CC BY
101
АЭРОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
© Н.О. Каледина, И.В. Дюкарев, 2001
УДК 622:553.6
Н.О. Каледина, И.В. Дюкарев
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ С ПОВЕРХНОСТЬЮ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНОГО КИМБЕРЛИТОВОГО РУДНИКА
П
одземная разработка кимберлито-вых месторождений в Якутии по криологическим и гидрогеологическим условиям не имеет аналогов. Поэтому выбор основных конструктивных параметров систем вскрытия и подготовки месторождения и систем разработки является сложной инженерной задачей, решение которой не представляется возможным без предварительных научных проработок. С точки зрения сохранения поверхности и минимизации потерь ценного полезного ископаемого, более предпочтительно использование систем разработки с закладкой. С другой стороны, мировой опыт показывает, что наиболее экономичной и безопасной является разработка системами с обрушением вмещающих пород, получающими все более широкое распространение [1]. На действующих в настоящее время подземных рудниках опробуются как первая (рудник "Интернациональный"), так и вторая система разработки (рудник "Айхал"). И та, и другая имеют свои достоинства и недостатки, анализ которых не является предметом данной работы, посвященной обоснованию рациональной системы вентиляции кимберлитового рудника.
Для рудников, отрабатывающих крутопадающие и наклонно залегающие месторождения, характерной особенностью является
наличие аэродинамической связи с поверхностью, особенно при отработке верхних горизонтов. Наличие такой связи приводит к значительным утечкам (или подсосам) воздуха через выработанные пространства. В летнее время такие утечки могут достигать 35-40 % от номинальной производительности вентилятора, в холодный период года - до 20-25 % [2]. В результате горные работы не обеспечиваются расчетным расходом воздуха. С увеличением подаваемых расходов увеличивается общешахтная депрессия, что приводит к росту разности давлений между очистными забоями и поверхностью (действующего напора), и, следовательно, к возрастанию утечек.
При отработке верхних этажей подземного алмазодобывающего рудника, аэродинамическая связь с поверхностью будет весьма значительной вследствие наличия непосредственно над подземными выработками выработанного пространства карьера. Поскольку высокая ценность полезного ископаемого в данном случае не позволяет оставлять мощных предохранительных целиков, то выработанное пространство подземного рудника будет иметь высокую проницаемость. Величина аэродинамического сопротивления при этом будет сопоставима с аэродинамическим сопротивлением вентиляционной сети рудника, осо-
бенно при отработке верхних подэтажей.
Исследование фильтрационных процессов в выработанных пространствах рудников показало, что режим фильтрации и величина утечек в значительной степени определяются прочностными свойствами вмещающих пород и скоростью подвигания очистных работ [3, 4].
Причем, утечки через выработанное пространство будут иметь место как при системах разработки с обрушением вмещающих пород, так и при системах разработки с закладкой, поскольку даже твердеющая закладка не обеспечивает монолитного изолирующего слоя и со временем подвержена разрушению. Жесткость рудного и искусственного массивов существенно различны, поэтому вокруг отработанной части массива развивается сдвижение вмещающих пород, ориентированное, в основном, по нормалям к границам отработанного и заложенного выработанного пространства. Зоны смещений, направленных к центру выработанного пространства, развиваются и в висячем, и в лежачем боках рудной залежи. Конвергенция висячего и лежачего боков залежи приводит к объемному сжатию закладочного массива. Максимальные смещения (и максимум сжатия) приходятся на центральные части пролетов подработки. В результате верхняя часть искусственного массива из закладки оказывается раздавленной горным давлением и, соответственно, проницаемой для воздуха
[5].
Система вентиляции рудника при переходе от открытого к подземному способу добычи должна обеспечивать минимальные действующие напоры через выработанные пространства. Для условий севера важным фактором, существенно влияющим на производительность и безопасность труда горнорабочих, являются парамет-
ры производственного микроклимата на рабочих местах. При всасывающем способе проветривания утечки (подсосы) воздуха через выработанные пространства направлены с поверхности в горные выработки. При отработке открыто-подземным способом в зимний период (при отрицательных температурах на поверхности) эти потоки воздуха имеют низкую температуру, поскольку не успевают нагреваться, фильтруясь через относительно маломощный слой обрушенных пород, имеющих отрицательную температуру. Учитывая повышенную влажность в сочетании с низкими температурами, можно утверждать, что такой микроклимат неблагоприятно отразится на состоянии здоровья людей, а также приведет к повышенной утомляемости, снижению их внимания и скорости реакции, что, в свою очередь, приводит к росту травматизма.
