CC BY
59
М.В. Каймонов, В.И. Попов, Е.В. Макаров, 2005
УДК 622.413.3
А. С. Курилко, С.П. Шкулев, В.В. Киселев,
Ю.А. Хохолов, М.В. Каймонов, В.И. Попов,
Е.В. Макаров
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ВМЕЩАЮЩЕГО МАССИВА РУДНИКА «АЙХАЛ»
ш Ж еревод ряда алмазосодержащих месторождений Якутии с
.Км. открытого на комбинированный и подземный способы змер зоны активного расслоения кровли.
□ EMBED Equation.3 ПППгде М - мощность пород
непосредственной кровли, м; n - количество ях, а также усложнены в связи со слабой изученностью горно-физических условий их производства, динамики происходящих механических, газогидродинамических, тепловых и т.д. процессов, вызванных наруРШнвдемршедоншногишш’инынга ираитациамиаисследования подтверждают зачастую резкие, а порой и скачкообразные изменения свойств горного массива при ведении подземных работ на рудных месторождениях криолитозоны, в особенности в переходной зоне (границы фазового перехода воды), что зачастую требует перехода на более сложную и дорогостоящую технологию добычи.
Выбор правильных технологических решений в этом случае в значительной степени зависит от учета особенностей формируемого теплового режима рудника, а также применяемых способов его направленного регулирования в требуемых пределах.
Необходимо отметить, что особенности формирования теплового режима алмазодобывающих рудников Якутии еще недостаточно изучены. Но уже первый год наблюдений, проведенных ИГДС СО РАН показал, что в условиях естественного (нерегулируемого) теплового режима, при котором эксплуатируется рудник "Айхал", в ряде горных выработок в зимний период формируется чрезвычайно жесткий микроклимат, не обеспечивающий нормальную терморегуляцию рабочих, а также происходят такие нежелательные процессы, как наледеобразование, смерзание отбитой горной массы и руды в
блоках, что значительно усложняет ведение добычных работ, передвижение людей и транспорта и т.д. и требует направленного регулирования теплового режима для предотвращения этих отрицательных явлений и нормализации климатических условий.
ИГДС СО РАН наряду с другими организациями в течение длительного периода проводил исследования по изучению особенностей формирования теплового режима угольных и россыпных шахт, а также рудников криолитозоны. Результаты исследований легли в основу разработанных методик расчета и прогноза теплового режима. Однако имеющиеся наработки в этом плане не могут быть однозначно перенесены на действующие алмазодобывающие рудники Якутии (в частности "Айхал") по целому ряду причин, в первую очередь сложной схемы отработки месторождений, а также резкого различия горно-геологических условий разработки.
На формирование вентиляционного и теплового режимов рудника "Айхал", ведущего разработку "подкарьерной" части месторождения, кроме природно-климатических особенностей региона в значительной степени влияет наличие:
• отработанного карьера с основательно промороженными бортами и заполненного рассолами дном, изменяющие аэродинамику воздушных потоков и их температурный режим;
• большого количества выходов на поверхность (в том числе в борта ранее отработанного карьера), расположенных на различных высотных отметках;
• значительная протяженность разнотипных и разноуровневых выработок (наклонных, горизонтальных, спиралевидных, вертикальных), по которым движется вентиляционный поток;
• своеобразного режима тепловой депрессии (естественной тяги);
• значительного количества самоходной техники с двигателями внутреннего сгорания (являющиеся "абсолютными" и постоянно перемещающимися источниками тепловыделения), выделяющих значительное количество тепла (от двигателей и выхлопных газов), а также создающих поршневой эффект в выработках во время движения;
• притока рассолов, а также просачивающихся в летнее время дождевых осадков, способствующих привносу тепла;
• значительных утечек воздуха в отработанное пространство вследствие негерметичности перемычек.
Все вышеперечисленные особенности формирования вентиляционного и теплового режима рудника свидетельствуют о сложности их изучения и учета, а также о невозможности использования, как уже говорилось, сделанных ранее наработок для более "простых" рудников криолитозоны (как правило, невысокой производительности, небольшой протяженностью вентиляционной сети, не требующих подачи большого количества воздуха для вентиляции и т.д.). В то же время можно однозначно сказать, что с академической точки зрения рудник "Айхал" является уникальным объектом исследований (в том числе и с позиций формирования теплового режима), результаты которых будут пионерными, имеют как научную, так и практическую ценность и могут быть использованы на других рудниках АК "АЛРОСА".
Для оценки динамики температурного режима горных выработок рудника кроме результатов наблюдений ИГДС, проводимых по методике ЛГИ [1], использованы также данные температурных замеров, выполненные работниками ВГСЧ рудника в течение 19972003 гг.
