CC BY
28
2004
УДК 622.342
Ю.А. Хохолов, А. Ф. Мамонов, В.П. Зубков
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОГО МАССИВА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ*
Семинар № 3
Система подземной добычи полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства позволяет существенно снизить потери и разубоживание ценных руд при их добыче. Однако широкое применение данной технологии на месторождениях криолито-зпньт спержиияется ппротиизной строительства закладочных комплексов, дефицитом вяжущих материалов, сложностью транспортной схемы, а также негативным влиянием отрицательных температур на время твердения цементного закладочного массива и сложностью технологии его формирования. Температурный режим рудников, расположенных в зоне распространения многолетней мерзлоты, позволяет формировать ледяную или льдопородную закладку, образуемую за счет естественного холода. Данный способ отработки отличается низкой стоимостью по сравнению с традиционными технологиями закладки выработанного пространства. Способ управления горным давлением льдопородной закладкой выработанного пространства применялся на некоторых рудниках Севера, а в промышленных масштабах внедрен на месторождении Бад-ран [1-4].
Оптимизация формирования льдопородной закладки состоит в минимизации времени замораживания и является нестационарной, нелинейной и многопараметрической задачей. На время замораживания влияют много факторов, которые необходимо учитывать в их взаимодействии. Это - объем и начальная температура замораживаемой воды, температура рудничного воздуха и скорость его движения, темпера-
тура горного массива, температура дробленых пород, их количество и грансостав, конечная температура закладочного массива. Только при оптимальном соотношении всех этих параметров можно образовать монолитный искусственный целик с необходимыми прочностными свойствами за заданный период времени.
В зависимости от значения отрицательной температуры кусков мерзлой породы и количества заливаемой воды слой влажных горных пород может быть заморожен за счет холода, аккумулированного в мерзлых кусках. На первом этапе исследований решено не учитывать исходную отрицательную температуру мерзлой породы, чтобы исключить из рассмотрения соответствующие технологические операции по охлаждению кусков мерзлой породы, а повышение интенсивности замораживания льдопородной закладки за счет этого фактора принять в запас надежности результатов расчета. Принято, что слой водонасыщенных дробленых горных пород имеет исходную температуру равную или выше 0 °С.
Для определения динамики формирования температурного поля закладочного массива и вокруг подземной выработки разработана двумерная математическая модель теплообмена рудничного воздуха с возводимой льдопородной закладкой и окружающим массивом горных пород 5]. Принято, что сечение выработки имеет форму прямоугольника. В силу симметричности области рассматривается ее половина. Расчетная схема приведена на рис. 1.
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, код проекта №03-0596083
На основе разработанных программ для ПЭВМ были проведены численные эксперименты по расчету послойного намораживания льдопородной закладки в подземной горной выработке при следующих исходных данных: место расположения рудника - Мирнинский улус Республики Саха (Якутия), п. Айхал; высота выработки 3 м; ширина выработки 3 м;
удельная теплоемкость мерзлой породы 900 Дж/(кг-К); плотность породы 2000 кг/м3; коэффициент теплопроводности мерзлой породы 2.3 Вт/(м-К); естественная температура массива горных пород минус 5 °С; влажность массива горных пород постоянная и равна 0.05. Исследовались способы возведения закладочного массива при различной влажности: 10%, 15 % и 20 %; толщине слоя: от 0.15 до 0.6 м; начальной температуре слоя +1 “Си 0 °С. Температура воздуха, поступающего в камеру, принималась равной минус 30°С.
Основным управляющим параметром при оптимизации формирования льдопородного массива является время замораживания одного слоя при заданной толщине слоя. Время счета останавливается после укладки последнего слоя при достижении температуры закладки
Рис. 2. Продолжительность формирования закладочного массива в зависимости от времени замораживания 1 слоя при различных толщинах и начальных температурах слоя: а) 0 *С; б) +1 Т
заданного значения (-1 °С). Последний слой замерзает за счет аккумулированного холода в потолочине и нижних слоях закладочного массива.
На рис. 2 приведены результаты расчета при начальной температуре слоя, равной 0 °С и +1 °С. Из графиков видно, что для заданной толщины слоя существует оптимальное время замораживания, при котором суммарное время формирования закладочного массива минимально. При времени замораживания меньше его оптимального значения общее время формирования закладки увеличивается на порядок, поскольку в этом случае холода, поступившего за счет теплообмена с рудничным воздухом, недостаточно для полного замораживания закладочного массива. Окончательное промораживание и установление требуемых отрицательных температур происходит за счет дополнительного холода, поступающего из массива пород вокруг выработки.
