CC BY
12
- © Д.Н. Петров, Ю.А. Хохолов,
2013
УДК 624.131.4
Д.Н. Петров, Ю.А. Хохолов
ПРОГНОЗ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛЬДОПОРОДНОГО ЦЕЛИКА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ, ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОМОРАЖИВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Для определения температурного поля закладочного массива и вокруг очистной камеры для условий месторождения Бадран разработана двухмерная математическая модель теплообмена рудничного воздуха с возводимой лъдопородной закладкой и окружающим массивом горных пород. Проведены численные эксперименты по расчету послойного намораживания льдопородной закладки в подземной горной выработке. Определено общее время закладочных работ и набора необходимой прочности закладочного массива при различных температурах воздуха. Установлено, что в условиях месторождения Бадран для создания льдопородного целика с необходимыми прочностными свойствами за заданный период времени оптимальной является толщина слоя 0.4-0.5 м.
Ключевые слова: льдопородная закладка, двухмерная математическая модель теплообмена, расчет послойного намораживания, время набора необходимой прочности закладочного массива, оптимальная толщина слоя.
На наклоннозалегающем золоторудном месторождении Бадран в Якутии внедрена в промышленных масштабах нетрадиционная ресурсосберегающая технология добычи руды с льдопородной закладкой [1]. Разработку месторождения по рекомендациям ИГДС СО РАН и проекту ГУП «Сибги-прозолото» по указанной технологии осуществляет ЗАО ГРК «Западная». Наблюдение за технологией производства закладочных работ, проведенное в течение ряда лет сотрудниками ИГДС СО РАН, позволило установить, что основными факторами снижающими эффективность применения замораживаемой закладки являются сложность создания плотного контакта поверхности закладки с кровлей, трудоемкость производства закладочных работ при доставке породного материала с поверхности, длительный процесс промораживания больших объемов закладочного материала, обуславливающие отставание выемки вторичных камер и усложняющие оптимизацию пространственно-временной взаимосвязи между технологическими процессами горных работ.
Для устранения выявленных недостатков необходим точный прогноз времени формирования закладочного массива.
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, температура горного массива, температура дробленых пород, их количество и грансостав, конечная температура закладочного массива. Только при оптимальном соотношении всех этих параметров можно образовать монолитный
У
камере
искусственный целик с необходимыми прочностными свойствами за заданный период времени [2].
Для определения температурного поля закладочного массива и вокруг очистной камеры для условий месторождения Бадран разработана двухмерная математическая модель теплообмена рудничного воздуха с возводимой льдопородной закладкой и окружающим массивом горных пород. Схема расчета приведена на рис. 1. В математической модели учитывается недо-укладка закладочным материалом под потолочиной из-за невозможности доставки закладочного материала скрепером. Принято, что эта часть заполняется водой.
Приняты следующие упрощающие допущения:
- теплообмен на поверхности слоя закладочного массива, стенке и потолочине горной выработки с рудничным воздухом определяется по закону Ньютона с коэффициентом конвективного теплообмена а;
- теплообмен на границе соприкосновения вновь укладываемого слоя и ранее уложенного закладочного массива подчиняется условию идеального теплового контакта;
- промежуток времени, затрачиваемый на отсыпку слоя закладочного материала, не учитывается, т.е. считается, что каждый слой появляется мгновенно в момент начала этого промежутка.
Процесс распространения тепла в массиве горных пород с учетом фазовых переходов влаги описывается следующим уравнением
[с (T) + Ьф • W-p-S{T - T *)]
dT dt
dx
л(Т)
dT dx
dy
3]:
Ä(T)
dT dy
T < T : л(т ) = л T < T :
C (T) =
[c2 -p2:T >T : [X,:T > T ; (!)
где Ьф - скрытая теплота плавления (замерзания) льда (воды), Дж/кг; W - влажность пород, доли единиц; p - плотность породы, кг/м3; T* - температура фазовых переходов влаги, °С; с1, p1, л1 (с2, p2, л2) - удельная теплоемкость (Дж/(кг-К)), плотность (кг/м3) и коэффициент теплопроводности (Вт/(м-К)) соответственно для мерзлых (талых) пород; S(T-T*) - функция Дирака.
Фазовые переходы учитываются с помощью S-функции Дирака.
На границе выработки задается граничное условие III рода:
dT ч ,dT
ax 1V в ' dy x,y е G2,
лдТ = а(т-T), л^ = а(т. -т\
1 (Т - т),
, дТ
л— = а ив -dy
лдТ = а (т - тв),
dy
лд- = а Т - т),
dy дТ
dy x, y е Gi,
X, y е G6, G12 ,
x, y е Gs, G11,
x, y е G3
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
лд- = «2 (T - Тв),
дх
X У е 07, (7)
где а1, а2 - коэффициенты теплообмена воздуха с горными породами, Вт/(м2-К).
На внешних границах области в4 и в9 задается граничное условие I рода: Т = Те , х, у е в4 и в9 . (8)
На границах в5 и в10 задается граничное условие II рода:
^ = о.
