Россыпное месторождение алмазов «Солур» находится в зоне распространения многолетнемерзлых горных пород, поэтому температурный режим в шахте является определяющим в плане обеспечения безопасных условий труда горнорабочих и имеет первостепенное значение [1]. Известно, что влагонасыщенные дисперсные горные породы в мерзлом состоянии, сцементированные льдом, могут выдерживать значительные нагрузки, а при положительных температурах их прочность резко падает, что негативно сказывается на устойчивости выработок и безопасности горных работ. Этим и объясняется сезонность работ в россыпных шахтах криолитозоны (в основном в зимний период). К основным требованиям при вентиляции шахты относится требование недопущения подачи атмосферного воздуха с положительной температурой, чтобы предотвратить оттаивание окружающих дисперсных горных пород. Поэтому очистная выемка должна производиться только в холодное время года [2].
Прогноз температурного режима сети выработок россыпной шахты складывается из совокупности отдельных решений задач теплообмена в каждой выработке сети. В этой связи большое значение имеет разработка математической модели теплообмена вентиляционной струи с окружающим горным массивом для одиночной выработки.
Как известно из практики, безопасная эксплуатация горных выработок в массиве многолетнемерзлых горных пород связана с необходимостью анализа динамики температурного поля массива, определяющего его устойчивость. Данная задача решается созданием соответствующих математических моделей, описывающих процессы теплообмена в выработке и окружающих ее породах и последующей их реализацией на ЭВМ в виде программ или программных комплексов. Необходимо отметить, что разработка математических моделей тепловых процессов, происходящих в выработке, пройденной в многолетнемерзлых породах, требует учета большого количества факторов, таких как температура воздуха на входе в выработку, влажность вмещающих пород и их теплофизические свойства, наличие теплоизоляции, фазовые переходы влаги в породах, мощность местных источников тепла и т.д.
Для прогноза температуры воздуха и горного массива вокруг выработок был использован разработанный в лаборатории горной теплофизики программный комплекс для расчета воздухораспределения и теплового режима сети горных выработок криолитозоны [3, 4].
Расчет температурного режима сети выработок шахты начинается с воздухоподающих выработок. Температура воздуха на входе в выработку является уже известной величиной (т.е. входящие ветви в узел, с которого начинается выработка, уже прошли через процедуру расчета температуры воздуха). Согласно порядку проводится процедура расчета температуры воздуха в выработках сети. Температура воздуха на выходе из узла tв рассчитывается с учетом расходов и температур воздуха всех входящих ветвей по следующей формуле:
(1)
где qj, tkj – соответственно расход и температура воздуха на конце j-й выработки, м3/с и °С; F – множество входящих ветвей в заданный узел сети.
В расчетах принято, что в шахту подается воздух с отрицательной температурой. Летом доступ атмосферного воздуха в шахту отсутствует, теплообмен в выработках происходит в условиях свободной конвекции. Формула для расчета коэффициента теплообмена при свободной конвекции имеет вид [5]:
(2)
Расчет температурного режима шахты «Солур»
В шахте «Солур» предусмотрена система разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли. На рис. 1 показана схема подготовки залежи «Солур» к разработке [1]. Проветривание горных работ при отработке запасов россыпи предусмотрено нагнетательным способом по прямоточной комбинированной схеме: в качестве воздухоподающего используется вентиляционный наклонный ствол (ВНС), а в качестве воздухоотводящих – главный наклонный ствол (ГНС) и фланговая вентиляционная скважина. Сделан расчет температурного режима в районе ведения добычных работ. Длина столба принята равной 800 м. Расчеты проведены для трех значений расхода воздуха: 16,3 м3/с (работает 1 погрузочно-доставочная машина ПДМ); 32,6 м3/с (работают 2 ПДМ) и 90,17 м3/с (работают 3 ПДМ – по регламенту [1]). При этом скорости воздуха в конце вентиляционно-доставочного штрека (ВДШ) соответственно равны 1,21 м/с; 2,42 и 6,68 м/с.
При расчетах температурного режима шахты изменение температуры воздуха за зимний tн(τ) период представляем в виде полусинусоиды [6]:
(3)
где Ωз – значения суммы градусо-часов температуры воздуха соответственно за зимний период, градус-час; tз – продолжительность зимнего периода, ч.
Параметры Ωз, tз, необходимые для расчета температуры воздуха, определяются на основе известных данных стационарных метеорологических наблюдений. Для метеостанции «Мирный» эти параметры следующие: Ωз = –103176 градус-ч; tз = 4964 ч.
