CC BY
28
трубки "Интернациональная", указанные решения зались излишними.
Полученный опыт проветривания водоотводящей штольни существенно упрощает ситуацию с от-кой части подкарьерных запасов месторождения ки "Мир", где ожидается влияние проскоков
ных вод метегеро-ичерского водоносного комплекса на состояние атмосферы выработок шахтного ва. Низкие остаточные притоки рассолов и ожидаемое существенное снижение концентрации сероводорода в них на пути миграции через техногенный массив, как представляется, упростят проблему проветривания.
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АК «АЛРОСА». Подземный рудник «Мир». Сухая консервация карьера. Рабочая документация. НТЦ «НОВОТЭК»,
Гензель Г.Н., Якушенко М.В., г. Белгород, 2001 г.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------------------
Лобанов Виктор Владимирович, Целлер Елена Витальевн, Мищенко Юлия Вадимовна,
Крамсков Николай Петрович - институт «Якутнипроалмаз».
Филатов Александр Павлович - АК «АЛРОСА».
Матвиенко Николай Григорьевич - ИПКОН РАН.
© В.А. Шерсгов, В.В. Киселев,
Ю.А. Хохолов, М.В. Кантонов, 2003
УАК 622.284.
В.А. Шерстов, В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов,
М.В. Кантонов
ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СКВАЖИН ВЫСОКОМЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРУГЛОТОЛИ ЧНЫХ РОССЫПНЫХ ШАХТ ЗАПОЛЯРЬЯ
С целью повышения производительности труда, эффективности и безопасности ведения подземных горных работ при освоении крупных россыпных месторождений Заполярья, с выемочной мощностью продуктивного пласта 2,5-3 м вместо переносного оборудования стали применять импортную самоходную технику (буровые каретки «Тамрок» и погрузочно-доставочные машины «Торо» производства Финляндии с дизельным приводом). Опыт применения самоходного горного оборудования на россыпных шахтах Кулара показал, что его внедрение является значительным резервом повышения эффективности и безопасности труда, при сокращении численности рабочих,
подверженных воздействию опасных и вредных производительных факторов в 2 раза, снижении уровня травмоопасности при бурении и доставке песков на 2025% [1]. Вместе с тем, применение самоходной дизельной техники связано с выделением выхлопных газов и требует подачи большого количества воздуха для их раз-жения сравнению с использова-ем переносного оборудования..
Согласно правил безопасности в выработках, где работают дизельные машины, необходимо подавать не менее 5 м3/мин. воздуха на единицу номинальной мощности двигателей, при этом расчетное количество воздуха для одной по-грузочно-доставочной машины ставляет не менее 500—600 м3/мин. При коэффициенте ис-
пользования машин типа Торо-200Д» 0,4-0,5 для обеспечения месячной производительности шахты равной 20-25 тыс. м3 песков, необходимо организовать трехсменную работу 3-4 машин. Общешахтный расход воздуха жен составлять при этом 20002400 м3/мин. Вследствие наличия источников постоянного газовы-деления (работающих дизельных двигателей) проветривание шахты должно осуществляться при трехсменной работе круглосуточно и быть прямоточным, исключающим всякое повторное использование воздуха и обеспечивающим обособленное проветривание всех подготовительных и очистных забоев. Таким образом, использование дизельного оборудования исключает применение наиболее распространенных способов регулирования теплового режима, основанных на использовании комбинированных схем проветривания и теплоизоляции вскрывающих воздухоподающих выработок.
Для проветривания очистных выработок, в которых значительную часть времени работают по-грузочно-доставочные машины, наиболее целесообразно применение секционной схемы вентиляции шахт с использованием в качестве теплоаккумулирующих выработок ранее отработанных камер-лав, в
ПРОЛОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ ОЛИНОЧНОЙ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СКВАЖИНЫ ЛО НАСТУПЛЕНИЯ ЗАКУПОРКИ, СУТ._________________________________
Влажность Расход воз- Суточная продолжительность вентиляции, ч
пород, доли духа, м3/с 6 12
ед. Время начала эксплуатации (первое число месяца)
май июнь июль авг. май июнь июль авг.