Вентиляция рудника в настоящее время на период ведения опытно-промышленных работ осуществляется в соответствии с проектом АО «Институт Гипроникель» по нагнетательной схеме от главной вентиляторной установки состоящей из восьми вентиляторов ВМЭ-12АУ5, соединенных параллельно с углом установки лопаток рабочих колес +35 град. Предусмотрена работа пяти вентиляторов в нормальном режиме (№ 1, 2, 3, 4 и 5) и в реверсивном (№ 6, 7, 8 и 1, 5). При реверсировании воздушной струи два вентилятора № 1 и 5 работающих в нормальном режиме проветривания, запускаются на реверс посредством изменения направления вращения рабочих колес. Вентиляторы располагаются в подземных камерах на сопряжении с порталом гор. 308 м (рис. 1). В первой и второй камерах параллельно установлено по 4 вентилятора. Подогрев воздуха, поступающего в рудник в холодное время года, не предусмотрен.
Рис. 1. Схема расположения наблюдательных станций на руднике «Айхал»
По результатам воздушно-депрессионной съемки, проведенной НВП «Верхнекамье», сделан вывод, что за счет естественной тяги в рудник поступало воздуха в количестве около 24 % от расчетного. Величина депрессии естественной тяги, замеренная и приведенная к стандартным атмосферным условиям составляла 121 Па. Это примерно 13,8 % от расчетного давления, которое должно быть обеспечено ГВУ. Как видно, расход и депрессия естественной тяги имеют высокие значения, и это подтверждает факт существенного влияния ее на дебет и распределение воздуха по руднику.
В течение года величина естественной тяги в руднике меняет свое значение и направление, а в летний период времени, когда возможны высокие суточные колебания температур, этот процесс может происходить и в течение суток.
Свежая струя воздуха, согласно проекта, подается по вентиляционному каналу к камере вентиляторов, далее по наклонному съезду до рабочих горизонтов, где вентиляторами местного проветривания направляется непосредственно в забои. Исходящая струя по вентиляционным восстающим, расположенным на флангах рудного тела в торцах транспортных штреков, выдается на вышележа-
щие горизонты и далее через портал гор. 265 м и портал гор. 285 м в выработанное пространство карьера. Насосная камера временного водоотлива проветривается обособленно, вентилятором местного проветривания, отработанный воздух выдается по наклонному съезду посредством ВМП, затем по ВХВ исходящая струя поступает на транспортный штрек гор. 180 м (центр) и далее по транспортному штреку гор. 180 м, вентиляционному восстающему гор. 180— 210 м на съезд гор. 205-265 м и далее через портал гор. 265 м и портал гор. 285 м на поверхность.
Анализ результатов натурных наблюдений динамики теплового режима рудника показывает, что сезонные колебания температуры атмосферного воздуха, интенсивность проветривания обусловливают своеобразие темпа изменения температуры по цепи горных выработок в различные периоды года. В зимний период воздух поступает в рудник с низкой температурой и, двигаясь по горным выработкам, нагревается за счет теплообмена с более теплыми породами. Наиболее низкие температуры в руднике зафиксированы в январе (-40 °С, наклонный съезд гор. 307 м), а самая высокая (в этом месяце) в районе портала гор. 265 м (-16 °С) за счет аккумуляции вентиляционной струей всех внутрирудничных теплопритоков. Причем темп понижения температуры в выработках был примерно одинаковым.
В дальнейшем с повышением температуры наружного воздуха начался постепенный рост температуры в горных выработках до середины марта (примерно в таком же темпе, как и шло его охлаждение в зимний период). Самая высокая температура в марте зафиксирована в наклонном съезде гор. 307 м (-7 °С), а самая низкая в наклонном съезде гор. 250-180 м (-18 °С).
С марта по май темп роста температуры в горных выработках значительно замедлился. Затем вновь был зафиксирован существенный рост температуры вентиляционного потока в возрастающем темпе почти на всех замерных станциях, вплоть до конца июня, причем разброс абсолютных значений был небольшой, в пределах 5 °С.
С началом летнего периода, повышением температуры наружного воздуха начался активный рост температуры в руднике, в первую очередь в устьевых частях воздухоподающих выработок, где она достигает максимальных значений (+15 °С) в июле, постепенно понижаясь по ходу вентиляционного потока вследствие теплообме-
\ \ \ ! 1 / 1 / я 1 / *1 // \ 1 \ / 1
/у N.. \ 1 / У 7> /
\\ ^7
\\ ~
ГУ У
/
\ \ / /
-XV- -
-45 -
06.01.01 16.04.01 25.07.01 02.11.01 10.02.02 21.05.02 29.08.02 07.12.02 17.03.03 25.06.03
Дата
-+163 м Накл.съезд +307 м Штольня
-+180 м Транс.штрек - - - +100 м Спир.съезд "+395 м Штольня ...........+395 м Накл.съезд
- +150 м Накл.съезд
Рис. 2. Сезонные колебания температуры воздуха в выработках рудника «Ай-хал» (2001-2003 гг.) (естественный температурный режим)
0
на с охлажденным в зимний период породным массивом, вмещающим горные выработки. Приблизительно с середины июня на всех наблюдательных станциях фиксировалась положительная температура воздушной среды вплоть до конца сентября.
