Метод ы расчета температурного и вентиляционного режимов нестационарной сети горных выработок криолитозоны
На правах рукописи
СОЛОВЬЕВ ДМИТРИЙ ЕГОРОВИЧ
методы расчета температурного и вентиляционного режимов нестационарной сети горных выработок криолитозоны
Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Якутск 2009
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук
Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН
Научный руководитель - доктор технических наук Хохолов Юрий Аркадьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Кузьмин Георгий Петрович
кандидат технических наук Слепцов Василий Иннокентьевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Якутский государственный университет
им. М.К. Аммосова»
Защита состоится 18 ноября 2009 г. в 1600 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 003.020.01 при Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН по адресу: 677018, г. Якутск, проспект Ленина, д.43,
тел/факс 8(4112)33-59-30
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГДС СО РАН.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить в адрес Института.
Автореферат разослан « » октября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
канд. техн. наук
Ткач С.М.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Добыча полезных ископаемых в районах Крайнего Севера сопряжена с целым рядом специфических сложностей, основными из которых являются наличие многолетней мерзлоты и крайне жесткие климатические условия. При подземной добыче тепловой режим горных выработок шахт и рудников в этих условиях является одним из основных факторов, определяющих технологию, безопасность и комфортность ведения горных работ.
Проблеме регулирования теплового режима шахт и рудников Севера уделяется большое внимание, разработаны различные методики расчета температурного режима в выработках и массиве горных пород. В то же время анализ методов прогноза температурного режима шахт и рудников Севера показал, что разработанные методы не отличаются универсальностью и предназначены, в основном, для прогноза тепловых условий при постоянных параметрах вентиляционной сети и длины выработок. Однако, как известно, рудник является динамично развивающимся объектом, т.к. идет постоянная проходка новых выработок, происходит ввод в эксплуатацию новых горизонтов и блоков, в вентиляционную сеть вводятся (или из нее выводятся) отдельные ветви, что влияет на формирование температурного и вентиляционного режимов рудника. В связи с этим разработка новых более совершенных методов прогноза температурного и вентиляционного режимов рудников криолитозоны с учетом развития сети выработок является актуальной научной и практической задачей.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИГДС СО РАН по проекту 25.2.3 «Особенности деформирования и разрушения геоматериалов в условиях неоднородных температурных и силовых полей», проекту 7.7.1.3 «Исследование влияния силовых и температурных полей на процессы, происходящие в верхних слоях земной коры при техногенном воздействии» (№ гос.рег. 01.2.007 06515) и хоздоговорной темы № 037-07/07 «Обосновать тепловой режим подземного рудника на Накынском поле и степень его влияния на основные производственные процессы», а также поддержана грантом президента РС(Я) для молодых ученых и студентов (№58-РП от 05.02.2008 г.)
Объект исследований: Тепловой режим и воздухораспределение в горных выработках шахт и рудников криолитозоны.
Предмет исследований: Закономерности взаимовлияния процессов теплообмена и воздухораспределения в горных выработках при ведении подземных горных работ в условиях криолитозоны.
Целью работы является разработка методов прогноза температурного и вентиляционного режимов сети подземных горных выработок рудников криолитозоны с учетом динамики развития горных работ, необходимых для разработки рекомендаций по управлению тепловыми процессами.
Идея работы заключается в совместном решении задач теплообмена и воздухораспределения в нестационарной сети горных выработок криолитозоны.
Задачи исследований:
1. Провести натурные исследования температурного режима горных выработок и окружающего массива горных пород на рудниках криолитозоны;
2. Разработать математические модели теплообмена в горных выработках с учетом фазовых переходов влаги в рудничном воздухе и горных породах, наличия теплозащитных покрытий;
3. Разработать методику расчета теплового режима и воздухораспределения в шахтах и рудниках криолитозоны с учетом нестационарности сети горных выработок.
Методы исследований – математическое моделирование тепловых процессов в горных выработках и породном массиве; методы вычислительной математики и программирования; методы теории графов; методы натурных исследований температурного режима в горных выработках и окружающем массиве горных пород.
Положения выносимые на защиту:
- Математическая модель теплообмена в горных выработках криолитозоны, учитывающая температурно-влажностные условия внешней среды, геометрические параметры, взаимовлияние соседних выработок, фазовые переходы влаги в рудничном воздухе и горных породах, позволяющая рассчитать микроклимат в выработках и ореолы протаивания вокруг них.