Утечки (подсосы) воздуха через выработанные пространства оказывают существенное влияние на эффективность проветривания рудника, т.к. значительная часть рабочей мощности вентилятора затрачивается на преодоление сопротивления выработанного пространства, и на условия труда горнорабочих. Это один из важнейших факторов, который необходимо учитывать при выборе схемы и способа проветривания, определении необходимого расхода воздуха и требуемой депрессии источника тяги.
Для синтеза рациональной системы вскрытия и вентиляции необходимо определить влияние аэродинамической связи с поверхностью на основные параметры системы вентиляции. Исследование этого вопроса производилось с помощью компьютерного моделирования фильтрационных течений через выработанное пространство, что обусловлено следующими соображениями.
В настоящее время опыт подземной разработки кимберлито-вых трубок Якутии весьма незначителен, поэтому проведение масштабных натурных экспериментов пока преждевременно. Результаты измерений в одном-двух забоях не являются представительными и достаточными для каких-либо обобщений, поскольку натурные опыты всегда отличаются значительными неточностями вследствие влияния различных побочных факторов. Исходя из этого, для исследования закономерностей аэродинамики выработанных пространств кимберлито-вых рудников наиболее целесообразным представляется метод математического моделирования аэродинамической связи зоны обрушения с поверхностью, базирующийся на исследованиях аэродинамики выработанных пространств шахт и рудников, проведенные ранее в МГИ (МГГУ) под руководством чл.-корр. РАН Л.А. Пучкова.
Исследования влияния глубины ведения работ и величины действующего напора на величину утечек через зону обрушения позволят определить величину влияния аэродинамической связи с поверхностью на работу вентилятора главного проветривания и рациональную величину действующего напора, что необходимо для обоснования схемы и способа вентиляции.
Вентиляционная система рудника включает в себя следующие элементы: сеть горных выработок с прилегающими к ним выработанными пространствами, источники тяги и вентиляционные сооружения. При математическом моделировании вентиляционной системы необходимо адекватно отразить взаимосвязи этих элементов. Наибольшую сложность при моделировании вентиляционной системы представляют собой выработанные пространства.
Выработанные пространства подземных горных предприятий представляют собой крупнокуско-ватую пористую среду, не имеющую аналогов в других сферах деятельности человека. Они являются важнейшим элементом шахтной вентиляционной сети (ШВС) т.к. их воздухопроницаемость обусловливает наличие утечек - потоков воздуха, движущихся параллельно основным каналам - горным выработкам. Поскольку таковыми являются очистные забои, то утечки приводят к снижению расхода воздуха в них, снижению скоростей его движения и, порой к необеспеченности воздухом, сопровождающейся загази-рованиями. Поэтому для расчетов распределения воздуха в ШВС -как в нормальных, так и аварийных режимах, - очень важно иметь возможность прогнозирования интенсивности утечек.
При оценке аэродинамических сопротивлений выработанных пространств для моделирования шахтной вентиляционной сети с учетом ее постоянного изменения (вследствие движения фронта работ) и связанного с этим перераспределения воздуха в отдельных её элементах следует использовать такую форму описания процесса фильтрации, которая давала бы возможность, опираясь на некоторые экспериментально определенные константы, в широком диапазоне изменения аэрогазодинамических параметров правильно отразить его физическую сущность. Этим условиям отвечает двучленный закон сопротивления [3]:
д / р 2 — = — и- — / . дх k I
(1)
или в форме, принятой в рудничной вентиляции:
h = R'■Qeп + R"■Q:
(2)
где R и R рассматриваются как постоянные, не зависящие от величины утечек через выработанное пространство Qвп, сопротивле-
ния; р - плотность воздуха, кг/(м-с); ¡1 - вязкость воздуха, кг/(Н-с); k - проницаемость пористой среды, м2; I - масштаб макрошероховатости (характерный геометрический размер потока), м.