1 41 21 14 17 31 11 4 6
0,4 2 31 8 4 5 23 5 2 2
4 25 - - - 21 - - -
1 43 19 10 15 29 8 4 6
0,5 2 37 15 4 5 23 5 1 2
4 27 - - - 20 - - -
1 39 15 14 25 30 7 5 6
0,6 2 39 11 4 4 22 5 2 2
4 28 - - - 19 2 - -
которые наружный теплый воздух поступает по вентиляционным скважинам. Эта схема была применена при подземной разработке ряда золотоносных и оловоносных россыпей северных районов Якутии, на которых применялось самоходное дизельное оборудование. Горнотехнические условия разработки россыпных месторождений Заполярья характеризуются наличием в покрывающей мерзлой толще однородных суглинков и аллювиальных отложений, представленных гравийно-галечным материалом, сцементированным песчано-глинистым заполнителем, с большой влажностью пород 30% и более. Как показывает практика, вентиляционные скважины в условиях летней эксплуатации часто заплывают и закупориваются сконденсированной (из воздуха) влагой и вытаявшим (из горных пород) льдом с образованием манжет, а иногда и ледяных пробок, что приводит к резкому снижению пропускной способности скважин из-за уменьшения их диаметра с 0,5-0,6 до 0,2 м и меньше.
В этих условиях, несмотря на наличие необходимого количества вентиляторов местного проветривания на вентиляционных скважинах, предназначенных для подачи в очистные выработки расчетного количества воздуха для разжижения выхлопных газов от работы дизельных погрузочно-доставоч-ных машин, фактическое количество поступающего воздуха в выработки в летнее время в 1,5-2,5 раза ниже расчетного. Это обуславливает повышение предельнодопустимых концентраций вредных примесей в шахтной атмосфере, ухудшает санитарно-гигиени-
ческие условия труда подземных горнорабочих и снижает производительность самоходного оборудования за счет уменьшения частоты движения погрузочно-доставоч-ных машин [1].
В этой связи, одной из основных задач повышения эффективности проветривания россыпных шахт в теплое время с использованием скважин является исследование процессов тепломассообмена: конденсации влаги из воздушного потока, приводящей к образованию манжет (пробок из инея на стенках скважин в весенний период; протаивание высокольдистых мерзлых дисперсных пород, окружающих вентиляционную скважину в летнее время, когда оттаявшая вода, стекая вниз, замерзает на стенках, образуя утолщение (манжету), а затем и закупоривающую пробку. Изучение тепломассообменных процессов в скважинах методами математического регулирования позволит определить оптимальный режим работы скважин в летнее время, при котором не происходит заплыва-ния скважин.
Существующие методики расчета температурного режима горных выработок зоны многолетней мерзлоты [2, 3] не подходят для исследования процессов теплообмена в вентиляционных скважинах, поскольку они не учитывают сужения вентиляционного канала из-за образования ледяных манжет, оказывающего основное влияние на тепловой режим ВС.
На основе ранее разработанной модели теплообмена вентиляционного воздуха в выработке зоны многолетней мерзлоты [4], учитывающей фазовые переходы вла-
ги в горных породах вокруг выработки, построена математическая модель теплообмена вентиляционного воздуха в вертикальной скважине с учетом следующих факторов, характерных для вентиляционных скважин:
• поступление влаги из протаивающих горных пород вокруг скважины;
• намерзание выделенной влаги на стенках, если хватает запасов холода пристеночных горных пород;
• сужение вентиляционного канала из-за замерзания влаги;
• увеличение аэродинамического сопротивления из-за сужения вентиляционного канала, приводящее к уменьшению расхода воздуха.
При разработке математической модели были приняты следующие допущения:
• температура воздушного потока в вентиляционной скважине (ВС) одинакова по всей площади поперечного сечения;
• принимается во внимание только конвективная составляющая теплопереноса в ВС, так как кондуктивная составляющая несоизмеримо мала;
• ВС вертикальная, обсажена ее только устьевая часть, диаметр и коэффициент шероховатости стенок одинаковы по всей длине;
• поступление влаги (в жидком виде), конденсируемой из воздушного потока в течение лета, не учитывается, так как ее количество незначительно по сравнению с вытаивающей из мерзлых льдистых пород;
• закупорка в ВС может произойти только за счет вытаявшей из горной породы, а затем замерзшей воды (льда), возможность закупорки ВС растаявшей и обвалившейся со стенок горной породой исключается.
Разработанная математическая модель реализована численными методами конечных разностей с помощью расчетной программы, составленной на языке ГОСТИИ 90. Из расчета следует, что основными факторами, влияющими на процессы тепломассообмена ВС россыпной шахты и, соответственно, на образование ледяной ман-
жеты (пробки) в летнее время, являются:
• режим, продолжительность и периодичность принуди-
тельной вентиляции;
• влажность (льдистость) горных пород;
• количество проходящего через ВС воздуха;
• диаметр и длина ВС.
Численные исследования режима работы ВС в летний период проведены при следующих исходных данных: естественная температура горных пород равна -7 °С; среднесуточная температура наружного воздуха: в мае +5 °С; июне + 15 °С; июле +20 °С; августе + 15 °С; сентябре +5 °С.
