О механизме процессов смерзания отбитой горной породы на рудниках Севера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

щую в аналогичных условиях увеличить объе- даваемой на поверхность пустой породы.

мы извлекаемого угля и сократить объемы вы-

1. Краткий справочник горного инженера угольной шахты. Под общ. ред. А. С. Бурчакова и Ф.Ф. Кузюкова.

- М.: Недра, 1982. - 454 с.

2. Сарычев В.И., Коновалов О.В., Копылов А.Б., Алешин А.А. Сравнительная оценка энерговооруженности технологий ведения очистных работ // Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение-98»: Тез. докл./ ТулГУ. - Тула, 1998. - С. 59-60

3. Сидорчук В.К., Сарычев В.И., Шундулиди И.А. Гибкие технологии подземной разработки пологих угольных пластов. - Тула: Изд. ТулГУ, 2001. - 152 с.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Роут Г.Н., Потапенко В.А., Цыплаков Б.В., Шапошников В.И., Сарычев В.И. Технологические схемы камерно-столбовой системы разработки пологих угольных пластов с применением крепей КШУ и КСК// Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. науч. Трудов/ ТулГУ. - Тула, 2000. - 4.1. - С. 20-28

5. Козел А.М. Научные основы выбора и расчета крепи вертикальных стволов угольных шахт при влиянии очистных работ: Дис. д-ра техн. Наук. Москва, 1975. 231 с.

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

Страданченко С.Г. - доктор технических наук, доцент, Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ).

------------------------------------------- © М.В. Каймонов, В.И. Попов,

А. С. Курилко, 2004

УДК 622.4

М.В. Каймонов, В.И. Попов, А.С. Курилко

О МЕХАНИЗМЕ ПРОЦЕССОВ СМЕРЗАНИЯ ОТБИТОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ НА РУДНИКАХ СЕВЕРА

Семинар № 11

1ТЛ ак отмечается в работе [1], в настоя-

XV щее время ряд карьеров в России по экологическим и экономическим критериям подходят к предельным глубинам и поэтому рассматриваются возможности их перевода на подземную доработку. В частности, к таким карьерам относятся разрез «Нерюнгрин-ский» и кимберлитовые карьеры Якутии, расположенные в регионах с более жестким холодным климатом: среднегодовая температура наружного воздуха здесь в 2-2,5 раза ниже, чем в карьерах Заполярья европейской части России.

Отрицательный температурный режим горного массива в сочетании с крайне неблагоприятными географическими условиями предъявляют целый ряд специфических требо-

ваний к отработке сосредоточенных в многолетнемерзлых породах запасов полезных ископаемых. Главными среди них являются необходимость максимальной полноты и качества извлечения балансовых запасов в сочетании с минимальной трудоемкостью горных работ в условиях жестких экономических ограничений.

Повысить уровень производства можно за счет внедрения систем разработки, позволяющих значительно снизить потери и разубожи-вание руды с одновременным увеличением производительности труда. Из существующих систем разработки для решения этой проблемы, в частности для алмазодобывающих рудников РС(Я), могут быть рекомендованы системы подземной разработки с обрушением руды и вмещающих пород. При этом в процессе проектиро-

l62

вания, строительства и эксплуатации рудников должен учитываться исчерпывающий комплекс специфических особенностей каждого конкретного месторождения, включая фактор смерзаемо-сти горной массы.

При разработке полезных ископаемых в зоне распространения вечной мерзлоты приходилось сталкиваться со случаями смерзания отбитой руды в очистных блоках рудника и при ее транспортировке до места назначения. Потери отбитой руды вследствие ее смерзания происходили на рудниках «Матросова», «Валькумей», «Иультин», «Сарылах», «Айхал» и др.