Как и другие общие законы аэродинамики, двучленный закон сопротивления (2) является интерпретацией общего закона механики, отражающего взаимосвязь между потерей энергии, затрачиваемой на движение тела, и силами трения и инерции. Известно, что потеря энергии за счет сил трения или, в гидромеханике, - сил вязкости, пропорциональна скорости движения жидкости, тогда как потеря энергии за счет сил инерции пропорциональна квадрату этой скорости. Первый член в правой части формулы (2) отражает действие сил вязкости, а второй - сил инерции. Если силы вязкости в фильтрационном потоке имеют преобладающее влияние, что наблюдается при малых скоростях фильтрации, первый член значительно превосходит по своей величине второй, а двучленный закон сопротивления автоматически приближается к линейному. Если же скорости фильтрации значительны, наблюдается обратная картина - второй, квадратичный, член закона сопротивления резко возрастает по величине, тогда как роль первого, линейного, падает.
Экспериментальное обоснование целесообразности применения двучленного закона сопротивления для описания фильтрации воздуха через выработанные пространства вначале было проведено для условий фильтрации воздуха через обрушенную руду на апатитовых рудниках Кольского полуострова. Изучалось движение воздуха и воды через дробленую руду различных классов крупности на гидродинамической модели и непосредственно через обрушенные зоны. Результаты моделирования и натурных исследований подтвердили соответствие двучленно-
го закона экспериментальным данным [3].
В дальнейшем эксперименты проводились в массовом масштабе для условий выработанных пространств угольных шахт: в условиях ряда пластов крутого и пологого падения Кузбасса, для пологих тонких пластов Донбасса, в лабораторных условиях на дробленых горных породах, заполняющих выработанное пространство, и гранулированных материалах. Полученные результаты служат надежным экспериментальным обоснованием целесообразности применения двучленного закона сопротивления при описании движения воздуха в выработанных пространствах.
Важным вопросом является вид аэродинамических сопротивлений R' и R", их взаимосвязь с характеристиками пористой среды. Физическая сущность параметров R' и R'' определяется формулами Е.М. Минского [6], которые следуют из уравнений турбулентной фильтрации. Для несжимаемой жидкости линейное сопротивление R' выражается через вязкость 1 и проницаемость k, а квадратичное R'' - через плотность р и коэффициент макрошероховатости I
R'= г'- L/S = (1 ) L/S; (3)
R''= г''- L/S 2 = (р/1^ 2
где L - длина пути фильтрации интегрального (фиктивного) потока утечек; S - площадь фильтрационного потока;
Численно коэффициенты г' и г'' представляют собой удельные линейное и квадратичное аэродинамические сопротивления, т.е. сопротивления объема кускового материала длиной 1 м и площадью 1 м2' Для их определения кроме
свойств жидкости (р,1) и геометрических размеров требуется знать предварительно только два параметра: k и I.
В результате обработки многочисленных экспериментальных данных для основных видов вмещающих пород было установлено, что с увеличением крепости вмещающих пород значения эмпирических коэффициентов Ь' и d' уменьшаются. Эти результаты отражают известный из опыта факт, что чем выше крепость пород, тем ниже значения аэродинамических сопротивлений. Более слабым и склонным к быстрому слеживанию породам (напри-мер, глинистым сланцам) соответствуют более высокие значения сопротивлений.
Таким образом, основные теоретические положения, следующие из уравнений турбулентной фильтрации, полностью соответствуют данным лабораторных и шахтных экспериментов, выполненных в большом объеме. Практическое решение задачи определения аэродинамических сопротивлений выработанных пространств предложенными методами дает возможность рассматривать эти важные аэродинамические элементы вентиляционной сети в любых диапазонах изменения расходов и депрессий.
Исследования аэродинамики фильтрационного движения через выработанное пространство [3, 4, 7], позволили разработать интегральный метод расчета распределения воздуха на выемочном участке, учитывающий основные закономерности распределения скоростей фильтрации и характеристик пористой среды. Параметры фиктивной ветви при этом определяются по средне-интегральным значениям аэродинамических характеристик пористой среды и среднеинтегральным параметрам фильтрационного потока утечек.
