CC BY
34
© Ю.А. Хохолов, М.М. Иудин, 2008
УДК 622.45:536.244
Ю.А. Хохолов, М.М. Иудин
ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА РУДНИКА «ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНЫЙ»
Семинар № 4
Месторождение «Интернациональная» открыта в 1969 г. и расположена в 16 км юго-западнее г. Мирного (центр Мирнинского района Республики Якутия). Климат района месторождения резко континентальный с продолжительной и суровой зимой (6-7 мес.) и коротким, жарким летом. Месторождение расположено в зоне развития многолетнемерзлых пород (ММП), мощность которых составляет 300-330 м. Наиболее низкие температуры, зоны ММП (-3 °С) находятся на глубине 5-8 м. С глубины 10-12 м температура повышается. Породы водоносного горизонта залегают на глубине от 300-320 м до 450-490 м и насыщены рассолами с отрицательными температурами. Ниже водоносного горизонта до 760-780 м залегают морозные галогенно-карбонатные породы, имеющие отрицательную температуру, но не содержащие лед. Отработка подкарьерных запасов трубки «Интернациональная» планируется в зоне распространения многолетнемерзлых пород, а вскрытие его запасов предполагается осуществить проходкой нового вертикального вспомогательного вентиляционного ствола (ВВС) и существующего клетьевого ствола (КС). Свежий воздух в блок №2 будет подаваться с поверхности по существующему стволу КС на го-
ризонт + 100 м, далее по транспортному уклону на горизонт №2, где по транспортным штрекам №1, №2 и №3 подается на спиральный уклон, вентиляционные восстающие и лифто-подьемник для обеспечения провеет-ривания горных работ в блоке №2. Из спирального сьезда свежий воздух вентиляторами местного проветривания подается в тупиковые очистные ленты. После проветривания очистных забоев исходящая струя по вентиляционным восстающим поступит на горизонт №1, и по вентиляционно-закладочному и конвейерному квершлагам поступит в околоствольный двор нового ствола ВВС, по которому выдается на поверхность [1].
Для оценки температурного режима горных выработок и окружающих горных пород рудника «Интернациональный» разработана математическая модель теплообмена с вентиляционным воздухом с учетом фазовых переходов влаги в породах, расхода вентиляционного воздуха и наличия крепления [2]. При расчете количественных показателей теплообмена вся вентиляционная сеть рудника подразделяется на участки с различными длинами, площадями сечения выработки, естественными температурами и влажности пород, параметрами крепления и т.д.
Основным источником тепла при отработке кимберлитовой трубки с применением технологии закладки выработанного пространства является тепловыделения при гидратации цементосодержащего связующего материала закладочного материала. Твердение закладочного массива сопровождается выделением большого количества тепла, которое в основном поглощается окружающим массивом горных пород. При этом происходит интенсивное растепление мерзлых пород, образуя ореолы протаивания вокруг выработок, что негативно сказывается на их устойчивости. Определенное количество теплоты в результате конвективного теплообмена передается вентиляционному потоку воздуха, и происходит перенос тепла по горным выработкам дальше по ходу вентиляционной струи. Количество тепла, передаваемого вентиляционному потоку, зависит от расхода воздуха, и при расходе 32,1 (м3/с) по расчетам мощность тепловыделений составляет 19500 Вт при расходе цемента 200 кг/м3. Тепловыделения учитываются введением источника тепла в начале транспортного штрека горизонта №1, куда воздух поступает из очистных участков.
Условия поддержания вертикального ствола и горизонтальных вскрывающих выработок в эксплуатационном состоянии обуславливаются тепловым режимом в выработке и характером теплообмена с мерзлыми породами. При естественном и умеренном тепловых режимах конструкция крепи ствола находится под воздействием знакопеременных тепло-массообменных процессов, приводящих к периодическому оледенению и увлажнению крепи и сезонному оттаиванию мерзлых горных пород.
Анализируя влияние тепловых процессов на устойчивость верти-
кальных стволов необходимо отметить общие недостатки естественного и умеренного тепловых режимов, осложняющих подземную разработку месторождений полезных ископаемых:
- низкие температуры воздуха в выработках, создающие опасность простудных заболеваний и затрудняющие борьбу с запыленностью рудничной атмосферы;
- резкое снижение несущей способности и устойчивости пород при их сезонном оттаивании вокруг горных выработок;
- опасность оледенения выработок при проникновении вод по трещинам в зоне оттаивания пород;
- возможность смерзания добытого ископаемого в случае его контакта с водой или теплым воздухом.
Игнорирование этих недостатков при отработке мерзлой части месторождений полезных ископаемых приводит к необходимости затрачивать немалые средства на преодоление последствий применения естественного и умеренного тепловых режимов в выработках. Опыт эксплуатации рудников Севера показал, что наиболее эффективным средством борьбы с вредным влиянием низких температур воздуха на подмерзлотных горизонтах является подогрев воздуха в зимний период до положительных значений. Кроме того, чтобы обеспечить благоприятные условия эксплуатации крепи ствола необходимо стабилизировать процесс сезонного протаивания мерзлой породы и исключить ее сезонное промерзание. А это можно осуществить, создавая положительный тепловой режим в вертикальной выработке путем подогрева воздуха на поверхности рудника, или применить специальные способы регулирования теплового режима. Тогда, в воздухоподающем вертикальном стволе уста-
Исходные данные для расчета температурного режима рудника «Интернациональный»
Наименование выра- Расход Длина, Площадь Естествен- Тол- Влаж-
ботки возду- м сечения, ная темпера- щина ность
ха, м3/с м2 тура пород, °С крепи, м пород, доли ед.