Некоторые исследователи [2] отмечают, что температура поверхности кусков породы

Рис. 1. Лабораторная установка для определения те-пломассопереноса в зернистом слое: 1 - вентилятор; 2

- холодильная камера; 3 - труба, заполненная зернистой засыпкой; 4- слой теплоизоляции; 5 - датчики температуры; 6 - увлажнитель воздуха; 7 - струя воздуха

после взрыва может достигать +50 °С и вторичное смерзание взорванной горной массы происходит, по их мнению, «вследствие поверхностного разогрева и оттаивания кусков породы под воздействием ударной волны и горячих газов взрыва, трения кусков при вспучивании и развале породы».

Проведенные нами математические расчеты показывают, что после взрывной отбойки процесс вторичного промерзания поверхности талого слоя куска (оттаявшей вследствие тепловой волны взрыва) отбитой многолетнемерзлой горной породы происходит за счет естественного холода, аккумулированного в этом куске. Причем время вторичного промерзания оттаявшего слоя отбитой руды колеблется от нескольких минут до нескольких десятков минут. Таким образом, если бы смерзание отбитой руды происходило вследствие замораживания оттаявшего за счет теплоты взрыва слоя на кусках породы, то выемка руды была бы невозможна. Но как показывает практика, длительность вторичного смерзания взорванной горной массы колеблется от нескольких дней до нескольких месяцев.

По нашему мнению, вторичное смерзание отбитой горной массы происходит за счет того, что в образовавшийся навал (в пустоты между мерзлыми кусками) проникает из вне влага в

виде воды или пара, которая замерзает за счет аккумулированного в кусках отбитой породы холода, превращая, таким образом, отбитую горную массу в смерзшийся монолит. Смерзание произойдет уже при весовой влажности 3^5% и прочность отбитой породы может достигать при этом до 0,5^1,5 МПа, при полном заполнении пор взорванной породы льдом прочность может достигать 10+20 МПа.

По нашему мнению, на процесс накопления влаги в блоке отбитой мерзлой руды большое влияние оказывает взаимный тепло- и массо-обмен между породами и рудничной атмосферой. Поэтому при рассмотрении процесса смерзания отбитой руды необходимо учитывать утечки (подсосы) воздуха через толщу обрушенных пород. Нередко они достигают значительных размеров из-за наличия обширных площадей зон обрушения [3]. Так, фактические подсосы воздуха через обрушенное пространство рудников Кривбасса нередко достигают 30-40 % суммарной производительности главных вентиляторных установок. На рудниках Норильского горнометаллургического комбината подсосы в среднем составляют 45-50 % производительности главных вентиляторов.

В работе [4] отмечается, что по результатам натурных наблюдений установлено, что в практически полностью льдонасыщенных крупнообломочных грунтах искусственных насыпей и в трещиноватых грунтах естественного залегания неопределенно долгое время сохраняются каналы, по которым двигаются воздушные потоки. Низкие температуры крупнообломочных грунтов способствует интенсивному льдообразованию в грунтах при среднем модуле инфильтрационного стока 3-4 л/(с-км2).

Попытки построения математической модели конденсации и накопления влаги в крупнообломочных породах единичны. Так в работе [5] для получения усредненных показателей динамики тепло- массообмена рассматриваются шары одинакового среднего диаметра. В работе [6] приводится вывод уравнения установившейся фильтрации воздуха с учетом того, что пористость является величиной переменной, поскольку она зависит от сублимационной льдистости наброски.

В данной работе приведены предварительные результаты лабораторных исследований процессов тепломассопереноса в зернистом слое при нарастании сублимационного льда в его порах.

Лабораторная установка (рис. 1) состояла из расположенной горизонтально прямоугольной трубы сечением 100x100 мм. и длиной 450 мм. Перепад давлений создавался вентиляторной установкой на базе вентилятора ВН-2 (частота вращения при статическом давлении, равном нулю, не менее 2200 об/мин; производительность при статическом давлении, равном нулю, не менее 38 л/с; статическое давление при производительности, равной нулю, не менее 3,5 кгс/м2) и замерялся U - образным водяным манометром. Влажность воздуха определяли с помощью цифрового прибора CENTER 314.