Моделирование аэродинамических параметров выработанного пространства при отработке алмазоносных кимберлитовых трубок производилось на основе интегрального метода. При этом было принято, что движение потока
Рис. 1. Изменение аэродинамических сопротивлений зоны обрушения в зависимости от глубины отработки L: а) линейной составляющей; б) квадратичной составляющей
утечек является прямолинейным и стационарным.
На основе обоснования правомерности применения двучленного закона сопротивления к описанию процессов фильтрации в выработанных пространствах рудников рекомендована следующая зависимость, для определения утечек при отработке с обрушением руды:
Q = 5
^ ут
.2
Г
+ 4Г" АН - Г
2Г
(4)
Величина удельных сопротивлений г' и г" в пределах высоты подэтажа в работе [2] принималась постоянной, что давало удовлетворительную сходимость результатов расчетов с фактическими значениями утечек. Экспериментальные исследования, проведенные в Кузбассе на мощных крутых пластах, показали, что по мере углубления горных
работ от горизонта к горизонту величина этих коэффициентов возрастает [3]. Ориентировочно эту зависимость можно описать следующим образом:
г ' = Г " [1 + 0,25 (/-1)] (5)
Г " = Г " [1 + 0,11 (/-1)]
где / - номер отрабатываемого подэтажа (для верхнего подэтажа / = 1).
Длина пути фильтрации в данном случае будет равна высоте этажа (подэтажа), поскольку интегральный (ус-редненный) поток утечек направлен вертикально вверх в сторону поверхности и является ветвью, параллельной выработкам вентиляционного горизонта с исходящей струей воздПулхоащ. адь фильтрации утечек будет изменяться в пределах от одного-двух забоев до суммарной площади трубки. Поскольку на
практике при расчете вентиляции рудника нас интересуют мально возможные утечки, то дует рассматривать наиболее тяжелые, с этой точки зрения, ус-вия - т.е. случай, когда горными работами охвачена вся площадь месторождения. В этом случае площадь фильтрации может быть принята равной Бтр - подрабатываемой площади трубки (определяется по геолого-маркшейдерским данным).
Как показали результаты исследований зон обрушений апатитовых рудников [2], коэффициенты проницаемости и макрошероховатости могут быть определены аналитически при известном гранулометрическом составе толщи обрушенной руды. Но состав этот не всегда известен, кроме того, нет
необходимости устанавливать его в большом диапазоне фракций, так как сопротивление крупнокус-коватой пористой среды определяется, в основном, мелкими фракциями (даже при небольшом их объеме). Так, при исключении из смеси фракций с d > 20 мм, ошибка определения коэффициента проницаемости возрастает на 1,7 %, а коэффициента макрошероховатости - на 3,6 %.
В связи с этим, можно утверждать, что аэродинамические характеристики кимберлитовых и апатитовых рудников не будут существенно отличаться друг от друга. Что касается возможности смерзаемости пород в суровых
климатических условиях, то она возможна только под воздействием пресных вод, количество которых будет сведено к минимуму, кроме того, они будут разбавляться соленасыщенными подземными водами, к тому же постоянное движение массива обрушенных пород сократит возможность смерзания. На рудниках ПО "Апатит", разрабатывающих нагорные месторождения с обильными паводковыми водопритоками в условиях достаточно сурового климата, не отмечалось смерзание обрушенного массива [1].
Поэтому значения коэффициентов проницаемости и макрошероховатости, определенные для апатитовых рудников, можно принять как ориентировочные при отработке верхнего подэтажа подземного кимберлитового рудника. Для последующих подэтажей принимаются поправки в соответствии с (4).
Исходные данные, принятые при моделировании, приведены в таблице.
Результаты моделирования аэродинамической связи горных выработок с поверхностью показали следующее.
