Оценка взаимовлияния мерзлых пород и твердеющего закладочного массива в рудниках криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Е.К. Романова, Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко, 2011

Е.К. Романова, Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко

ОЦЕНКА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОРОД И ТВЕРДЕЮЩЕГО ЗАКЛАДОЧНОГО МАССИВА В РУДНИКАХКРИОЛИТОЗОНЫ

Разработана трехмерная математическая модель, учитывающая теплообмен воздуха внутри нарезной выработки с горными породами и закладочным массивом; изменения температуры вентиляционного воздуха по длине нарезной выработки; процессы распространения тепла в породном и закладочном массивах.

Ключевые слова: рудники Севера, горные породы, закладочные массивы, тепловое влияние.

щ я ри добыче высокоценного сырья, как правило, в целях -Ш.Ж. недопущения потерь используется система разработки с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями. В этом случае мощным источником тепла, по мнению ряда авторов [1, 2, 3], являются процессы твердения закладочных массивов на основе цемента, которые достаточно широко используются на рудниках Севера. Количество выделяющегося тепла, а значит, и температура возводимого закладочного массива зависят от концентрации цемента в смеси. Выделяемое закладочными массивами тепло приводит к быстрому росту температуры воздуха в прилегающих горных выработках (до +30 °С) и требуется выполнение специальных мероприятий по нормализации микроклимата. Кроме этого, твердеющая закладка в горной выработке, являясь мощным источником тепла, нарушает естественное температурное поле массива, вмещающего выработку. Особо остро данная проблема стоит на рудниках криолитозоны, где протаивание горных пород вокруг выработок может привести к потере их устойчивости. Например, кимберлиты и вмещающие горные породы большинства алмазоносных трубок имеют небольшую естественную влажность (4-6 %), поэтому ореолы протаивания вокруг очистной выработки с закладкой могут быть значительными. В связи с этим, при выборе технологических параметров отработки месторождений должно учитываться негативное тепловое воздействие закладочного масси-

ва на естественное температурное поле вмещающих горных пород с оценкой потери их несущих способностей.

Выделяемое закладочными массивами тепло должно отводиться и использоваться (например, для нагрева поступающего в рудник воздуха в зимнее время), а при его неиспользовании - в обязательном порядке рассеиваться в окружающую среду и горный массив в определенном режиме, обеспечивающим в первую очередь безопасность эксплуатации горных выработок. Кроме этого, учитывая сложные горно-геологические условия большинства алмазоносных месторождений, необходимо добиваться нормативной прочности закладки в заданные сроки при твердении в контакте с горным массивом, имеющим отрицательную температуру. Поэтому крайне важна количественная оценка выделяемого тепла и его рас-тепляющего воздействия на окружающий горный массив при отработке мерзлотных горизонтов рудников.

Наблюдения, проведенные на рудниках, позволили установить общий характер формирования температурного поля закладочного и породного массивов и динамику тепловых процессов в этих средах [1]. Как правило, в начальный период твердения цементосодержащей смеси (7-10 суток) происходит интенсивный рост температуры закладочного массива (до 40 0С) и теплового потока на контакте его с окружающей средой, что ведет к изменению температурного поля приконтурных зон на расстоянии до 1,0-1,5 м в глубь массива. Затем в течение 10-20 суток процесс твердения смеси стабилизируется, и роста температуры не происходит. В дальнейшем температура закладки монотонно снижается, причем наиболее интенсивно в ее центральных частях, также уменьшается интенсивность теплового потока на контакте с окружающей средой.

Необходимо отметить, что, несмотря на основательность изученности этих вопросов, зачастую затруднено использование существующих методик и расчетных схем, т.к. разнообразие горнотехнических условий, систем разработки с закладкой и технологий ведения закладочных работ не позволяет создать единую физическую и математическую модели процессов в формировании температурных полей породных массивов сложного строения (закладка-руда-порода). Поэтому в каждом конкретном случае необходимо проведение специальных исследований.

Исследования были проведены для условий рудника «Интернациональный», отрабатывающего алмазосодержащую труб-ку.

Порядок отработки блока рудника следующий: запасы руды в очистном блоке разделяются по высоте на выемочные слои, в плане -на ленты (очистные заходки); слои отрабатываются последовательно, в общем направлении сверху-вниз (нисходящая выемка); отработка каждого слоя начинается с проведения нарезной выработки; выемка руды в слое осуществляется тупиковыми заходками (лентами) по камерно-целиковой схеме отработки, с применением твердеющей закладки и механизированной (комбайновой) отбойки руды с нисходящим порядком отработки слоев; отработка лент в слое производится с оставлением между лентами целика по ширине равной ширине 2-х лент и при этом очистная работа в слое ведется сразу на полную высоту. После завершения отработки всех запасов слоя комбайновый комплекс переезжает на следующий слой.

Для количественной оценки теплового влияния твердеющего закладочного массива на окружающие горные породы и температуру рудничного воздуха разработана трехмерная математическая модель, учитывающая теплообмен воздуха внутри нарезной выработки с горными породами и закладочным массивом; изменения температуры вентиляционного воздуха по длине нарезной выработки; процессы распространения тепла в породном и закладочном массивах. Трехмерность математической модели позволяет рассматривать очистной блок как единую теплоэнергетическую систему в реальных геометрических размерах.

Для тестовых расчетов рассматривается очистной блок с 4 за-ходками. Заходки отрабатываются в следующем порядке: 1 - I за-ходка, 2 -IV заходка, 3 - II заходка, 4 - III заходка. На рис. 1 представлена расчетная область для трехмерной математической модели.