В осенний период, с понижением температуры наружного воздуха начинается монотонное понижение температуры воздушной струи, которое вначале наблюдается только на входе, постепенно распространяясь в сторону выхода.
Как видно из графиков (рис. 2), наблюдаются значительные колебания температуры воздуха в течение года по всей цепи горных выработок от начала до конца вентиляционного пути, что характерно для рудников криолитозоны, где среднегодовая температура наружного воздуха значительно ниже естественной температуры горного массива. Годовая амплитуда температурных колебаний воздушной среды сокращается по длине вентиляционного пути от 55 °С в его начале до 20 °С в конце.
Изменения температуры породного массива вмещающего подземные горные выработки определяется, как известно, его начальным (естественным) температурным полем, теплофизическими свойствами пород, динамикой теплового и вентиляционного режимов и интенсивностью тепло- и массообменных процессов.
Для проведения наблюдений за температурой горных пород на различных горизонтах рудника, было оборудовано 13 термометри-
ческих станций по методике ЛГИ [1]. Расположение станций указано в таблице и на рис. 1.
Характеристика термометрических станций
№ Наименование участков (пунктов) Глубина шпуров, м
1 Буровой орт, гор. 205 м 3
2 Транспортный штрек, гор. 180 м 3
3 Наклонный съезд, гор. 205-235 м 2
4 Подходной штрек, гор.260 м 2
5 Транспортный штрек, гор. 180 м 2
6 Оконтуривающий штрек, гор. 205 м 2
7 Ходок ВХВ-4, гор. 160 м 2,5
8 Транспортный штрек, гор. 180 м 2,5
9 Транспортный штрек за перемычкой, гор. 180 м 2,5
10 Наклонный съезд, гор. 163-100 м 2,5
11 Ходок в насосную камеру, гор. 163 м 2,5
12 Наклонный съезд, гор. 395 м, в 100 м от сопряжения с транспортным съездом гор. 265 - 285 м 3
13 Наклонный съезд, гор. 395 м, в 200 м от сопряжения с транспортным съездом гор. 265 - 285 м 3
Каждая замерная станция была оборудована термогирляндами, вставленными в горизонтальный шпур длиной 2-3 м, пробуренный в борту выработки. Термогирлянды состояли из 5 или 6 датчиков (термистров), расположенных на глубине 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 м. Замеры сопротивления термисторных датчиков осуществлялись мостом сопротивления Р-333. По замерам сопротивлений с помощью градуировочных таблиц рассчитывалась температура пород с точностью до 0,1 °С.
Результаты замеров температуры горных пород в течение года приведены в графической форме на рис. 3-4. Анализируя данные замеров температуры горных пород можно сделать вывод, что с повышением температуры наружного и, соответственно, рудничного воздуха в горных выработках, расположенных на верхних горизонтах рудника, происходит естественный рост температуры горных пород и до глубины 1,0 м они прогреваются к третьей декаде июля до положительных температур (станция №1 и №2) в довольно быстром темпе.
с 6
ф
4 4
гз
&
^ 2
гз
&
> 0
гз
&
£ -2
5
ш л
н -4
-6
0,5
1,5
Глубина, м
2,5
май
-ноябрь —к.— апрель х июнь —ж—сентябрь
Рис. 3. График изменения температуры горных пород по глубине станции №1 по месяцам
0
1
2
3
е;
ф
и
4 га о. |_ ГС & > н
ГЗ
&
Ф
С
5 ф
Глубина, м
-к-
ноябрь
сентябрь
-Яг
-апрель май
июнь
июль
Рис. 4. График изменения температуры горных пород по глубине станции .№5 по месяцам
Существенную разницу температур породного массива вмещающего выработки верхних и нижних горизонтов рудника можно объяснить тем, что первые в зимний период значительно выхолаживаются холодным низкотемпературным вентиляционным потоком, в то время как нижележащие горизонты естественно менее подвержены промораживанию атмосферным холодом и, следовательно, значительно меньше теряют тепла, накопленного в летний период.