КС 32,1 300 42 -1,4 0,4 0,04
Транспортный уклон 32,1 896 19,4 -1,15 0,04 0,043
Транспортные штреки (горизонт №2) 32,1 200 19,4 -1,0 0,04 0,043
Спиральный сьезд 32,1 990 19,4 -1,1 0,04 0,04
Транспортные штреки (горизонт №1) 32,1 200 19,4 -1,15 0,04 0,035
Конвейерный квершлаг 3,1 460 13,2 -1,15 0,04 0,035
Вентиляционно-закладочный квершлаг 29 530 19,4 -1,15 0,04 0,035
ВВС (отм.+100-отм. +200) 32,1 100 50,2 -1,3 0,4 0,035
ВВС (отм.+200-отм. +400) 32,1 200 50,2 -1,6 0,4 0,04
новится положительный тепловой режим. При этом тепловом режиме устраняются многие недостатки, характерные для других тепловых режимов, кроме осложнений поддержания ствола в эксплуатационном состоянии из-за снижения несущей способности и устойчивости мерзлой породы при их оттаивании.
Поэтому, предусмотрен подогрев рудничного воздуха до +2 °С в зимний период. Расход воздуха принимается величине эксплуатационному значению, т.е. 32,1 (м3/с). Свойства горных пород и значения естественной температуры и влажности пород взяты из данных инженерно-геологических изысканий [1]. В таблице приведены исходные данные о выработках и сведения о горных породах, необходимые для расчета температурного режима.
Были рассчитаны глубины протаи-вания пород вокруг выработок, температура воздуха в каждой выработке. На рис. 1, а приведена динамика
глубины протаивания в выработках. Как видно из графиков, происходит прогрессирующее протаивание окружающих мерзлых горных пород, поскольку в выработках поддерживается положительный температурный режим. Глубина протаивания мерзлых пород вокруг ствола КС, транспортного уклона и транспортных штреков (горизонт №2) через 12 лет могут достигнуть 10,5 м.
За этот же период протаивание мерзлых пород составит вокруг ствола ВВС - 7-8 м, а в транспортном штреке горизонта №1 - 11 м. Наибольшие ореолы протаивания наблюдаются транспортном штреке горизонта №1, поскольку сюда поступает вентиляционный воздух из добычных участков, где идет интенсивный теплообмен с закладочным массивом. При гидратации закладочного материала выделяется большое количество тепла, которое сопровождается растеплением мерзлого массива горных пород. В то же время, определенное
б
12
10
л
00
5
§
а
ю
>
.е;
4 6 8
Годы эксплуатации
10
12
8
6
4
2
0
Рис. 1. Динамика глубины протаивания мерзлых пород в выработках рудника «Интернациональный»: а) с учетом тепловыделений, б) без учета тепловыделений
КС
Рис. 2. Распределение температуры пород по глубине вокруг клетевого ствола (номера кривых соответствуют месяцам года)
ВВС(отм.+100-отм.+200)
О
и
и
а
ш
с
2
.О
Рис. 3. Распределение температуры пород по глубине вокруг ВВС (номера кривых соответствуют месяцам года)
количество тепла передается потоку вентиляционного воздуха, которое зависит от технологических параметров, режима и схемы вентиляции. Для сравнения сделан расчет температурного режима рудника без учета тепловыделений при проведе-
нии закладочных работ (рис. 1, б). Из графиков видно, что тепловыделения существенно влияют на динамику протаивания в транспортном штреке горизонта №1, вентиляционно-закладочном квершлаге и ВВС. Например, разница ореолов протаи-
ВВС(отм.+200-отм.+400)
0 I£
1
О
С
2
£
Рис. 4. Распределение температуры пород по глубине вокруг ВВС (номера кривых соответствуют месяцам года)
вания в ВВС за 12 лет составляет 1 м (6 м - без учета тепловыделений, 7 м - с учетом тепловыделений от гидратации цемента при ведении закладочных работ).
На рис. 2-4 приведены расчетные распределения температур горных пород по глубине на 12 год эксплуатации в разные месяцы. Из этих графиков видно, на какую глубину распространяются годовые колебания
температур, например, в КС на глубину 7-8 м, в ВВС всего на 5 м, поскольку ВВС является воздуховыдающей выработкой, в которой, как правило, температура воздуха стабилизируется в результате теплообмена с окружающими породами. Этому способствует также наличие крепи, толщина которой составляет 0,4 м, что является дополнительным термическим сопротивлением.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Обоснование строительства вспомогательного вентиляционного ствола (ВВС) при отработке подкарьерных запасов. ТЭР. Книга 1. Горно-технологическая часть. Пояснительная записка. - Мирный: Якут-
нипроалмаз, 2005.
2. Хохолов Ю.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в подземных горных выработках криолитозоны // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение "Аэрология". - М.: МГГУ, 2005. - С. 90-100. ЕШЗ
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------
Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник,
Иудин М.М. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.
