Исследование влияния температурного режима взорванных многолетнемерзлых пород Кангаласского месторождения на производительность драглайна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С.В. Панишев, С.А Ермаков, М.В. Каймонов, 2010

УДК 622.876:622.12(571.56)

С.В. Панишев, С.А. Ермаков, М.В. Каймонов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ВЗОРВАННЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД КАНГАЛАССКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ДРАГЛАЙНА *

Представлены результаты натурных наблюдений температурного режима по поверхности развала взорванных вскрышных пород в условиях последовательного обнажения забоя драглайна. Показана взаимосвязь температуры поверхностного слоя смерзшихся горных пород во взорванном развале с продолжительностью цикла и производительностью драглайна.

Ключевые слова: Многолетнемерзлые породы, температурный режим, цикл, производительность, драглайн.

Семинар № 17

Разработка многолетнемерзлых

-I вскрышных пород с предварительным буровзрывным рыхлением в условиях месторождений криолитозоны осложняется повторным смерзанием взорванного массива, что отрицательно сказывается на работе оборудования. С течением времени взорванный массив набирает такую прочность, при которой его дальнейшая разработка становится невозможной. Прочность смерзания, в значительной степени зависит от температуры и влажности породы. Так, например, с понижением температуры породы от -5 до -20 0С, прочность смерзания увеличивается в 2-3 раза и может составить до 2,8 МПа.

При экскавации взорванных многолетнемерзлых пород драглайном эта особенность имеет первостепенное значение, учитывая низкие напорные усилия этих экскаваторов (0,5-0,6 МПа) и высокую зависимость показателей их работы от свойств разрабатываемого массива.

За счет перераспределения температурного поля внутри взорванного мас-

сива, а также под влиянием температуры атмосферного воздуха взорванная горная масса может принять отрицательную температуру и при наличии благоприятных факторов (влажности, крупности дробления) через некоторое время смерзнуться, превращаясь в достаточно прочный монолит. Чем ниже температура и больше влажность поверхностного слоя куска взорванной породы, тем интенсивнее происходит процесс вторичного смерзания горной массы, при этом наибольшая интенсивность смерзания наблюдается на поверхности развала и на контакте взорванной породы с многолетнемерзлыми породами.

В отличие от монолитных скальных и твердых осадочных пород свойства взорванных многолетнемерзлых горных пород как многофазных дисперсных сред значительно более изменчивы и менее изучены. Поэтому необходимо знать и надежно определять температурный режим и время смерзания взорванного массива. Вместе с тем процесс смерзания взорванной горной массы на карьерах Севера достаточно не изучен, а

Рис. 1. Изменение температуры пород в забое и температуры воздуха (2008 год)

предлагаемые способы его профилактики неприемлемы по целому ряду специфичных факторов.

Исследования температурного режима смерзшихся вскрышных пород при последовательном обнажении забоя драглайном ЭШ-10/70 выполнялись на разрезе "Кангаласский" ОАО ХК "Якутуголь" в 2008 году (конец марта - начало июня) и в 2009 году (октябрь - декабрь).

За период наблюдений в 2008 году взрывные работы по вскрышным породам производились 3 раза. Первый взрыв был осуществлен 21 марта, второй 11 апреля, и третий взрыв - 12 мая. В 2009 году взрывные работы производились 2 раза. Первый взрыв был осуществлен 2 октября и второй взрыв 19 ноября.

Проектная ширина заходки по всем блокам - 40 м. Высота вскрышного уступа на участке работ до 20 м.

Состав пород - типичный для данного месторождения (сверху вниз): суглинок бурого цвета с включением растительных корней и мелкой гальки, песчаник мелкозернистый бурого и серого цвета слабосцементированный, алевролит зеленовато-серого цвета. Категория пород по взрываемости У1-УП. Степень взрываемости - трудновзрываемые. Ко-

эффициент крепости пород блока по Протодъяконову 36.

Методика исследований рабочего процесса драглайна включала замеры температуры пород в забое при его последовательном обнажении инфракрасным термометром Scan Temp ST-20, мониторинг температуры воздуха, видеосъемку рабочего процесса с последующим определением времени цикла, расчет производительности по полученным значениям времени цикла, сбор данных о фактической производительности драглайна.

По результатам натурных наблюдений получены зависимости изменения температуры пород по поверхности забоя с течением времени в условиях его последовательного обнажения, а также зависимости изменения времени цикла и производительности драглайна от температуры пород в забое.

Полученные данные за весеннелетний период (рис. 1) показывают, что, несмотря на значительную разницу между температурой пород в забое и температурой воздуха, которая за весь период наблюдений составила от нескольких градусов до 23 градусов, повышение температуры пород в забое происходит достаточно равномерно, что обусловлено холодовой инерцией внутри массива пород накопленной за зимний период.

Установлено, отрицательная температура в поверхностном слое смерзшихся горных пород при последовательном обнажении экскаваторного забоя для условий Кангаласского месторождения сохраняется до первой декады мая.

В отличие от весенне-летнего периода температурный режим поверхностного слоя в осенне-зимний период форми-

2008

Рис. 2. Изменение температуры пород в забое и температуры воздуха (2009 год)

руется за счет тепла внутри массива пород накопленного летом и низких отрицательных температур окружающего воздуха (рис. 2).

Так, период 2 - 14 октября характеризует температуру на поверхности развала до начала экскавационных работ на блоке. В это время наблюдаются невысокие положительные и отрицательные температуры воздуха. Температура на поверхности развала соответствует температуре воздуха.