- Методика совместного расчета воздухораспределения и теплового режима в нестационарной сети горных выработок шахт и рудников криолитозоны, позволяющая прогнозировать расход воздуха, температуры воздуха и окружающих горных пород, а также их ореолы протаивания во всех выработках сети.
- Методика расчета температурного режима горной выработки в период проходки с учетом движения забоя, параметров вентиляции и фазовых переходов влаги в окружающем массиве горных пород.
Достоверность и обоснованность полученных автором результатов обеспечивается: строгостью и корректностью математической постановки задач воздухораспределения и теплообмена в горных выработках; использованием хорошо апробированных методов решения задач и экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана трехмерная математическая модель теплообмена в горных выработках, отличающаяся от известных тем, что учитывает температурно-влажностные условия и геометрию дневной поверхности, а также взаимовлияние соседних горных выработок;
- разработаны методика и программный комплекс совместного расчета вентиляционного и теплового режимов на рудниках криолитозоны, новизна которой заключается в том, что учитывается развитие сети горных выработок;
- разработана методика расчета температурного режима горной выработки в период проходки, новизна которой заключается в учете движения забоя и влияния условий проходки на формирование теплового режима.
Практическое значение работы заключается в том, что:
- разработанные методики и программы позволяют прогнозировать температурный и вентиляционный режимы горных выработок, температуру окружающего массива пород и ореолы протаивания в рудниках криолитозоны при развитии горных работ, которые необходимы для обеспечения безопасности и комфортности условий труда, оценки устойчивости выработок, и могут быть использованы при проектировании рудников;
- сделан расчет температурного режима проектируемого алмазодобывающего рудника на Накынском поле с учетом специфических геокриологических и климатических особенностей района, результаты расчетов переданы в институт «Якутнипроалмаз»;
- методика расчета температурного режима тупиковой выработки с учетом движения забоя позволяет выбрать рациональные режимы вентиляции в летний период проходки, при которых сохраняется мерзлое состояние окружающих пород, что способствует безопасности работ.
Личный вклад автора состоит: в разработке математических моделей и методик расчета теплового режима и воздухораспределения в горных выработках шахт и рудников криолитозоны, учитывающих динамику развития горных работ; в создании комплекса программ на основе разработанных математических моделей и методик; в проведении натурных наблюдений за температурным режимом массива горных пород на строящемся руднике «Удачный».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: семинарах и заседаниях ученого совета ИГДС СО РАН (г. Якутск), научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2006, 2007, 2008 гг.), II Всероссийской конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (г. Якутск, 2007 г.), VIII научно-технической конференции, посвященной памяти профессора Н.С. Иванова «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера» (г. Якутск, 2007 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность горного производства в РС(Я)» (г. Якутск, 2008 г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Математическое моделирование развития северных территорий российской федерации», (г. Якутск, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 10 работах, в том числе в 5 статьях, опубликованных в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и двух приложений, изложенных на 161 странице машинописного текста и содержит 61 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 129 наименований.
ОСНОВНОЕ содержание работы
В первой главе приведен аналитический обзор научных работ, посвященных проблемам математического моделирования процессов теплопереноса в горных породах с учетом фазовых переходов поровой влаги, методам расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях шахт и рудников, а также прогноза теплового режима тупиковых горных выработок.
Проблемами регулирования теплового режима шахт и рудников Севера занимались Ю.Д. Дядькин, П.Д. Чабан, Ю.В. Шувалов, В.Н. Скуба, А.Ф. Галкин, А.Ф. Зильберборд, Е.Е. Петров, В.А. Шерстов, В.Ю. Изаксон и др. Анализ их работ показал, что методики расчета температурного режима выработок разработаны для одиночных выработок. Совместное решение задач теплового режима и воздухораспределения в стационарной сети горных выработок рассмотрено в работах Ю.А. Хохолова.
Дальнейшее развитие методов расчета и управления тепловым режимом шахт и рудников криолитозоны требует учета не только вентиляционного режима, но и динамики развития горных работ, так как добавление или погашение отдельных, либо совокупности горных выработок, приведет к изменению параметров воздухораспределения и теплового режима во всей сети выработок.
Вопросам прогнозирования теплового режима в тупиковых горных выработках посвящены работы А.Н. Ягельского, А.Ф. Воропаева, А.Е. Величко, А.Н. Щербаня, В.П. Черняка, Н.А. Брайчевой, Э.Н. Малашенко, Л.Б. Зимина, А.Ф. Галкина и др. В их работах выработка рассматривалась с неизменяющимися во времени длиной и контуром, не учитывалось влияние скорости проходки выработки на формируемый тепловой режим. В действительности постоянное перемещение груди забоя после каждого проходческого цикла и, соответственно, циклическое обнажение массива горных пород с естественной температурой, а так же регулярное наращивание вентиляционного трубопровода по мере продвижения забоя непосредственно влияют на температуру воздуха в выработке.