Величина удельных аэродинамических сопротивлений выработанного пространства кимберли-тового рудника при переходе к подземной отработке изменяется в
Таблица
пределах от 250 нс/м5 до 450 нс/м5 для линейной составляющей и в пределах от 1800 нс2/м8 до 3500 нс2/м8 для квадратичной. Интегральные значения соответственно составили: при отработке верхнего подэтажа линейная составляющая - от 0,77 н-с/м5 до 1,38 н-с/м5, квадратичная - от 0,0002 н-с2/м8 до 0,0003 н-с2/м8; при отработке первого этажа - соответст-венно от 10,20 н-с/м5 до 20,18 н-с/м5 и от 0,014 н-с2/м8 до 0,024 н-с2/м8 (рис. 1). Таким образом, величина аэродинамического сопротивления выработанного пространства при отработке верхний подэтажей соизмерима с сопротивлением выработок вентиляционного горизонта. Это обусловливает необходимость уплотнения зоны обрушения путем подсыпки на поверхности.
На рис. 2 приведены результаты исследований влияния глубины
ведения работ на величину утечек через обрушенные породы (в зависимости от прочностных свойств пород). Приведенные графики подтверждают, что зона обрушения может рассматриваться как вентиляционный канал, так как величина утечек через нее соизмерима или даже превышает расход воздуха в исходящей вентиляционной струе.
На графиках, приведенных на рис. 3, показано изменение вели-
чины утечек в зависимости от действующего напора (Н). Исходя из условия минимизации утечек через зону обрушения рекомендуемое значение действующего напора при отработке верхних подэтажей (до 150 м) должна быть в пределах 100-250 Па. Такой диапазон депрессии может быть обеспечен только при фланговой схеме вентиляции верхних горизонтов и при комбинированном (нагнетательно-всасывающем) способе проветривания глубоких горизонтов.
Полученные результаты позволяют обосновать выбор способа и схемы вентиляции на основе инженерного расчета аэродинамики зон обрушения. Разработанная модель аэродинамической связи зон обрушения с поверхностью может быть использована и при эксплуатации рудника для уточнения параметров вентиляции выемочных блоков - при условии корректировки значений проницаемости и макрошероховатости для конкретных условий.
Выводы
1. Обоснована методика математического моделирования вентиляционной системы ким-берлитового рудника, предусматривающая моделирование выработанного пространства на основе двучленного закона, соответствующего наиболее распространенному -промежуточному режиму движения воздуха.
2. Разработана математическая модель аэродинамического сопротивления выработанного пространства выемочного участка, при отработке кимбер-литовой трубки системами с обрушением вмещающих пород.
3. На основе моделирования установлено
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЗОН ОБРУШЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ
Параметры модели Обозначения Единицы измерения Значения
Удельное аэродинамическое сопротивление верхнего подэтажа: линейная составляющая квадратичная составляющая г' г'' н- с/м5 н-с2/м8 250-450 1800-3500
Длина пути фильтрации L м
Площадь фильтрации S м2 4900
Действующий напор h = Аh-L Па 100-2500
влияние глубины отработки на величину утечек через выработанное пространство и обоснована необ-
ходимость применения мер по увеличению аэродинамического
сопротивления зоны обрушения при отработке верхнего этажа.
1. Пучков Л.А., Казикаев Д.М., Кузьмин Е.В., и др. Принципы перехода на подземную разработку кимберлитового месторождения "Мир". Горная промышленность, №, 2000.
2. Алехичев С.П., Пучков Л.А. Аэродинамика зон обрушений и расчет блоковых утечек воздуха. - Л.: Наука, 1968.
3. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. - М.: изд-во МГГУ, 1993. 4. Шашмурин Ю.А. Методика замеров и расчетов вентиляционных параметров рудников с фильтрационными утечками или притоками воз-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
духа. - Новополоцк: Новополоцкий политехнический институт, 1981.
5. Кунанбаев Н.С., Макаров А.Б., Терешин А.А., Сосунов Ю.А. Геомеханические процессы при разработке Орловского месторождения. - Горный журнал, №5, 2000.
6. Минский Е.М. Элементы статистического исследования фильтрационных течений. - Труды ВНИИ природных газов, вып. 2 (10), 1958.
7. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. М.: МГГУ, - 1995.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рис. 3.1. Схема к расчету интегрального потока утечек через зону обрушения:
1- воздухоподающий ствол; 2 - выработанное пространство; 3 - вентиляционная
скважина (ствол); Ид - действующий напор.