Период после 14 октября характеризуется началом ведения горных работ и последовательным обнажением забоя. Установлено, что температура породы в забое в среднем на 10-14 градусов выше, чем температура воздуха, что связано с накопленным за летний период теплом в массиве пород. Измерения температуры в забое выполнялись в среднем через 10-20 минут после остановки экскаватора.

На рис. 3 и 4 представлены зависимости изменения времени цикла и производительности драглайна от температуры пород в забое по данным наблюдений за 2008 и 2009 годы соответственно.

По результатам замеров 2008 года (весна - начало лета) стабилизация рабочего цикла происходит в основном в первой декаде июня, с повышением

температуры на поверхности забоя до +5-7 градусов. При этом на нижних рабочих горизонтах не исключаются отрицательные температуры, плохой разбор забоя и снижение производительности.

Так, например, при выполнении замеров 3 июня ., на глубине 7,5 см была зафиксирована температура - 2,12 0С. В то же время, температура пород в забое составила + 15,6 0С, при температуре воздуха + 30,2 0С.

Результаты наблюдений 2009 года показывают, что при низких температурах пород в забое возможна работа драглайна с хорошим наполнением ковша и соблюдением паспортного времени цикла. Так при температуре пород в забое до -8-9 0С время цикла составило 0,9 мин.

Такое время цикла было зафиксировано 29 октября, когда работы по взорванному блоку велись по верхней части развала, представ-ленной в основном мелкой фракцией. К тому же, вскрытие в процессе экскавации кусков породы с положительной температурой также способствует эффективной работе драглайна. Поэтому, даже при понижении температуры поверхностного слоя пород в забое до - 30,5 0С и увеличении времени цикла до 2,2 мин., производительность драглайна в этот период может быть сопоставима с производительностью экскаватора достигаемой в весенне-летний период при минусовой температуре пород в забое -11-13 0С.

Зависимости времени цикла драглайна от температуры пород в забое, показывают, что фактическое время цикла с понижением температуры по-

Рис. 3. Взаимосвязь времени цикла и производительности драглайна с температурой пород в забое (2008 год).

3.0

2.5

2.0

1.5

I 1,0

о.

со

0,5

0

^ время цикла

Щ производительность

♦

. ■

* ф

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

н >

О X

о а)

X ^

л о

СГ х

О >5

СО (0

аа

П. Ч

-35 -30 -25 -20 -15 -10

Температура пород в забое,°С.

Рис. 4. Взаимосвязь времени цикла и производительности драглайна с температурой пород в забое (2009 год)

род забоя увеличивается в несколько раз и соответственно резко снижается производительность экскаватора.

Взаимосвязь времени цикла драглайна с температурой пород описывается эмпирическим выражением:

Для периода весна-лето

Гц = еаМ-0,М*Гп+9,5В.10~*Т1 мин

Для периода осень-зима Гц — — О, 63е_О ОЗГп, МИН. где Тп - температура пород в забое, град.

Величина сменного подвигания забоя может быть рассчитана на основе установленной взаимосвязи между временем

цикла драглайна и температурой пород в забое по формуле:

60 1 ЕЙГц! 7-ЕНК* 1-К; 1-К-/ м/смену.

где Тсм - время смены, час; Е - ёмкость ковша, м3; Кнк -коэффициент наполнения ковша; Кис - коэффициент использования экскаватора во времени; В - ширина экскаваторной заходки, м; h -высота вскрышного уступа, м; Кр, Кс, Кп - коэффициенты разрыхления, сброса и пере-экскавации соответственно.

Использование двух выражений для определения времени цикла драглайна по двум периодам года весеннелетнему и осенне-зимнему объясняется тем, что в эти периоды в горных породах происходят разнонаправленные процессы протаи-вания - промерзания. Весной многолетнемёрзлые горные породы под воздействием положительной темпера-туры воздуха и инсоляции начинают постепенно оттаивать, глубина оттаивания горных пород постепенно увеличивается и достигает максимума в августе месяце. В зависимости от типа горных пород и их влажности глубина оттаивания достигает от 1,5 до 3 м.

В сентябре с понижением температуры воздуха температурный режим взорванных горных пород меняется на противоположный, происходит процесс их промерзания, который начинается с поверхности и его интенсивность зависит от температуры воздуха, скорости ветра и величины снежного покрова.

Таким образом, для условий разработки пластового месторождения криолитозоны установлен характер изменения температуры поверхностного слоя смерзшихся горных пород во взорванном развале при последовательном обнажении экскаваторного забоя в различные климатические периоды и ее взаимосвязь с продолжи-

тельностью цикла и производительностью драглайна.

Полученные результаты исследований позволяют обосновать период эффективной работы драглайна, а также рациональные параметры блока при бестранспортной разработке смерзающихся вскрышных пород в различные периоды года в условиях месторождений области многолетней мерзлоты.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------

Панишев С.В. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук,

E-mail: [email protected]

Ермаков С.А. - заведующий лабораторией открытых горных работ, старший научный сотрудник, кандидат технических наук, E-mail: s. a. ermakov@i gds .vsn.ru Каймонов М.В. - научный сотрудник, кандидат технических наук,

E-mail: [email protected]

Учреждение Российской Академии наук, Институт горного дела Севера им Н.В. Черского Сибирского отделения РАН.

А

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГО )СУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИ ВЕРСИТЕТ

ЭПШТЕЙН

Светлана

Абрамовна

Обоснование и разработка методов изучения структурных особенностей углей для определения динамики их свойств под влиянием внешних воздействий

д.т.н.