Выбор рациональных параметров проходки подземной горной выработки в условиях криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Д.Е. Соловьев, Ю.А. Хохолов, A.C. Курилко, 2012

УЛК 622.45.536.244.

Д.Е. Соловьев, Ю.А. Хохолов, A.C. Курилко

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОХОДКИ ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Рассмотрено влияние условий проходки горных выработок в летний период на тепловой режим вмещающих горных пород. Разработанная методика позволяет выбрать рациональные параметры проходки выработки, при которых обеспечивается мерзлое состояние горных пород и соответственно её устойчивость. Ключевые слова: криолитозона, тепловой режим, проходка выработок, вентиляция горных выработок, протаивание пород.

Л стальная разведка месторождений твердых полезных ископаемых Севера, строительство шахт и рудников, а так же производство добычных работ предполагает проходку большого количества тупиковых выработок различного назначения. Как известно, в условиях криолитозоны проведение их в дисперсных горных породах и эксплуатация в летний период сопряжена с целым рядом трудностей, связанных с необходимостью предотвращения растепления атмосферным теплом, без чего невозможно обеспечение устойчивости выработок. Это предъявляет особые требования к режиму вентиляции, который осуществляется путем нагнетания воздуха вентиляторами местного проветривания по гибким прорезиненным вентиляционным трубопроводам (рис. 1).

Все вышеуказанное подтверждает необходимость определения безопасных параметров вентиляционного режима, при которых обеспечивается устойчивость горных выработок и соответственно безопасность ведения горных работ.

С этой целью была разработана математическая модель, отражающая

специфические условия формирования теплового режима многолетне-мёрзлого горного массива при ведении проходческих работ, которая подробно описана в работе [1] и позволяет рассчитать температурный режим вскрывающей тупиковой выработки при нагнетательном режиме проветривания с учетом теплообмена воздуха в выработке с вентиляционным трубопроводом, забоем и транспортируемой отбитой горной массой, а также с учетом скорости её проходки.

Расчет температурного режима тупиковой выработки с учетом движения забоя проводился по следующему алгоритму: поперечные размеры расчетной области выбираются с учетом теплового влияния вокруг выработки, длина расчетной области превышает конечную длину проходимой выработки на величину теплового влияния. В начальный момент времени первичная длина выработки равна шагу её проходки за один цикл. При этом рассчитываются температуры воздуха в выработке и трубопроводе, а также температура окружающего массива пород с учетом теплообмена

с забоем выработки и транспортируемой отбитой горной массой. Перед следующим циклом проходки температуры в массиве горных пород запоминаются, и при расчетах после подвигания забоя используются как начальные данные. Данная процедура повторяется вплоть до окончания проходки выработки.

Решение позволяет определить температуру воздуха в трубопроводе и выработке, оценить динамику температурного поля в окружающем массиве пород, а также определить параметры ореолов их протаивания в летний период ведения проходческих работ.

На основе разработанной методики были проведены численные эксперименты по расчету теплового режима тупиковой выработки при различных скоростях подвигания забоя, режимах проветривания, температуры подаваемого в выработку воздуха.

Расчеты проводились при следующих исходных параметрах: забой за 1 смену (8 часов) продвигается на 1,5, 2 и 3 м. Конечная длина проходимой выработки 180 м. При трехсменном (восьмичасовом) режиме работы и заданных скоростях проходки выработ-

ки, забой переместится на расстояние 180 м соответственно через 40, 30 и 20 суток. Естественная температура пород —4°С; теплопроводность талых и мерзлых пород соответственно 1,6 и 2 Вт/(м-К); теплоемкость сухой породы 900 Дж/(кг-К); плотность породы 1800 кг/м3; влажность породы 0,2 д.е.

Температура воздушной струи на входе в вентиляционный трубопровод составляет +5 и +10 °С. Расход воздуха, необходимый для проветривания выработки, в расчетах при использовании самоходной техники с дизельным приводом принимается равным 800 м3/мин (для одной погру-зочно-транс-портной машины ПД-5А), без ее использования 144 м3/мин (принимаемый по фактору разжижения газов после взрывных работ).

Рассмотрим результаты различных вариантов расчетов при постоянном режиме проветривания, то есть, когда расход воздуха в течение всего периода проходки выработки будет неизменным.

На рис. 2 показаны графики глубины протаивания вмещающих выработки горных пород через 20 суток после начала проходки при различных скоростях подвигания забоя.

Рис. 1. Схема проветривания тупиковой выработки в период проходки:

1 — вентилятор; 2 — трубопровод; 3 — забой тупиковой выработки; 4 — исходящая струя

Рис. 2. Глубина протаивания пород вокруг выработки через 20 суток после начала проходки при различных скоростях подвигания забоя. Температура и расход воздуха соответственно +10 0С и 144 м3/мин

0.5

. 0.2 0 1

j -О- 1,5 м/смену -О- 2 м/смену —*г~ 3 м/смену

j

0,

20

■(О ВО

80

100 120 НО ISO 180

Длин* v

Рис. 3. Глубина протаивания пород вокруг выработки при достижении длины 180 м при различных скоростях подвигания забоя. Температура и расход воздуха соответственно +10 0С и 144 м3/мин

В выработку поступает теплый воздух с температурой +10 °С, расходом 144 м3/мин. Как видно из графиков, чем выше скорость подвигания забоя, тем на большем расстоянии от груди забоя окружающие выработку породы остаются в мерзлом состоянии и тем меньше глубина их протаивания в устьевой части, что положительно влияет на её устойчивость. Причиной этого в данном случае является тот факт, что при увеличении скорости проходки выработки обнажаются все больше поверхностей с естественной температурой пород, что приводит к

более интенсивному поглощению тепла, вносимого вентиляционным потоком, всей площадью поверхности выработки и соответственно интенсивному охлаждению исходящей вентиляционной струи.

