Современные подходы к проектированию вертикальных стволов рудников Севера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

рудников являются минимальные приведенные затраты на их создание и эксплуатацию.

Существующие критерии выбора параметров регулирования теплового режима по санитарно-гигиеническим, экономическим, энергетическим и другим фактором практически не применяются в горном производстве на Севере. Данные критерии обычно применяются для обособленной горной выработки, когда можно оценить и выбрать необходимый способ регулирования теплового режима по заданному условию оптимизации. При этом все расчеты не привязываются в целом к тепловому режиму рудника.

Для подземного рудника сеть горных выработок является технически сложной взаимоувязанной системой и формируется технологией ведения подземных горных работ. Весь комплекс подземных горных выработок обладает свойствами многопараметрической единой системы, и для поиска рациональных параметров теплового режима, сопряженной с задачей вентиляции рудника, требуется применение математических методов оптимизации. Эта проблема в настоящее время является актуальной в вопросе регулирования теплового режима рудника, и от ее оптимального решения зависит практическое применение методов регулирования теплового режима на подземных рудниках Севера.

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.

------------------------------------------- © М.М. Иудин, 2007

УДК 622.222.2 М.М. Иудин

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ РУДНИКОВ СЕВЕРА

Эксплуатация вертикальных выработок рудников Севера в различных геокриологических условиях месторождений полезных ископаемых осложняется специфи-ческими проявлениями температурного состояния многолетнемерзлого массива горных пород, которые существенно влияют на поддержания крепи в устойчивом состоянии. Термомеханические проявления породного массива определяются состоянием температурного поля прикон-турного слоя выработки и обуславливают характер взаимодействия крепи вертикального ствола с массивом многолетнемерзлых горных пород [1].

Практика эксплуатации вертикальных стволов в условиях Севера показывает, что при сохранении породного массива вокруг выработки в многолетнемерзлом естественном состоянии условия обеспечения устойчивости вертикального ствола наиболее благоприятные, чем при оттаивании мерзлых горных пород. В многолетнемерзлом массиве пород отдельные куски и блоки пород сцементированы льдом в порах и трещинах, что приводит к монолитности породного массива и высокой прочности пород в мерзлом состоянии. Кроме того, лед, как компонент сложной системы, каким является многолетнемерзлый породный массив, проявляет реологические свойства и способствует к выравниванию неравномерных нагрузок со стороны минерального скелета горных пород и создает равномерное перераспределение напряженного состояния в породном массиве вокруг вертикального ствола.

При оттаивании льда нарушается связность, ослабевает сцепление отдельных кусков, блоков мерзлых пород, увеличивается пористость и трещиноватость горных пород, и вследствие этого уменьшаются прочностные и деформационные свойства в прикон-турном слое породного массива. Под влиянием изменяющейся геомеханической обстановки (из-за температурной зависимостью физико-механических свойств пород) вокруг выработки происходят процессы вызывающие деформационную нагрузку со стороны оттаявшего слоя пород на крепь вертикального ствола. Потеря цементирующих свойств льда в оттаявшем слое пород приводит к появлению неравномерных нагрузок минерального скелета горных пород одного куска на другой, что вызывает неравномерность распределения напряжений и деформаций по периметру вертикального ствола. Знание термомеханических процессов, происходящих в многолетнемерзлом породном массиве, позволяет при проектиро-

вании крепи вертикальных стволов корректно оценивать параметры и конструкцию крепи в разных геокриологических условиях и теплового режима в выработке.

В настоящее время проектирование вертикальных стволов осуществляется в соответствии с рекомендациями СНиП [2]. В этом нормативном документе основой расчета является оценка устойчивости горных пород по показателю, представляющего собой отношение силы тяжести горных пород и сопротивления пород сжатию. На основе, которой производится расчет нагрузки на крепь вертикального ствола, и определяются параметры крепи. Такой подход к проектированию крепи вертикального ствола в геокриологических условиях Севера является довольно простой и не учитывает те особенности термомеханического взаимодействия крепи вертикального ствола и многолетнемерзлого породного массива, которые отметили выше. Эти же недостатки отмечены и в работе [3], где предлагается ввести трехстадийное проектирование вертикальных стволов, что позволит учитывать широкие горногеологические условия месторождений, в том числе и геокриологические условия месторождений Севера. Нормативное обеспечение второго и третьего этапа проектирования должно разрабатываться на основе единой научно-методической базе, обеспечивающей согласованные проектные процедуры каждого периода и увязывающие их между собой.

При проектировании крепи вертикальных стволов применялись различные подходы к принципам проектирования и определения расчетных коэффициентов запаса конструкций. Среди них можно отметить методы расчета по допустимым напряжениям и по предельным состояниям, а также методы с применением общих и частичных коэффициентов запаса. Каждое вводимое в методы расчета изменение преследовало цель обеспечить надежную работу конструктивных элементов вертикального ствола в конкретных горногеологических условиях [4]. Но деформации, повреждения и разрушения крепи в вертикальных выработках продолжают наблюдаться в практике эксплуатации стволов. Это говорит о том, что необходимо постоянно исследовать процессы геомеханического взаимодействия крепи выработки с массивом пород и на этой основе совершенствовать методы проектирования вертикальных стволов. Как отмечено в работе [4] основные причины нарушения рит-

мичной эксплуатации вертикальных стволов можно сформулировать и сгруппировать следующим образом:

- недостаточное соответствие или не корректное применение расчетной модели, заложенной при проектировании выработки, фактическим горногеологическим и геокриологическим условиям работы крепи вертикального ствола рудника;

- не соблюдение технологии проведения проходческих процессов и, как следствие, снижение качества выполняемых работ ниже требуемого уровня, а временами даже значительные, принципиальные ошибки при производстве проходческих работ по сооружению вертикального ствола, особенно при возведении постоянной крепи;

- нарушение технологических режимов и принципов предусматриваемой эксплуатации вертикального ствола, в условиях Севера не соблюдение температурных режимов вентиляционного воздуха и породного режима, предусмотренное проектом.

