Обоснование горнотехнических мероприятий по продлению сезона добычи на карьерах кирпичных суглинков (на примере месторождения Борисовка М. О. ) Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 14

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© С.В. Степанов, 2001

УДК

С.В. Степанов

В

ОБОСНОВАНИЕ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРОДЛЕНИЮ СЕЗОНА ДОБЫЧИ НА КАРЬЕРАХ КИРПИЧНЫХ СУГЛИНКОВ (НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ БОРИСОВКА МО.)

настоящее время в связи с расширением индивидуального строительства спрос на кирпич значительно возрос, кирпичные заводы работают с высокой нагрузкой. Однако большинство кирпичных заводов расположено в черте городов и ограничено земельными отводами, необходимыми для размещения глино-запасников. В этой связи работы на карьерах, обеспечивающих сырьём кирпичные заводы, должны производится круглогодично, для чего необходимо разработать современные методы предохранения горных пород от промерзания. Эта задача является актуальной и требует научной проработки. В качестве примера можно рассмотреть карьер кирпичных суглинков месторождения "Борисовка" Бутовского кирпичного комбината.

Бутовский комбинат расположен на территории Москвы и не имеет площадей для размещения глино-запасников. Расстояние перевозки от карьера до завода составляет 8 км. Месторождение расположено в Подольском районе Московской области на землях ЗАО «Путь Ильича». Границами участка на севере является отстойник, поле ЗАО «Путь Ильича», на юге -поле ЗАО «Путь Ильича», на востоке - поле у дер. Бо-рисовки, на западе - поле ГЛФ кв.12. Площадь месторождения 20,16 га.

Климат района умеренно-континентальный. Средняя температура воздуха в январе - -9,7о, в июле -+17,8о. Устойчивый снеговой покров держится с начала ноября до середины апреля, мощность снегового покрова 40-80 см. Глубина промерзания почвы равна 0,44-1,13 м, максимальная 1,35 м.

Для разработки месторождения применяются экскаваторы строительного типа с емкостью ковша 1-1,5 м3, которые могут разрабатывать породы, промёрзшие на глубину 0,3 м.

Расчёт глубины промерзания глинистых связных пород. В зимний период на поверхности грунта устанавливается отрицательная температура, равная температуре окружающей среды. В процессе промерзания связной породы образуется промерзший слой переменной толщины h. Нижняя граница этого слоя имеет температуру промерзания влаги Т. Здесь происходит фазовый переход вода-лед, при котором выделяется теплота фазового перехода Lф = 3,32-105 Дж/кг. На глубине залегания нейтрального слоя Но температура То всегда постоянна и равна 4 оС. Для выполнения расчета необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности для полупространства. При наличии положительного внутреннего источника тепла фазовый переход «вода-лёд» является экзотермическим процессом. [1]

Для того, чтобы определить распределение температурного поля в промерзшем и талом слоях грунта необходимо рассчитать коэффициент пропорциональ-ности_ Д характеризующий скорость промерзания " " а2 аъ т", То

(м/ д/с ), как функцию Л 2, Л3 h.

Г Д 2 А

гехр--

1 4^2

Lф, W и

2А2(Т - Тв)

^г/ Д/(2^/07)]

*

- 213(7; -Т )

^ег/ ДФТ07)]

ехр

_Д_

403

2 А

(1).

= LфW

где А, А - теплопроводность, Вт/(м-К); СС2 - температуропроводность, м2/с; Т - температура замерзания связных пород, °С; То - начальная температура пород, °С; Lф - теплота фазового перехода при замерзании воды, Lф=3,32-105 Дж/кг; W - влажность породы; h - допустимая глубина промерзания, м;

Решив это трансцендентное уравнение и принимая во внимание, что:

h =Р 4г , (2)

где т - текущее время, можно определить глубину промерзания грунта.

Обозначим через А, уменьшаемое в уравнении (1), вычитаемое через В, а разность через С, тогда получим, что:

А-В-С = 0 (3).

Предположим, что глубина промерзания составит 0,1 м через 10 суток. Подставляя это значение в уравнение (2), получим, что р равно 1 X 10 4 м/-\/с . Решая совместное уравнение (1) и (2), подбираем такое значение р при котором будет выполняться условие (3).

Полученные расчеты приведены в табл. 1. Таблица 1

р х 10 -3 1 10 40 50 55,8 56,7 57 100

(А-В-С)х10-3 -355 1575 210 93 -1,6 -10,9 -13,9 16408

Из приведенной таблицы видно, что условие (3), ближе всего достигается при значении Д, равном 55,8х10-3.

Подставляя это значение в уравнение (4) и (5), определим температуру в промерзшем слое породы на глубине 0,1 м и в талом слое.