Объемная влажность (льдистость) пород колеблется от 0,4 до 0,6 (доли единицы). Количество воздуха, нагнетаемого в ВС, колеблется в пределах 0,5-4 м3/с. Время работы вентилятора - 6, 12 и 18 ч/сут, глубина ВС -50 м, диаметр — 500 мм.
Наиболее важным с практической точки зрения является расчет продолжительности работы ВС до ее полной закупорки ледяной пробкой. Результаты расчетов приведены в таблице. Анализируя расчетные данные таблицы, можно сделать следующие предварительные выводы. Самый длительный срок (до 2 мес.) эксплуатации ВС в летний период обеспечивается при расходе воздуха 0,5 м3/с. Увеличение расхода до 2 м3/с резко сокращает срок их эксплуатации до нескольких суток вследствие интенсивного растепления приустьевой части ВС и быстрого замерзания вытаявшей влаги в ее глубинной части. Дальнейшее увеличение расхода воздуха до 4 м3/с практически обеспечивает нор-
мальную работу ВС в течение всего теплого периода года, так как тепловой напор настолько велик, что протаивание горных пород происходит практически одновременно по всей ее длине и вся вытаявшая влага беспрепятственно стекает по стенкам на почву выработки, где она замерзает с образованием наледи. В данном случае, учитывая тот факт, что ВС не обсажена металлической трубой на всю длину, за счет интенсивного вытаивания льда и выноса илистых частиц, вероятнее всего, произойдет значительное увеличение ее диаметра, но вместе с тем не исключена закупорка скважины растепленными осыпавшимися кусками горных пород в результате их расклинивания (математическая модель этот фактор не учитывает). Как следует из таблицы, прерывистое движение вентиляционного потока в ВС увеличивает вероятность ее закупорки льдом и требует большего расхода воздуха для предотвращения этого нежелательного процесса, чем при непрерывной подаче; при этом чем короче период вентиляции, тем больше необходимый расход воздуха. Наиболее важным выводом, по нашему мнению, является тот факт, что одиночные ВС не в состоянии обеспечить нормальную вентиляцию россыпных шахт (при естественных нерегулируемых процессах тепломассообмена) в летний период при расходе воздуха менее 4 м3/с; при расходе от 0,5-4 м3/с необходимо бурение не менее трех скважин (в виде куста на расстоянии 3-4 м друг от друга), оборудованных одним вентилятором. При закупорке одной скважины она отключается, и воздух подается по другой, а затем (при
образовании пробки во второй ВС) по третьей.
Кроме этого, в ходе исследований сделана также оценка влияния зимней эксплуатации ВС на интенсивность намораживания в них льда в летний период. Можно сделать вывод, что зимняя эксплуатация ВС удлиняет срок нормальной эксплуатации их в летний период. Это объясняется тем, что зимой при прохождении вентиляционного потока с высокой (за счет естественной тяги) скоростью и низкой температурой вмещающие породы аккумулируют естественный (атмосферный) холод высокого потенциала, запасы которого замедляют процесс протаи-вания вмещающих горных пород в весенне-летний период. Выяснилось также, что процесс образования ледяной манжеты в ВС в летнее время значительно замедляется увеличением расхода воздуха в зимний период, причем он должен быть тем больше, чем выше льдистость горных пород.
Оценка эффективности использования ВС в качестве теплоаккумулирующих выработок для охлаждения (нагревания) вентиляционного потока выявила низкую интенсивность теплообмена в них ввиду небольшой длины и площади теплообменной поверхности ВС, а также высокой скорости воздушной струи, в связи с чем температура ее "сбивается" незначительно, и, следовательно, в качестве теплообменных выработок нужно использовать в обязательном порядке выработанное пространство россыпных шахт для направленного регулирования теплового режима.
1.Шерстов В. А. Киселев В.В, Хохолов Ю.А. Проблемы регулирования теплового режима в условиях круглогодичной работы высокомеханизированных россыпных шахт Севера// Колыма.- 2002.- №1.- С.23-29.
2. Дядькин Ю. Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. - М.: Недра, 1968. - 255 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------
------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3.Изаксон В. Ю, Петров Е Е Численные методы прогнозирования и регулирования теплового режима горных пород области многолетней мерзлоты. — Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1986. - 96 с.
4. Галкин А. Ф, Хохолов Ю. А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск: Наука, 1992. - 133 с.
Шерстов Валерий Андреевич - доктор технических наук, гл. научный сотрудник Института горного дела Севера СО РАН (ИГД ССО РАН), г. Якутск.
Киселев Валерий Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГД ССО РАН, г. Якутск. Хохолов Юрий Аркадьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГД ССО РАН, г. Якутск.
Каймонов Михаил Васильевич - младший научный сотрудник ИГД ССО РАН, г. Якутск.
Рис. 1. Проектная схема консервации карьера