Прямоугольная труба и стыкующиеся с ней переходные фланцы тщательно герметизировались для предотвращения утечек воздуха и теплоизолировались для исключения влияния наружной температуры. Влажный воздух, за счет депрессии в 1,7 Па создаваемой вентилятором, проходил через зернистый слой из мелкокускового модельного материала (щебень фракции 10^30 мм предварительно охлажденный до отрицательной температуры), что обеспечивало скорость фильтрации воздуха около

Рис. 2. Распределения влагосодержа-ния по длине образца при 6 и 20 часовой длительности процесса (соответственно 1 и 2 графики)

0,01 м/с. Температура по длине пористого образца и влажность на входном и выходном патрубках по методу «мокрого термометра» замерялась ХК термопарами. Длина входного патрубка в пространстве холодильной камеры варьировалась с целью охлаждения входящей струи до уровня соответствующего натурным данным +5 °С. При этом влажность входящего потока воздуха соответствовала уровню насыщения при данной температуре (кривая точек росы). После окончания эксперимента, длительность которого варьировалась от 6 до 120 часов, форма разбиралась и отбирались пробы для весового определения накопленной влаги поГОСТ 5180-75.

Температура входящей струи влажного воздуха составляла в среднем 17,6 °С при средней влажности 58,7 %. При этом влагосо-держание входящей струи воздуха было не менее 7,3 г/кг [5]. Температура исходящей струи составляла в среднем минус 7,3 °С. Влагосодержание исходящей струи воздуха было не менее 0,6 г/кг.

На рис. 2 показано распределение влаги по

длине слоя породы после 6 и 20 часов фильтрации воздуха (соответственно 1 и 2 графики). Наблюдается существенное повышение (накопление) влаги на входном участке физической модели. В тоже время необходимо отметить, что значительного смерзания за счет образования инея в межкусковом пространстве не наблюдалось.

Образовывались конгломераты из щебня размером до 50 мм, скрепленные инеем. Граница зоны инееобразования носила нерегулярный характер, отчетливо видны были «языки» довольно часто примыкающие к стенкам трубы, фиксировался и веретенообразный тип зоны инееобразования, но в случае фильтрации через засыпку щебня фракции 25^30 мм граница зоны была более четкой.

Необходимо также отметить, что при больших временах эксперимента происходи-

1. Иванов Ю.Н. Смерзаемость горной массы в капитальных рудоспусках // Проблемы смерзания и липкости минерального сырья в процессах его добычи, транспортировки и переработки. Материалы постоянно действующего Российского заочного семинара. Выпуск 1. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. - С. 64-65.

2. Михайлов А.Г. Проектирование параметров взрывных работ на карьерах. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2002. - 268 с.

3. Пучков Л.А. Аэродинамика подземных выработанных пространств. - М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 1993. - 267 с.

ло уменьшение пористости зернистого слоя за счет образования инея в поровом пространстве, что фиксировалось по снижению показаний температурных датчиков, вызванных уменьшением потока влажного воздуха с более высокой температурой.

Результаты эксперимента подтверждают возможность значительного накопления влаги при фильтрации воздуха через отбитую горную массу, что может привести к смерзанию отбитой руды в блоке. Авторы планируют продолжить исследования данного процесса как экспериментальными, так и численными методами с целью более полного учета характерных физических явлений, а также обобщения их в виде удобном для инженерных расчетов.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Оловин Б.А. Динамика физических свойств крупнообломочных вечномерзлых грунтов // Инженерные исследования мерзлых грунтов. Свойства грунтов и динамика мерзлотных процессов. - Новосибирск: Изд-во «Наука», 1981. - С.96-116.

5. Игнатов А.А. Физико-химические процессы горного производства. - М.: Наука, 1986. - 96 с.

6. Жданов В.А. О движении воздуха в каменной наброске при нарастании сублимационного льда в ее порах // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 112-114.

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

Курилко Александр Сардокович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики,

Попов Владимир Иванович - научный сотрудник,

Каймонов Михаил Васильевич - аспирант, младший научный сотрудник,

ИГДС СО РАН, г. Якутск.