В промерзшей зоне уравнение для оценки поля температур выглядит следующим образом:

erf \x/12Л/а2т II T2 = To - (T0 - Te)- 7L V V 2 1

erfp флЯ

(4)

Рассчитаем температуру в промерзшем слое породы на глубине Х=0,1 м по истечение времени Т= 1,8

106 с;

erf

Т2 =-24 + (-1 + 24)-

( 2^2

0,1/1 242 х 10-61,8 х 106

erf

5,58 х 10-41 2л12 х

| 2^2 х 10-6 )

=-21о С.

В талом слое уравнение для оценки поля температур выглядит следующим образом:

T3 = T0 - (T0 - T )

* erfc\x/(2 Jазт!

erfcp /(2^/аЗ jf

(5)

Температуру в талом слое определяем на глубине Х=2м через 2 106 с;

erfc

T3 = 4 - (4 +1)-

2/1 2V2 х 10-62 х 106

erfc

5,58 х 10-4 /I 2V2 х

/(2^2 х 10-6 )

= 1о С.

Для предохранения от промерзания суглинков предусматриваются следующие мероприятия:

• допустимая глубина промерзания по ус-ям разработки для экскаватора с ёмкостью ковша 1,25 м составляет 0,3 м. Из этого условия для промерзания оставляются вскрышные породы, общая мощность которых составляет 0,3 м. При

нии они служат основанием для проезда транспорта и экскаватора. Разработка мёрзлых вскрышных род ведётся селективно одновременно с кой суглинка;

• для предупреждения промерзания свыше 30 см проводиться осенью вспашка на глубину 25 см с

боронованием, создание искусственного снегового покрова путём устройства снежных валов

дозером поперёк направления господствующих ветров. Высота валов равна 1,0м с расстоянием между ними 5-10 м;

• утепление площади отработки в последние зимние месяцы опилками.

Глубина промерзания (Н) при предохранении вспахиванием определяется по формуле: Н = А (4р-р2), см

где А - коэффициент, учитывающий способ утепления грунта; р = ~~ - коэффициент ,учитывающий время промерзания грунта; Ъ - продолжительность охлаждения грунта в сутках; t - отрицательная температура воздуха за время охлаждения, °С, принимается по СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика".

Результаты расчёта сведены в табл. 2.

По результатам расчёта вспашка позволяет вести разработку грунта без рыхления в ноябре, декабре и частично в январе.

Глубина промерзания (Н) при создании снегового покрова определяется по формуле:

Н = 60 (4р-р2) х К1 - Вх тсн (см)

где р - коэффициент промерзания, аналогичный в предыдущей формуле; К - коэффициент, учитывающий вид грунта; Вх - коэффициент сравнительной теплопроводности снега: для рыхлого - 3, слежавшегося и насыпного - 2, подтаявшего снега - 1,5; тсн - высота снежного покрова, см.

Результаты расчёта сведены в табл. 3.

Таблица 2

№ пп Показатели Ед. изм. Кол-во по месяцам

11 12 1 2 3

1 Отрицательная температу- град. -2,7 -8,2 -10,8 -10,2 -5,2

ра месяца,

2 Градусодни - 81 179,4 514,2 799,8 961

3 Коэффициент промерза- - 0,081 0,1794 0,514 0,7998 0,961

ния, р

4 Коэффициент утепления, А - 15 16 20 26 30

5 Глубина промерзания, Н см 6 12 36 66,5 87,6

Таблица 3

Искусственный снеговой покров защищает от промерзания эффективней, чем вспашка позволяет осуществлять разработку суглинка и в феврале месяце.

С учётом неравномерности выпадения снега мендуется комбинированный способ - вспашку и дание искусственного снегового покрова, который

№ Показатели Ед. Кол-во по месяцам

пп изм. 11 12 1 2 3

1 Коэффициент промерзания, р Коэффициент, К Коэффициент, Вх Высота снега, тсн Глубина промерзания, Н - 0,081 0,2 0,5 0,8 1,0

2 3 4 5 см см 1,06 2 20 1,06 2 30 1,06 2 50 11,3 1,06 2,0 70 22,8 1,06 1,5 80 71,0

зволяет вести разработку суглинка до марта месяца. Площадь разработки суглинка в марте необходимо дополнительно утеплять слоем опилок. Толщина слоя опилок (Ноп) равна: и Н

= 23 см

где Н - глубина промерзания суглинка при вспашке и снегозадержании; 2,3 - коэффициент, определяющий, соотношение скорости охлаждения утепляющего материала и скорости ох-

лаждения предохраняемого грунта 71.0

Ноп =

2.3

- = 30 см

При площади отработки до 2000 м2 в месяц, расход опилок составит 600 м3 в год.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

¡.Термодинамические процессы в горных породах. А.П. Дмитриев С.А. Гончаров Учебник М.: Недра, 1990

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

СР

Степанов С.В.- магистрант, Московский государственный горный университет.