CC BY
35
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
рудниках Севера является актуальной проблемой при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. Длительная продолжительность холодного периода, отрицательная среднегодовая температура атмосферного воздуха, многолетнемерзлое состояние значительной толщи массива горных пород создают проблемы в поддержании санитарных и гигиенических параметров воздуха в горных выработках до нормативных параметров. Чтобы обеспечить положительные температуры вентиляционного воздуха (не ниже +2 0С) в выработках в зимний период требуется дополнительный расход значительного количества технической энергии на регулирование теплового режима. Причем, до 70 % этой энергии тратиться на подогрев приконтурного слоя породного массива при тепловом взаимодействии вентиляционного воздуха и мерзлых горных пород. Эти энергетические затраты можно считать потерями при регулировании теплового режима на рудниках Севера. Все направления проведенных исследований в вопросе регулирования теплового режима рудников Севера следует разделить и классифицировать следующим образом. Первый путь исследований был направлен на разработку способов и методов регулирования теплового режима, в которых использовались дополнительные источники энергии, в том числе и тепловой потенциал породного массива. Второе направление исследований связывается с разработкой создания теплоизоляции на стенках горной выработки, которая бы обеспечивала уменьшение интенсивности теплового взаимодействия породного массива и вентиляционного воздуха. Многолетние исследования по применению теплоизоляции в горных выработках на россыпных и угольных шахтах Севера выявили принципиальную эффективность снижения теплового влияния воздуха на температурный режим мерзлых горных пород вокруг выработок [1]. В то же время исследования показали технологические проблемы нанесения теплоизоляционных покрытий на стенки выработки и ее слабую эксплуатационную надежность, что резко сокращало действие положительного эффекта теплоизоляции. Материалы для теплоизоляции горных выработок имеют заданные параметры теплофизических свойств, а их ремонтопригодность и восстановление после длительного срока эксплуатации оказалось на низком уровне. Малая долговечность крепей из теплоизоляционных материалов отрицательно сказалось на практике ее применения на рудниках Севера.
Регулирование теплового режима на рудниках Севера имеет один отрицательный и существенный фактор. Это необходимость расходовать значительные энергетические затраты на подогрев вентиляционного воздуха в зимний период. Неоднозначно влияют геокриологические и климатические условия размещения вскрывающих (вертикальных) выработок на величину энергетических затрат, причем добиться их существенной экономии оптимизацией размещения горных выработок на месторождении не представляется возможным. Рациональный путь снижения энергетических затрат на подогрев воздуха - уменьшить интенсивность теплообмена вентиляционного воздуха в выработке с окружающими горными породами. Это можно обеспечить только исключением прямого контакта воздуха и породного массива применением теплоизоляционных покрытий, а лучше специальных теплоизолирующих крепей с высоким термическим сопротивлением. Высокое термическое сопротивление теплоизолирующих крепей позволит значительно сократить зону теплового влияния в окрестности выработки и обеспечить допустимый уровень развития термомеханических процессов в породном массиве, создавая условия нормальной эксплуатации вертикальных и горизонтальных выработок. Поэтому, разработка теплоизолирующих крепей, обладающих высокой несущей способностью, является актуальной проблемой в регулировании теплового режима рудников Севера.
На техногенное состояние напряжений и деформаций в породном многолетнемерзлом массиве существенно влияют геокриологические условия в районе месторождения, в частности температурный режим горных пород в окрестности горной выработки. Интенсивность и глубина протекания теплового процесса в породном массиве зависит от состояния теплового режима в горных выработках, термодинамических условий теплообмена на поверхности породного обнажения и т. д. В практике проектирования и разработки месторождений подземным способом, вскрываемых вертикальными выработками, подача свежего воздуха при вентиляции рудника осуществляется через главные вертикальные стволы. Следовательно, вертикальные выработки, пройденные в мерзлом породном массиве, эксплуатируются в экстремальных температурных условиях, а конструкция постоянной крепи подвергается температурному влиянию, как со стороны вентиляционного воздуха в выработке, так и со стороны мерзлого массива пород. Это приводит к
значительным температурным градиентам по толщине крепи выработки. Периодические сезонные циклы изменения температуры воздуха приводят к появлению и развитию температурной трещиноватости в крепи выработки, что преждевременно уменьшает длительную прочность материала крепи. В итоге эти причины вызывают снижение устойчивости горной выработки. Направления при разработке специальных конструкций теплоизолирующих крепей для горных выработок следует сформулировать и сгруппировать на основе принципа термомеханического взаимодействия с породным массивом, следующим образом.