Расчет параметров крепи вертикальных стволов рудников, проектируемых в многолетнемерзлом породном массиве, рекомендуется выполнять по методике, состоящей из следующих основных групп:

1. Расчет теплового режима рудника или системы выработок, учитывающий параметры вентиляции рудника и включающий прогноз температуры воздуха и породного массива. На основе расчета температурного режима породного массива выполняется прогноз динамики протаивания мерзлых пород вокруг вертикального ствола на весь срок эксплуатации выработки.

2. Выбор расчетной схемы термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола, обоснование и выбор исходных физико-механических свойств горных пород и проектируемой крепи вертикального ствола. На основании анализа горногеологических, геокриологических условий месторождения и результатов температурного прогноза многолетнемерзлого породного массива устанавливается расчетная схема термомеханического взаимодействия крепи вертикального ствола с окружающими горными породами. Например, для условий кимберлитовых месторождений [1] наиболее характерны три расчетные модели термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола: упругая, упруго-вязкая и жесткопластическая. Выбор той или иной модели обусловлен типом гор-

ных пород и характером их деформирования, пересекаемых вертикальным стволом: для четвертичных отложений лучше соответствует жесткопластическая модель; для осадочных, коренных пород - упругая; для пород, склонных к проявлениям реологических явлений - упруго-вязкая модель термомеханического взаимодействия.

В ходе анализа термомеханического взаимодействия породного массива и крепи вертикального ствола устанавливаются расчетные нагрузки на крепь выработки, и определяются силы взаимодействия конструкции крепи ствола с окружающим массивом горных пород. Далее выполняется проверка несущей способности проектируемой крепи вертикального ствола по термомеханическим условиям взаимодействия, и выбор параметров крепи на период эксплуатации выработки с необходимой и достаточной несущей способностью.

Общий порядок выбора и расчета крепи вертикального ствола слагается из следующих операций, проводимых дифференцированно по участкам с одинаковыми термомеханическими условиями эксплуатации:

- на основании анализа инженерно-геологических и геокриологических данных месторождения проводится оценка термомеханического состояния массива горных пород;

- по теплофизическим характеристикам мерзлых и талых горных пород и параметрам теплового режима в вертикальном стволе осуществляется прогноз динамики протаивания мерзлых пород вокруг выработки на весь период его эксплуатации;

- на основании анализа термомеханического взаимодействия протаивающего многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола проводится прогнозный расчет нагрузок на крепь и параметры взаимодействия;

- выполняется прогноз возможных неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий на крепь вертикального ствола с учетом динамики изменения горногеологических и геокриологических условий месторождения в процессе подземной разработки и их техногенного воздействия на породный массив вокруг вертикального ствола, и проводится расчет крепи выработки в этих условиях. И в особо ответственных случаях дополнительно выполняется специальный прочностной расчет крепи, и проверка устойчивости формы крепи.

На основании анализа инженерно-геологических и геокриологических условий должны быть получены следующие расчетные параметры, необходимые для проектирования крепи вертикальных выработок:

- модуль упругости и коэффициент Пуассона горных пород в мерзлом и талом состоянии;

- плотность, характер и степень трещиноватости, льдистости мерзлых пород;

- теплофизические характеристики горных пород в мерзлом и талом состоянии;

- естественный температурный режим многолетнемерзлых пород.

По общим методическим вопросам проектирования вертикальных выработок следует пользоваться указаниями Руководства [5], а именно:

- по сбору, составу, объему и детальности материалов инженерных изысканий, обеспечивающих получение исходных данных по вмещающим горным породам;

- по перечню инструктивных и нормативных документов, необходимых для проектирования вертикального ствола;

- по общим положениям объемно-планировочных и конструктивных решений при выборе места размещения вертикального ствола.

Дополнительными исходными данными для выбора и расчета крепи вертикального ствола рудников Севера являются:

- географический район расположения проектируемого месторождения;

- стратиграфический разрез вмещающих горных пород вокруг вертикального ствола;

- параметры геокриологических условий месторождения: мощность криолитозоны и распределение естественной температуры горных пород по глубине;

- физико-механические свойства всех типов горных пород пересекаемых вертикальным стволом в мерзлом и талом состояниях.

Геометрические параметры вертикального ствола (радиус, площадь поперечного сечения, протяженность) и параметры теплового режима (среднегодовая температура воздуха и ее распределение по длине ствола, расход воздуха) определяются в процессе проектирования подземной отработки месторождения.

Таким образом, сформулированы основные направления развитие методов расчета термомеханического взаимодействия многолетнемерзлого породного массива и крепи вертикального ствола рудников Севера.

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

1. Иудин М.М., Петров Е.Е. Взаимодействие многолетнемерзлого породного массива с крепью вертикального ствола. - Якутск: изд-во ЯНЦ СО РАН, 2000. -148 с.

2. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1982. - 31 с.

3. Плешко М.С., Масленников С.А. Прогрессивные подходы к проектированию глубоких вертикальных стволов // Горный информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». - М.: МГГУ, 2006. - С.409-415.

4. Манец И.Г., Снегирев Ю.Д., Паршинцев В.П. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. - М.: Недра, 1987. - 327 с.

5. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. - М.: Стройиздат, 1983. -272 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------

Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.

© М.М. Иудин, 2007

УДК 622.286 М.М. Иудин

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИХ КРЕПЕЙ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛАХ

Лроблема создания энергосберегающих технологий в регулировании теплового режима вентиляционного воздуха на