ду х, у е в5 и в10. (9)
Для решения двухмерной задачи теплообмена (1) с граничными условиями (2)-(9) применен метод суммарной аппроксимации [4, 5], который сводит исходную задачу к последовательности одномерных задач. На каждом временном
слое решается последовательность одномерных задач. Для решения одномерной задачи промерзания-протаивания используются численные методы сквозного счета со сглаживанием коэффициентов.
Двухмерная область заменяется дискретной областью ШххШу. Причем шаг сетки по направлению Шу задается таким образом, чтобы в каждый вновь отсыпаемый слой попадало не менее десяти узлов сетки. Система разностных уравнений решается последовательно методом простой итерации с применением метода прогонки [4].
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 - Оймяконский улус Республики Саха (Якутия), рудник «Бад-ран»; длина наклонной очистной камеры 40 м, угол наклона 30°; высота выработки 2 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 4 °С; влажность массива горных пород постоянная и равна 0,05. Исследовались способы возведения закладочного массива при различной степени увлажнения: 20 %, 30 %, 40 % и 50 %; толщине слоя: от 0,2 до 0,5 м; начальной температуре слоя +2 °С. Температура воздуха, поступающего в камеру, принималась равной минус 5 °С, минус 10 °С и минус 20 °С.
Результаты расчетов показали, что для заданной толщины слоя существует оптимальное время замораживания, при котором суммарное время формирования закладочного массива минимально. Так при температуре воздуха -10 °С для толщины слоя 0,2 м оптимальным временем замораживания 1 слоя является 2 часа, для толщины слоя 0,3 м - 2 часа, для толщины слоя 0,4 м - 3 часа, для толщины слоя 0,5 м - 2 часа (рис. 2).
Рис. 2. Продолжительность формирования закладочного массива в зависимости от времени замораживания 1 слоя при различных толщинах и температуре воздуха -10 С
Время замораживания 1 слоя, час
Рис. 3. Продолжительность формирования закладочного массива в зависимости от времени замораживания 1 слоя при разных значениях влажности укладываемого слоя
При температуре воздуха -20 °С для толщины слоя 0,2 м оптимальным временем замораживания 1 слоя является 1 час, для толщины слоя 0,3 м - 2 часа, для толщины слоя 0,4 м - 2 часа, для толщины слоя 0,5 м - 3 часа.
Для каждой толщины единичного слоя существует оптимальное время его замораживания. Даже небольшое отклонение времени замораживания в сторону уменьшения ведет к резкому увеличению общего времени формирования закладочного массива. Увеличение времени проморозки каждого слоя пропорционально увеличивает общее время формирования закладки. Поэтому на практике время замораживания должно выбираться с некоторым запасом, чтобы гарантировать полное промораживание закладочного массива за заданный промежуток времени.
На рис. 3 приведены результаты расчетов времени формирования закладочного массива при различных значениях влажности укладываемого слоя, из которых видно, что повышение влажности с 20 до 50 % увеличивает оптимальное время с 260 до 418 часов.
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 является слой толщиной 0.4-0.5 м. Тогда общее время закладочных работ и набора необходимой прочности закладочного массива (замерзания) составит 12 -14 суток (при температуре воздуха -20 °С), после которого можно приступить к отработке соседних камер. А при температуре воздуха -10 °С время формирования закладочного массива составит 15 -17 суток.
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.
1. Необутов Г. П. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты / Г.П. Необутов, В.Г. Гринев, Рос. акад. наук, Сиб. отделение, Ин-т горного дела Севера. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.
2. Хохолов Ю.А. Оптимизация формирования льдопородного массива в горных выработках / Ю.А. Хохолов, А.Ф. Мамонов, В.П. Зубков // Горный информ.-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
аналит. бюллетень. - 2004. - № 10. - С. 103-106.
3. Тихонов А.Н. Уравнения математической физики / А.Н. Тихонов, A.A. Самарский. - М.: Наука, 1977. - 736 с.
4. Самарский A.A. Теория разностных схем / A.A. Самарский. -2-е изд., исправ. -М.,Наука, 1983. - 616 с.
5. Самарский A.A. Вычислительная теплопередача / A.A. Самарский, П.Н. Ва-бищевич- М.: Едиториал УРСС, 2003. -784 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Петров Дмитрий Николаевич - младший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, petrovdn74@mail.ru,
Хохолов Юрий Аркадьевич - доктор технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН.
А
ГОРНАЯ КНИГА
U M ЛКШХШ1
ОБОГАЩЕНИЕ
УГЛЕЙ
шА
а
— ТОМ 2
1 ТЕХНОЛОГИИ
—
Обогащение углей. Том 2. Технологии
В.М. Aвдохин 2012 год 475 с.
ISBN: 978-5-98672-308-2, 978-5-98672-310-5 UDK: 622.7:622.33 (075.3)
Дана краткая характеристика сырьевой базы. Рассмотрены технологии обогащения коксующихся и энергетических углей, основы проектирования, методы контроля, управления и организации производства. Уделено внимание направлениям охраны окружающей среды, а также практике работы современных отечественных и зарубежных углеобогатительных фабрик.