Удельная теплоемкость мерзлых пород равна 900 Дж/кгК, удельная теплоемкость талых пород — 1000 Дж/кгК, плотность пород — 2460 кг/м3, коэффициент теплопроводности мерзлых пород — 2,3 Вт/(мК), коэффициент теплопроводности талых пород — 2,27 Вт/(мК), влажность пород — 1,82%, естественная температура пород — -1,1 °С. Начальная температура закладочного массива принята равной 20 °С. Высота слоя равна 4,5 м, ширина нарезной выработки — 4,3 м, ширина ленты

Рис. 1. Расчетная область: х6ок1, х6ок2 - координаты боковых стен выработки по оси Х; уПот, Упол - координаты кровли и почвы выработки первого выемочного слоя

П° осИ Y; %6л27 %бл37 %бл47 ко°рдинаты I, II, Ш,1 IV заходок П° осИ 2; хбл.кон7 %бл.кон

- конечные координаты закладочного массива по осям X, 2; хтах., утах, ътах - конечные координаты расчетной области по осям X, Y, 2.

(очистной заходки) — 5,15 м. Температура вентиляционного воздуха на входе в выработку равна 2 °С.

По разработанной методике рассчитано количество тепла, переданного вентиляционному потоку через поверхности закладочного массива посредством конвективного теплообмена при расходе цемента 200 кг/м3 для разных значений расхода воздуха от 1 до 30 м3/с. На рис. 2 показана динамика мощности тепловыделений при продолжительности отработки заходки 10 суток, из которой видно, что при повышении расхода воздуха увеличивается количество тепла, передаваемого вентиляционному потоку. Особенно интенсивно теплопередача происходит в первые сутки после заполнения выработки закладочным материалом (на графике это отмечено характерными пиками).

5000

Время, сутки

-----G=5 .......G=10-------G=20 -------G=30

Рис. 2. Динамика тепловыделений при времени отработки заходки 10 суток при различных расходах воздуха

Время, сутки

-----0=5 ......0=10--------0=20 ------0=30

Рис. 3. Динамика тепловыделений при времени отработки заходки 5 суток при различных расходах воздуха

Расход воздуха, мл3/сек

----5 суток-------10 суток

Рис. 4. Зависимость средней мощности тепловыделений от расхода воздуха

Для сравнения на рис. 3 приведена динамика мощности тепловыделений при ускоренной отработке (время отработки заходки 5 суток). В этом случае мощность тепловыделений повышается примерно на 1000 Вт.

На рис. 4 приведена зависимость усредненной по времени мощности тепловыделений от расхода воздуха.

Из графиков видно, что при повышении расхода воздуха увеличивается, как говорилось ранее, количество тепла, предаваемого вентиляционному воздуху, поскольку коэффициент теплообмена зависит от скорости вентиляционной струи и, при этом интенсивность тепловыделений быстро уменьшается, т.к. потоку передаются тепловыделения сначала от пристеночных участков закладочного массива, которые по мере охлаждения становятся дополнительным термическим сопротивлением, снижая интенсивность теплопередачи от дальних участков.

На математической модели исследовались отдельные аспекты гидратации цемента в блоках. В частности, рассчитывалось изменение по времени объема прогидратившегося цемента в блоках.

Время, сутки

Блок1 .......Блок2--------БлокЗ--------Блок4

Рис. 6. Распределение температуры в центральном продольном сечении закладочного массива в момент максимального протаивания целика

Рис. 8. Распределение степени гидратации на стенке блока 2 на вторые сутки твердения

Из рис. 5 видно, что для полного твердения каждого блока достаточно 30 суток. Примерно 90 % прочности закладочный массив набирает на 10-е сутки после возведения.

Разработанная методика также позволяет исследовать температурное поле в междублоковых целиках в период возведения закладки, в частности можно рассчитать объем мерзлой части цели-

ков между блоками 1,4 и 2,4, растепляющихся в процессе закладочных работ и твердения закладки при расходе цемента 200 кг/м3 и расходе воздуха 30 м3/с. Результаты расчетов показывают, что доля мерзлой части в целике между блоками 1,4 сокращается от 78 % до 57 %, а между блоками 2,4 - от 53 % до 7 %, т.е. целик практически протаивает из-за тепловых влияний соседних блоков, но к этому времени закладочные массивы должны набрать требуемые компрессионные характеристики.

На рис. 6-7 показаны изолинии, которые наглядно показывают распределение температуры в закладочном массиве и окружающем массиве горных пород. На рис. 8 изображены изолинии степени гидратации цемента, которые показывают прогидратившуюся часть закладочного массива.

Таким образом, разработанная методика позволяет качественно и количественно оценить влияние твердеющего закладочного массива на температурный режим примыкающих выработок и на окружающие мерзлые породы в рудниках криолитозоны.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера: Ресурсосберегающие системы / Ю.В. Шувалов - Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. - 196 с.

2. Монтянова А.Н. Обоснование технологии формирования твердеющих искусственных массивов при подземной разработке коренных алмазных месторождений в криолитозоне / А.Н. Монтянова // Горный информ.-аналит. бюллетень. -2003. - №6. - С. 35-37.

3. Хохолов Ю.А. Теплообмен породных и закладочных массивов при отра-

ботке кимберлитов / Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко // ФТПРПИ.- 2004. - №1. - С. 35-41. ВШЭ '

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------

Романова Е.К. - младший научный сотрудник,

Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,

Курилко А.С. - доктор технических наук, заведующий лаборатории горной теплофизики,

Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН, г. Якутск.