CC BY
80
А.С. Курилко, М.В. Каймонов, В.КЁлшин,
Д.Л. Олениус
ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ПОДКАРЬЕРНОГО ЗАЩИТНОГО ЦЕЛИКА И СКОПИВШИХСЯ ОСЫПЕЙ НА РУДНИКЕ «АЙХАЛ»
Проведена оценка температуры в массиве предохранительного целика и осыпи на дне карьера. Проведено математическое моделирование состояния (мёрзлое или талое) породы осыпей на дне отработанного карьера температурного режима и предохранительного целика при условии непрерывного изменения мощности осыпи от момента достижения дном карьера предельной отметки.
Ключевые слова: карьер, осыпающиеся породы, подкарьерные запасы, оценка температуры в массиве.
Месторождение алмазов «Айхал» расположено в Мир-нинском районе Республики Саха (Якутия), в 400 км к северу от г. Мирный. Разработка месторождения открытым способом продолжалась в течение 37 лет с 1961 по 1998 гг., когда было принято решение о переходе на подземный способ отработки. Начато строительство рудника производительностью 500 тыс. т. руды в год со сроком эксплуатации 25 лет.
После остановки производства открытых горных работ в теплый период года на дне карьера стали накапливаться осыпающиеся с бортов породы и атмосферные осадки. Средняя скорость накопления осыпей составляет в среднем 2 м в год и имеет большой запас привнесенного тепла. На данный момент скопилась около 20 м сильнообводненных осыпей горных пород. Кроме этого с борта карьера и окружающего его породного массива в эту осыпь попадают рассолы, которые могут снизить температуру замерзания пород осыпи.
В настоящее время отработка подкарьерных запасов ведётся слоевой системой с закладкой выработанного пространства под предохранительным целиком, обеспечивающим безопасность ведения подземных горных работ. Мощность предохранительного целика рассчитывалась с учётом его мерзлого состояния и составляет 25 м.
Фильтрация скопившейся на дне карьера воды через предохранительный целик может негативно повлиять на его температурный режим и, соответственно, на его несущую способность.
С целью оценки температуры в массиве предохранительного целика и осыпи на дне карьера проведены замеры температуры и математический прогноз её изменения.
В наклонной скважине, пробуренной в кровле транспортного штрека гор. +164 м до поверхности, установлена термогирлянда, которая позволила измерить температуру по длине скважины от кровли транспортного штрека до высотной отметки +205 м в толще осыпи горных пород на дне карьера. Схема расположения контрольной скважины и термогирлянды в подкарьерном защитном целике показана на рис. 1. Термогирлянда представляет собой набор проводов различной длины с припаянными к ним терморезисторами ММТ-4, которые гидроизолированы в ПВХ-трубке смазкой Циатим. Выводы проводов распаяны на разъем. Для исключения конвекции воздуха конец трубы у транспортного штрека был закрыт теплоизолирующим материалом. Верхняя часть скважины на гор. +214 м предположительно перекрыта образовавшейся породной пробкой из илов, что определено при установке термогирлянды.
Результаты наблюдений распределения температур приведены на рис. 2. Температурные замеры, сделанные зимой 2006-2007 гг. показали, что на расстоянии 3-5 метров от выработки температура пород положительная, в ноябре она была
Рис. 1. Схема расположения контрольной скважины в подкарьерном защитном целике
Высотная отметка, м
28.02.2007
210
200
190
180
•23.11.2006
16.01.2007 170
160
I
-10 -8 -6 -4
-2
Рис. 2. Графики изменения температуры пород по длине скважины
6 8 10 Температура, °С
1,5-2,5 °С, в конце февраля - 0,4-0,6 °С. На большем удалении от выработки на высотной отметке с гор. +180 м до гор. +193 м температура горных пород предохранительного целика была минус 0,8-0,9 °С. Проведённые замеры температур горных пород в ноябре-феврале на дне осыпи (высот. отм. +205 м) были минус 0,4-0,5 °С.
Таким образом, проведённые замеры показали, что горные породы осыпи на дне отработанного карьера через 8 лет после прекращения открытых работ находятся в вяло-мёрзлом состоянии.
Для оценки того, в каком состоянии (мёрзлом или талом) находятся породы осыпей на дне отработанного карьера нами было проведено математическое моделирование их температурного режима и предохранительного целика при условии непрерывного изменения мощности осыпи от момента достижения дном карьера предельной отметки.
При разработке математической модели учитывались следующие факторы: теплообмен горных пород осыпей с многолетнемерзлыми горными породами дна отработанного карьера и с атмосферным воздухом, результирующая лучистого теплообмена (солнечная радиация), толщина снежного покрова, скорость ветра, непрерывное изменение мощности осыпи, неоднородность массива горных пород.
При разработке математической модели исследуемого процесса приняты следующие упрощающие допущения:
1. Поскольку поперечные размеры дна карьера в несколько раз превышают глубину теплового влияния атмосферного воздуха, то процесс распространения тепла рассматривается только по глубине. Здесь мы исходим из известного положения А.В. Лыкова [1], согласно которому, если один из размеров тела не менее, чем в три раза меньше остальных его размеров, то процесс переноса тепла, идущий в направлении наименьшего размера, можно считать одномерным.
2. Теплообмен на дневной поверхности массива горных пород с атмосферным воздухом определяется по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена а.