1. В этом направлении главным признаком является то, что теплоизолирующий слой наносится на внутреннюю поверхность крепи горной выработки. Положительными свойствами данного направления конструктивного создания теплоизолирующих крепей являются возможность в процессе эксплуатации выработки управлять параметрами теплоизоляции (термическое сопротивление), поддерживать высокое термическое сопротивление теплоизолирующего слоя постоянным или увеличивать ее параметры в случае необходимости, осуществлять постоянное наблюдение за состоянием качества теплоизоляционного слоя и своевременно производить ремонт нарушенных участков теплоизоляции. В такой конструкции крепи теплоизолирующий слой выполняет активную функцию, значительно уменьшает температурные градиенты в несущем слое постоянной крепи выработки. В тоже время теплоизоляционный слой значительно подвергается механическому воздействию внешним нагрузкам в горной выработке, поэтому чаще требуется выполнять ремонтно-восстановительные работы, что является немаловажным фактором при выборе конструкции теплоизолирующей крепи выработки. В этом случае механическая модель взаимодействия крепи выработки и породного массива описывается схемой «теплоизоляция - крепь - породный массив», т.е. несущая крепь непосредственно контактирует с деформирующимся массивом и воспринимает его воздействие.
2. Главный признак этого направления определяется тем, что теплоизоляция наносится или возводится на обнаженную поверхность породного массива, а затем устанавливается постоянная крепь в выработке, т.е. имеем следующую модель взаимодействия
- «крепь - теплоизоляция - породный массив». Положительным свойством данной схемы теплоизолирующей крепи является обес-
печение нормальных тепловых условий эксплуатации крепи выработки. В этой группе теплоизолирующих крепей несущая часть крепи взаимодействует с деформирующимся породным массивом через слой теплоизоляции. С одной стороны, такая теплоизолирующая крепь выполняет функции несущей конструкции, работающей в податливом режиме; с другой стороны, крепь выполняет теплоизоляционные функции. При подборе материалов следует учитывать прочностные свойства податливой и несущей оболочки. Однако такая конструкция крепи обладает одним недостатком, который в отдельных случаях может быть существенным условием, препятствующей ее применение при большом сроке эксплуатации выработки. При установке теплоизоляции между породой и крепью формируются ее постоянные параметры (толщина, термическое сопротивление), которые под воздействием временного фактора имеют тенденцию к уменьшению. При разрушении слоя теплоизоляции или существенного снижения теплоизоляционных свойств материала трудно или невозможно выполнить ремонтновосстановительные работы или замену теплоизоляции. Это может привести к ограничению возможности регулирования теплового режима на рудниках Севера.
3. Третье направление создание теплоизолирующих крепей является комбинацией первых двух групп, основанная по схеме взаимодействия «теплоизоляция - крепь - теплоизоляция - породный массив» или «крепь - теплоизоляция - крепь - породный массив». Комбинированный способ возведения теплоизоляционных крепей создает наиболее оптимальные условия эксплуатации постоянной крепи и регулирования теплового режима в вертикальном стволе. В качестве примера рассмотрим конструкцию крепи путем создания воздушных полостей в монолитном бетонном слое, работающая по схеме «порода - крепь - теплоизоляция - крепь» [2]. Перед началом возведения бетонной крепи одновременно с установкой жесткой опалубки по середине предполагаемой конструкции укладывают матрицу в твердом состоянии. После установки матрицы за жесткую опалубку заливают раствор бетонной смеси, при твердении которого выделяется тепло, образующееся за счет химической реакции гидратации цемента. Когда бетон набирает первоначальную прочность, достаточную для сохранения формы полости в устойчивом состоянии, матрица из твердого состояния должна переводиться в жидкость за счет выделяемого тепла. Поэтому выбор ма-
териала в качестве матрицы будет зависеть от ее температуры плавления. Прежде всего, материал должен иметь температуру плавления ниже, чем максимальная температура твердения бетона, иначе матрица из твердого состояния не перейдет в жидкость. С другой стороны, материал должен быть такой, чтобы продолжительность плавления матрицы была больше или равна времени набора первоначальной прочности бетона, способного сформировать воздушную полость после удаления жидкости из конструкции. После перехода матрицы в жидкое состояние и снятия опалубки в нижней части конструкции пробуривают выпускной канал и сливают матрицу из крепи. Далее воздушный канал закрывают бетонной пробкой. Твердая матрица позволит образовывать в конструкции крепи полости различной конфигурации. Такая конструкция теплоизолирующей крепи оптимально обеспечивает выполнение несущей и теплоизоляционной функции на период эксплуатации выработки.
Таким образом, проблема создания теплоизолирующих крепей остается актуальной и в настоящее время. Предложенные направления совершенствования конструкций теплоизолирующих крепей позволяют оценивать теплозащитные функции крепи с учетом развития тепловых и термомеханических процессов в окрестности породного массива вокруг выработки. По допустимому уровню термомеханических процессов целесообразно оптимизировать тепловые и прочностные параметры теплоизолирующих крепей.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авксентьев И.В., Скуба В.Н. Теплоизоляция горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. - Новосибирск: Наука. - 1984. - 176 с.
2. Иудин М.М., Самохин А.В., Петров Е.Е. Термомеханические процессы в вертикальных стволах месторождений Севера. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. - 176 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------
Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.
