ventilation Society South Africa. – 2004. – Vol. 57, Issue 1. – P. 15–24.

11. Akande, J. M. Modelling of Okaba Underground Coal Mine Ventilation System [Text] / J. M. Akande, O. Moshood // International Journal of Engineering and Technology. – 2013. ‑ Vol. 3, Issue 7. – P. 766‑772.

12. Marx, W. Design of energy efficient mine ventilation and cooling systems [Text] / W. Marx, F. von Glehn, R. W. Wilson // 8th U.S./North American Mine ventilation Symposium, 2006. – P. 641‑648. doi: 10.1201/9781439833391.ch39

13. Belle, B. K. Energy savings on mine ventilation fans using ‘Quick-Win' Hermit Crab Technology-A perspective [Text] / B. K. Belle // 12th U.S./North American Mine ventilation Symposium, 2008. – P. 427‑433.

14. Ratner, G. Underground auxiliary ventilation monitoring and diagnostic system [Text] / G. Ratner, S. Viviers // The Australian Mine Ventilation Conference, 2013. – P. 57–62.

15. Rawlins, C. Underground mine heat loads and associated reduction methodologies [Text] / C. Rawlins // Journal Mine Ventilation Society South Africa. – 2004. – Vol. 57, Issue 1. – P. 25–30.

16. Пат. на корисну модель 71727 Україна МПК F23D 11/12. Гідравлічна форсунка Лапшина [Текст] / Лапшин О. Є., Лапшин О. О., Галінський В. С. та ін. – заявник і патентовласник Криворізький національний університет. – № u201200123; заявл. 04.01.2012; опубл. 25.07.2012, Бюл. № 14.

17. Пат. на корисну модель 71139 Україна МПК B01F 5/00. Охолодний ежектор Лапшина [Текст] / Лапшин О. О., Деньгуб, Лапшина Д. О. та ін. – заявник і патентовласник Криворізький національний університет. – № u 20111391; заявл. 07.11.2011; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 13.

18. Лапшин, А. А. Повышение эффективности охлаждения рудничного воздуха форсуночным орошением [Текст] / А. А. Лапшин, В. И. Ляшенко // Цветная металлургия. – 2014. ‑ № 1. – С. 8–14.

19. Лапшин, А. А. Охлаждение рудничного воздуха с использованием шахтных вод [Текст] / А. А. Лапшин // Горный журнал. – 2014. ‑ № 5. – С. 13–17.

20. Алабьев, В. Р. Анализ условий образования опасных концентраций хладагента в горных выработках при эксплуатации шахтной холодильной техники [Текст] / В. Р. Алабьев // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – 2004. ‑ № 1. – С. 184–190.

21. Тынына, С. В. О повышении эффективности систем местного кондиционирования тупиковых подготовительных выработок глубоких шахт [Текст]: межвед. сб. науч. тр. / С. В. Тынына // Геотехническая механика. – 2009. – Вып. 82. – С. 211–219.

22. Герасименко, Г. П. Комплексное использование пневматической энергии при отработке глубоких месторождений [Текст] / Г. П. Герасименко. – М.: Недра, 1971. – С. 7–16.

23. Ranque, G. J. Experiments on expansion in a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air [Text] / G. J. Ranque // J Phys Radium (Paris). – 1933. – Vol. 4. – P. 112–114.

24. Перепелица, В. Г. К вопросу о возможности применения вихревых охладителей при создании систем кондиционирования тупиковых выработок глубоких шахт [Текст]: сб. науч. тр. / В. Г. Перепелица, С. В. Тынына // Геотехническая механика. – 2008. ‑ № 77. – С. 154–159.

25. Chang, K. Experimental Investigation of Vortex Tube Refrigerator with a Divergent Hot tube [Text] / K. Chang, Q. Li, G. Zhou, Q. Li // International Journal of Refrigeration. – 2011. – Vol. 34, Issue 1. ‑ P. 322–327. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2010.09.001

26. Nian, L. Experimental study of the Couple Characteristics of the Refrigerants and Vortex Tube [Text] / L. Nian, W. Zheng, H. Xiaohong, C. Guangming // International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2014. ‑ P. 15–18.

27. Волков, К. Н. Турбулентные струи – статистические модели и моделирование крупных вихрей [Текст]: монография / К. Н. Волков, В. Н. Емельянов, В. А. Зазимко. – М.: Физматлит, 2013. – 360 с.

28. Абрамович, Г. Н. Теория турбулентных струй [Текст] / Г. Н. Абрамович. – М.: Физматгиз, 1960. – 652 с.

Copyright (c) 2016 Daria Lapshina