Наиболее высокая температура породного массива фиксируется на всех замерных станциях в летние месяцы, достигая +8 °С (на поверхности) до +2 °С на глубине 2 м; сезонное оттаивание пород происходит в довольно быстром темпе до глубины 1 м, затем интенсивность прогрева резко снижается, но не прекращается до конца теплого периода, когда температура воздуха уже начинает падать до нулевых отметок. В переходный период (октябрь) вначале начинает охлаждаться контактный слой пород, а в оттаявшей толще какое-то время сохраняется зона талых пород, промерзание которой происходит как с поверхности, так и из глубины массива и сопровождается выделением тепла.
Дальнейшее понижение температуры наружного воздуха вызывает рост темпа охлаждения горных пород вокруг выработок рудника в нарастающем темпе до глубины 1 м и завершается промерзанием (двусторонним) оттаявшей за теплый период толщи, полностью этот процесс заканчивается в декабре.
Наблюдается так называемое фазовое отставание (по времени) сезонных колебаний температуры воздуха в руднике и температуры горных пород, что является закономерностью для шахт и рудников Севера, эксплуатирующихся с естественным тепловым режимом.
Приблизительно с марта, с повышением температуры наружного воздуха и, соответственно, рудничного начинается рост температуры горных пород вокруг выработок, который продолжается вплоть до июля, сначала в медленном, а потом все возрастающем темпе. Вначале рост фиксировался на первых замерных станциях (№1 и №2), а затем с задержкой на 10-15 дней на последующих станциях по ходу вентиляционной струи.
Процессы массообмена (так же как и вышеописанные процессы теплообмена) в руднике имеют знакопеременный характер, а их интенсивность значительно меняется в течение года. В зимние месяцы происходит иссушение вмещающих горные выработки пород и, со-
ответственно, увлажнение воздуха, а в летние месяцы наблюдается прямо противоположный процесс.
В зависимости от динамики температурного режима горных выработок в течение года массообменные процессы сопровождаются агрегатными переходами влаги. В воздухоподающих выработках (начальный путь вентиляционного потока) с октября по апрель наблюдается сублимация льда с поверхности выработок; в мае наблюдается активное выпадения инея, а с июня по август - конденсация влаги.
Как показали проведенные натурные наблюдения в течение трехлетнего периода, в наиболее жаркие месяцы (июль - август) относительная влажность воздуха в горных выработках колебалась от 70 % до 100 %. С большой вероятностью высокий показатель влажности в отдельных выработках может быть объяснен влиянием поверхностных вод, проникающих по трещинам, обильно смачивающим поверхность выработок, и скапливающихся на почве в виде луж.
В весенний период (март) относительная влажность воздуха в горных выработках колеблется в пределах 60-90 %, а в зимний период, как правило, не превышает 50-60 %.
Годовой баланс влаги в горных выработках не только количественно, но и качественно изменяется по длине вентиляционного пути. В целом годовой баланс тепла и влаги по руднику оценить затруднительно из-за невозможности точного учета теплопритоков от подсосов атмосферного воздуха, самоходного транспорта, электроприборов и т.д., проникающих атмосферных осадков и грунтовых вод, просачивающихся с поверхности в летний период, а так же недостаточного количества имеющихся статистических данных.
Можно сделать вывод, что происходящие процессы тепломассообмена в горных выработках носят сложный и знакопеременный характер, периодические (циклические) колебания которого в течение года ускоряют развитие субтерральных, геотермических, гидрогенных ущербообразующих процессов, приводящих, например, к усилению физико-химического выветривания пород, в особенности в устьевых частях воздухопродающих выработок, снижающих их прочностные характеристики, способствуют наледеобразованию, смерзанию отбитой горной массы, усложняющих ведение горных работ в условиях нерегулируемого теплового режима, в чем авторы
неоднократно могли убедиться в ходе проведения натурных наблюдений.
Необходимо отметить, что с каждым годом в связи с проходкой новых выработок, интенсивном понижении горных работ, появлением выработанного пространства, изменением направления вентиляционных потоков интенсивности проветривания и т.д. неизбежно происходят изменения теплового режима рудника и для количественной и качественной оценки его динамики необходимо расширение проведенных ранее исследований, которые были начаты ИГДС в 2001 г; в первую очередь натурных наблюдений, которые чрезвычайно важны и способствуют накоплению информации об особенностях его формирования и будут в дальнейшем использованы для корректировки имеющихся, а в случае необходимости разработки новых методик прогноза и эффективных способов регулирования.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. -М.: Недра, 1968.- 256 с.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------
Курилко А.С. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики,
Шкулев С.П. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Киселев В.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Хохолов Ю.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Каймонов М.В. - аспирант, младший научный сотрудник,
Попов В.И. - научный сотрудник,
Макаров Е.В. - аспирант, младший научный сотрудник,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск.