Для каждой толщины слоя существует оптимальное время замораживания одного слоя. Даже небольшое отклонение времени замораживания в сторону уменьшения ведет к резкому увеличению общего времени формирования закладочного массива. Увеличение времени проморозки каждого слоя увеличивает общее время закладки пропорционально. Поэтому на практике время замораживания должно выбираться с некоторым запасом, чтобы гарантировать полное промораживание закладочного массива за заданный промежуток времени.
На рис. 3 приведены температурные изолинии в закладке и окружающем массиве горных пород при времени замораживания, равному 3 час., которое меньше его оптимального значения, и при оптимальном времени (6 час.). Толщина слоя равна 0.2 м, начальная температура слоя равна 0 °С. В первом случае закладочный массив замерзает за 1062 час., и в последнюю очередь замерзает его центральная часть (рис. 3,а). При оптимальном режиме замораживания закладочного массива время его формирования равно
Рис.3. Температурные изолинии в закладочных инородных ЛІГ00Ф/6 массива:
-4^800*:
ах є конце формирования закладочно
и времени замораживания, равному
ном времени замораживания
700
600
500
400
300
200
100
0
0 5 10 15 20 25 30
Время замораживания 1 слоя, час -0.15 м----0.2 м — - '0.3 м — - -0.4 м 0.5 м]
103 час. и в последнюю очередь замерзает самый его верхний слой (рис.3, б).
Рассмотрим пример расчета параметров технологии с льдопородной закладкой на основе предложенной методики. Предположим, что закладка одного слоя осуществляется в течение одной 6-8 часовой смены и замораживание его осуществляется в течение 16-18 часов. Наиболее оптимальной толщиной слоя по результатам расчета (рис. 2) является слой толщиной 0.4-0.5 м. Тогда общее время закладочных работ и набора необходимой прочности закладочного массива(замерзания) составит 7 суток, после которого можно приступить к отработке соседних камер.
Таким образом оптимизация технологических параметров послойного намораживания при закладке выработанного пространства позволяет формировать закладочный массив с необходимыми прочностными свойствами, что будет способствовать повышению безопасности ведения горных работ и ускорению сроков отработки месторождения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Емельянов В.И., Михайлов Ю.В., Иванов В.В. Повышение эффективности подземной добычи ценных руд и песков в условиях криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 1999. - №3. - С.81-82.
2. Необутое Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.
3. Мамонов А.Ф. Взаимодействие вмещающих пород с закладочным массивом на россыпных шахтах Севера. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1999. - 154 с.
4. Необутое Г.П., Зубков В.П., Мамонов А.Ф. Подземная добыча руды с использованием льдопородной закладки на месторождении Бадран в Якутии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ. - 2001. - №10. - С. 71-74.
5. Каймонов М.В., Хохолов Ю.А., Курилко родного массива в горных выработках// Горный
А.С., Необутов Г.П. Методика расчета послойного информационно-аналити-ческий бюллетень. - М.:
намораживания пород при формировании льдопо- Изд-во МГГУ. - 2003. - №9. - С. 47-49.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Хохолов Юрий Аркадьевич - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Мамонов Алексей Филиппович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, Зубков Владимир Петрович - кандидат технических наук, зам. директора,
Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.
------------------------------------- © В.Н. Белобородов, Т.Г. Глотова,
А.К. Ткачук, 2004
УДК 622.235.12/622.83
В.Н. Белобородов, Т.Г. Глотова, А.К. Ткачук
МЕТОДЫ НАПРАВЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, СОЧЕТАЮЩИЕ СТАТИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Семинар № 3
~П практике горных работ, как подзем--Я-М ных так и открытых, до настоящего времени не решен ряд вопросов по управлению процессами трещинообразования с целью разрушения монолитных блоков по заданному направлению или для оконтуривания выработок с сохранением прочности законтурного массива.
В литературе приводится достаточно много способов разрушения путем направленного трещинообразования. Так, в справочнике [1] дан широкий обзор таких методов как с использованием взрыва, так и исключающих его. Статические методы направленного разрушения предполагают обычно бурение достаточно частой линии скважин или использование сложного оборудования.
Классификация способов направленного разрушения горных пород [2] позволила выявить принципиальные идеи, на которых базируются существующие подходы к решению этой пробле-
мы, их достоинства и недостатки.
Все представленные способы объединяет использование импульсного воздействия взрывом на разрушаемую горную породу или иной объект, что в некоторых случаях недопустимо (работы внутри жилой застройки или вблизи нее и т.п.).
В данной работе была предпринята попытка разработать практически пригодный метод направленного разрушения крепких и весьма крепких горных пород. Особенностью метода является сочетание статического и динамического воздействия на горную породу. Идея ме-
1 - контур статически нагружаемой скважины
2 - контур вспомогательной скважины
3 - статическое давление рабочего тела
4 - линия максимальных растягивающих напряжений
Рис. 1