На рис. 2 приведена динамика изменений температуры наружного воздуха температуры шахтного воздуха на выходе из ВДШ при различных расходах воздуха. Из рис. 2 видно, что при расходе воздуха 16,3 м3/с температура воздуха в забое снижается до –17,2 °С, при расходе воздуха 32,6 м3/с – до –22,9 °С, а при расходе воздуха 90,17 м3/с – до –27 °С.
Рис. 1. Схема подготовки залежи «Солур» к отработке
Рис. 2. Динамика температур наружного воздуха (Тн) и температур воздуха в забое при различных расходах воздуха в шахте «Солур» (длина выемочного столба 800 м)
На рис. 3–5 приведены рассчитанные распределения температур горных пород по глубине (на различных расстояниях от поверхности выработок). Из рисунков видно, что происходит постепенное снижение температуры окружающих пород до конца зимнего периода (например, во второй год до –15 °С при расходе воздуха 16,3 м3/с). При повышении расхода воздуха происходит дальнейшее снижение температуры окружающих пород. Как и ожидалось, подтверждается тенденция понижения температуры окружающих горных пород, поскольку в шахту подается только холодный воздух, а летом шахта консервируется и подача наружного воздуха прекращается.
Основной вывод заключается в том, что в зимний период работы россыпной шахты происходит прогрессирующее охлаждение и аккумулирование холода окружающими горными породами. Тем самым обеспечиваются устойчивость горных выработок и безопасные условия труда горнорабочих. С другой стороны, снижение температуры окружающих пород приводит к их упрочнению, что может усложнить посадку и обрушение кровли при ведении очистных работ.
Рис. 3. Распределение температур горных пород по глубине в конце ВДШ при расходе воздуха 16,3 м3/с
Рис. 4. Распределение температур горных пород по глубине в конце ВДШ при расходе воздуха 32,6 м3/с
Рис. 5. Распределение температур горных пород по глубине в конце ВДШ при расходе воздуха 90,17 м3/с
Заключение
Согласно Единым правилам безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом при разработке многолетнемерзлых россыпных месторождений температура подаваемого в шахту воздуха должна обеспечивать защиту горных пород от растепления [7]. При этом основным требованием при вентиляции шахты является недопущение подачи атмосферного воздуха с положительной температурой, чтобы предотвратить оттаивание окружающих горных пород.
Результаты проведенных расчетов подтверждают, что при отработке алмазоносных россыпей в зимний период с временной консервацией россыпной шахты на летний период будет происходить устойчивое понижение температуры окружающих горных пород с повышением их прочности, поскольку в шахту подается только холодный воздух. Таким образом, происходит прогрессирующее аккумулирование холода окружающими горными породами и тем самым обеспечиваются устойчивость горных выработок и безопасные условия труда горнорабочих.
Однако для детального исследования зависимости прочностных характеристик вмещающих мерзлых пород (песков) месторождения «Солур» от изменений температур необходимо проведение специальных лабораторных исследований. Специальных исследований требует также решение вопросов обрушения кровли в очистных выработках, что предполагается принятой системой отработки, т.к. снижение температуры в свою очередь приводит к повышению устойчивости пород, что может усложнить посадку и обрушение пород кровли.
В призабойных участках шахты «Солур» в самый холодный период при расходе воздуха 16,3 м3/с (скорость воздуха 0,36 м/с) температура воздуха в забое снижается до –17,2 °С, при расходе воздуха 32,6 м3/с (скорость воздуха 0,72 м/с) – до –22,9 °С, что ниже допустимых норм.
При подаче воздуха в россыпную шахту с расходом 90,17 м3/с в очистном забое температура воздуха снижается до –27 °С при скорости 2 м/с, т.е. в этом варианте устанавливаются очень жесткие климатические условия для работы горнорабочих. Согласно ЕПБ в шахтах, где параметры воздуха по температурному фактору отличаются от допустимых норм, должна применяться система мер по предупреждению переохлаждения организма горнорабочих [7].
Рецензенты:
Матвеев А.И., д.т.н., заведующий лабораторией обогащения полезных ископаемых, ФГБУН «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск;
Сукнев С.В., д.т.н., заведующий лабораторией механики геоматериалов, ФГБУН «Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск.
Работа поступила в редакцию 27.12.2014.
Библиографическая ссылка
Курилко А.С., Хохолов Ю.А., Соловьев Д.Е., Петров Е.Е., Мордовской С.Д. ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ГОРНОГО МАССИВА В ЗАБОЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ПРОВЕТРИВАНИЯ РОССЫПНОЙ ШАХТЫ «СОЛУР» // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-8. – С. 1641-1645;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36413 (дата обращения: 03.12.2024).