3. Результирующую лучистого теплообмена (солнечную радиацию) контактного слоя определяем по формуле радиационного баланса земной поверхности ^к) [2, 3].
Процесс распространения тепла в грунте с учетом фазовых переходов влаги описывается следующими уравнениями [4, 5]:
с(и, х) — = —(х(и, х) — 1, 0<х<Х, 0<4<Г; (1)
д* дх у К ’ дх)'
ГсМ (х)р„ (х), и < и*; ГXМ (х), и < и*;
ф, х) = { мК ^мК Х(и, х) = \ МК ’ (2)
{ст (х)рг (х), и > и ; [Хт (х), и > и ;
где и - температура горных пород, °С; и - температура фазового перехода воды, °С; А - интервал сглаживания; Lф - скрытая теплота плавления (замерзания) воды, Дж/кг; Ж(х) - влажность грунта, доли единиц; сМ(х), рМ(х), ЛМ(х) (сТ(х), рТ(х), ХТ(х)) - удельная теплоемкость (Дж/(кг-К)), плотность (кг/м ) и коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)) соответственно для мерзлого и талого грунта. На дневной поверхности задается граничное условие III рода:
X(и(0, *))= а(и(о, *)- ив (*)) - QR, >0, (3)
где а - коэффициент теплообмена воздуха с грунтом, Вт/(м2К); QR
- тепловой поток от солнечной радиации, Вт/м2.
Сезонные колебания атмосферного воздуха определяются по
формуле [6]:
... из - ил - 365) из + ил
ив (* ) = —--- СОЭ—---------- + —----, (4)
в 2 4380 2
здесь из - средняя температура в январе, °С; ил - средняя температура в июле, °С, t - время, час. По данным метеостанции п. Айхал средняя температура в январе составляет минус 32,8 °С, а средняя темепература в июле 14,1 °С.
В начальный момент времени задается распределение температур:
и(х,0) = и0(х), 0<х<Х. (5)
Численная реализация задачи (1)-(5) осуществлялась методом конечных разностей.
На основе разработанной программы для ПЭВМ, были проведены численные расчеты прогноза температурного режима осыпей горных пород на дне отработанного карьера криолитозоны при следующих исходных данных:
- Место расположения: Мирнинский район Республики Саха (Якутия), месторождение «Айхал», рудник "Айхал";
- Мощность осыпи изменялась от 15 до 25 м;
- Скорость накопления осыпи изменялась от 1,5 до 5 м в год.
На основании расчетов получены зависимости распределение
температуры в осыпи и горных породах дна отработанного карьера после завершения открытых работ от влажности, мощности осыпи и интенсивности ее формирования. На рис. 3 представлены графики распределения температуры в осыпи и горных породах дна отработанного карьера через 8 лет после завершения открытых работ при условии разной скорости их накопления.
Как уже говорилось, осыпи горных пород образуются ежегодно в теплый период в процессе выветривания и оттайки бортов карьера и формируют на его дне своеобразную периодически наращиваемую по высоте подушку, оказывающую растепляющее воздействие на замёрзший в зимний период верхний слой.
Проведённые расчёты показывают, что наиболее значительным фактором определяющим интенсивность промерзания вновь образованной подушки в зимний период является её мощность. Так, например, при её ежегодном росте в три метра, в течение зимнего периода успеет промёрзнуть только верхний слой толщиной от 1,5 до 2 м, а остальная часть останется в талом состоянии. Очередное осыпание горных пород с положительной температурой на замерзший за зиму верхний слой осыпи приводит к тому, что его температура начинает повышаться. Таким образом, как видно из графиков представленных на рис. 3, температура осыпи выравнивается и находится в пределах минус 0,10,3 °С по всей её мощности.
При неравномерной скорости накопления осыпей на дне отработанного карьера, когда их основная мощность формируется в течение первых трех лет, горные породы осыпей после консервации карьера до настоящего времени остаются в пределах от 0 до минус 0,3 °С, что соответствует вяло-мёрзлому состоянию массива.
Рис. 3. Распределение температуры в осыпи и горных породах дна отработанного карьера через 8 лет после завершения открытыхработ
Уменьшение объемной влажности осыпей горных пород на дне отработанного карьера с 40% до 20 % приводит к незначительному общему понижению температуры внутри осыпи.
Таким образом, как показывают проведенные натурные исследования и численные расчеты на математической модели, горные породы осыпи на дне отработанного карьера после его консервации
до настоящего времени предположительно находятся в вяломёрзлом состоянии, что необходимо учитывать в процессе отработки подкарьерных запасов.
Для уточнения температурного прогноза и более адекватной оценки геомеханического состояния предохранительного целика и породной осыпи на дне карьера необходимо провести специальные исследования с отбором проб пород для определения их засоленности и установкой датчиков температуры в специальных геотермических скважинах.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ЛыковА.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. школа, 1967. - 599 с.
2. Перльштейн Г.З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1979. - 304 с.
3. Павлов А.В. Энергообмен в ландшафтной сфере Земли. - Новосибирск: Наука, 1984. - 256 с.
4. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1977. - 736 с.
5. СамарскийА.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.
6. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск: ВО «Наука». Сиб. издательская фирма, 1992. - 133 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------
Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики,
Ёлшин В.К. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Каймонов М.В. - научный сотрудник,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН,
Олениус Д.Л. - гидрогеолог, АК «АЛРОСА», Айхальский ГОК, рудник «Айхал».