Результаты расчетов показывают, что глубины про-таивания пород вокруг выработки при достижении длины 180 м для различных скоростей подвигания забоя соответственно составят 0,3, 0,23 и 0,13 м (рис. 3).

Можно сделать заключение, что снижение температуры поступающего в выработку воздуха до +5 С при неизменности остальных параметров позволяет обеспечить мерзлое состояние вмещающих горных пород, к окончанию проходки выработки (рис. 4).

Как известно, использование самоходной техники с дизельным приводом при проходке выработки приводит к её высокой загазованности и, как следствие этого, требуется значительное увеличение количества воздуха подаваемого в забой, что, в конечном счете, приводит к интенсивному протаиванию окружающих горных пород практически по всей длине выработки, что наглядно видно из графиков, представленных на рис. 5.

Применяемая технология ведения проходческих и очистных работ на россыпных шахтах и рудниках носит цикличный характер и включает в себя следующие процессы [2]:

Рис. 4. Изменение температуры стенки горной выработки по длине при различной температуре воздуха подаваемого в выработку. Расход воздуха и скорость подвигания забоя соответственно 144 м3/мин и 2 м/смену

Рис. 5. Глубина протаивания порол к окончанию прохолки выработки при расколе возлуха 800 м3/мин, температуре полаваемого возлуха +5 °С и различной скорости полвигания забоя за олну смену

нием ядовитых газов, необходимо подавать в горную выработку максимальное количество воздуха Отах, в соответствие с расчетом. В то же время при заряжании шпуров и вспомогательных работах достаточно подавать минимально необходимое его количество Отул. В табл. 1 в качестве примера приведен график организации проходки штрека № 372 с уклона № 203 рудника «Бадран» при трехсменном режиме работ. На основе данной таблицы проведены расчеты при переменном режиме проветривания выработки.

В качестве Отах взяты значения расходов воздуха по фактору разжижения газов после взрывных работ — 144 м3/мин и 800 м3/мин в случае использования самоходной техники с дизельным приводом. Во время заряжания и вспомогательных работ пыле-выделения минимальные, поэтому расход воздуха Отт рассчитан по минимально допустимой скорости движения воздушной струи и составляет 72

1) бурение шпуров; 2) заряжание и

взрывание взрывчатых веществ; 3) проветривание после взрыва; 4) уборку взорванной породы; 5) крепление забоя и вспомогательные работы.

Очевидно, что при бурении шпуров, проветривании после взрывных работ и уборке породы в связи с высоким пылеобразованием и выделе-

м /мин.

Рассмотрим аналогичный постоянному режиму проветривания вариант расчета ореолов протаивания при температуре поступающего в выработку воздуха +10 0С, только с переменным расходом воздуха: Отах = 144 м3/мин и От1п = 72 м3/мин. Расход воздуха Отах подавался 3,75 ч в течение одной восьмичасовой смены, а Отт соответственно 4,25 ч.

Циклограмма проведения штрека №372 рудника «Бадран» при трехсменном режиме работы

Рис. 6. Глубина протаивания к окончанию проходки выработки при скорости подвигания забоя 2 м/смену, температуре поступающего воздуха +10 0С и различных режимах проветривания выработки

Рис. 7. Изменение температуры стенки горной выработки по длине при переменном режиме проветривания и расходах воздуха 144 и 300 м3/мин

Сравнительные данные глубины протаивания пород при скорости подвигания забоя 2 м/смену приведены на рис. 6.

Как видно из рисунка, при переменном режиме проветривания ореол про-таивания пород на входе в выработку уменьшается примерно в два раза с 0,23 до 0,12 м, а длина приза-бойного участка с мерзлыми породами увеличивается в два раза с 30 до 60 м по сравнению с постоянным режимом.

Снижение температуры поступающего в выработку воздуха до +5 0С при неизменности остальных параметров, позволяет обеспечить мерзлое состояние вмещающих горных пород, как при Отах = 144 м3/мин, так и при двукратном увеличении расхода воздуха Отах до 300 м3/мин, что наглядно видно из графиков представленных на рис. 7.

На рис. 8 приведены результаты расчетов глубины протаивания окружающих горных пород при постоянном и переменном режиме проветривания выработки с использованием самоходной техники с дизельным приводом.

Сравнение результатов расчетов при постоянном и переменном режимах проветривания показало, что во

Рис. 8. Глубина протаивания окружающих пород при постоянном и переменном режимах проветривания в случае использования самоходной техники. Расход воздуха Qmax = 800 м3/мин, Qmln = 72 м3/мин, температура подаваемого воздуха +5 °С и скорость подви-гания забоя 2 м/смену

втором случае происходит уменьшение протяженности протаявшего участка окружающих пород по длине выработ-

ки в отличие от постоянного режима проветривания, при котором к окончанию проходки протаивание пород происходит более интенсивно и практически по всей длине.

Таким образом,

мерзлое состояние окружающего массива горных пород, а следовательно устойчивость горных выработок и безопасность ведения горных работ при проходке выработок в летний период, можно обеспечить выбором рапиональных параметров проходки, которые могут быть рассчитаны по разработанной методике.

1. Хохолов Ю.А., Соловьев Д.Е. Температурный режим многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ. // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. - №4. — С.177—182.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Шерстов В.А., Скуба А.Н., Лубий К.И., Костромитинов К.Н. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии.— Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1981, —188 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Соловьев Д.Е. —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.

E-mail: [email protected]; [email protected]

д