Вторая глава посвящена математическому моделированию теплообмена вентиляционного воздуха с окружающими горными породами с учетом наличия теплоизоляции и фазовых переходов влаги в породах.
При расчетах температурного режима сети горных выработок, а также в расчетах количества циклов замораживания-оттаивания горных пород вокруг выработок при наличии комбинированной крепи, применялась осесимметричная постановка задачи теплообмена воздуха в горных выработках с окружающим массивом пород. Рассматриваемый массив горных пород вокруг выработки представляет собой область в виде полого цилиндра. Уравнение сохранения энергии в выработке имеет вид:
(1)
где Тв –температура воздуха в выработке, С; Tст – температура стенки выработки, С; Св – объемная эффективная теплоемкость влажного воздуха, Дж/(м3К); t – время, с; v –скорость воздуха выработке, м/с; x – продольная координата, м; - коэффициент теплообмена между рудничным воздухом и стенками выработки, Вт/(м2·К); q – тепловыделения поступающие в воздушную среду из различных источников тепла расположенных в выработке (Вт/м); Rв и L – соответственно радиус и длина выработки, м.
Объемная эффективная теплоемкость воздуха рассчитывается с учетом влажности и температуры по формуле:
(2)
где cв, в (cп, п) – удельная теплоемкость (Дж/(кгК)) и плотность (кг/м3) соответственно для сухого воздуха (пара); r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; n1- коэффициент, зависящий от температуры, 1/°С; - относительная влажность воздуха, доли единицы.
Коэффициент n1 учитывает зависимость влагосодержания, насыщенного водяными парами воздуха, от его температуры:
(3)
Плотность пара рассчитывается по следующей формуле:
(4)
где Rп – газовая постоянная пара, Дж/(кгК).
Распространение тепла в слое теплоизоляции описывается следующим уравнением теплопроводности:
0 х L, Rв-из <R<Rв, (5)
Tи – температура теплоизоляции, °С; си, и и и – соответственно удельная теплоемкость (Дж/(кгК)), плотность (кг/м3). и коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)) теплоизоляции; R – радиальная координата, м; из – толщина теплоизоляции, м.
Расчет изменения температуры в слое теплоизоляции в отличие от традиционно принятого подхода, когда изоляция рассматривается как термическое сопротивление, позволяет учесть инерционность распространения тепла в теплоизоляционном слое.
На границе раздела теплоизоляция - горная порода задается граничное условие IV рода:
(6)
где T – температура горных пород, °С; - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(мК).
На поверхности теплоизоляции задается граничное условие III рода:
, R=Rв - из. (7)
Процесс распространения тепла в массиве горных пород с учетом фазовых переходов влаги описывается следующим двухмерным уравнением теплопроводности:
0 х L, (8)
(9)
где c1, 1, 1 (c2, 2, 2) - удельная теплоемкость (Дж/(кгК)), плотность (кг/м3) и коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)) соответственно для мерзлых (талых) пород; Lф - скрытая теплота фазовых переходов, Дж/кг; - весовая влажность пород, доли единицы; Т* -температура фазовых переходов, °С; (T-T*) - дельта-функция Дирака.
Численная реализация математической модели осуществлялась конечно-разностным методом суммарной аппроксимации, который сводит многомерную задачу к последовательному решению одномерных задач. Одномерные задачи аппроксимировались неявными разностными схемами сквозного счета.
Двухмерные модели в цилиндрических координатах не в полной мере учитывают геометрию горных выработок и неоднородность окружающих пород. В отдельных случаях учет трехмерности крайне необходим, например, когда выработки расположены рядом в пределах их теплового взаимовлияния, а также при близком расположении к дневной поверхности.
Разработана математическая модель теплообмена двух близко расположенных горных выработок с окружающим массивом пород, которая также учитывает теплообмен с атмосферным воздухом на дневной поверхности. Схема расчетной области представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема расчета теплового взаимодействия двух близко расположенных выработок.
Математическая модель описывается трехмерным уравнением теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги в породах, уравнениями сохранения энергии в выработках, граничными и начальными условиями:
(10)
На границах теплового влияния области потоки тепла отсутствуют. На поверхности при у=0 задаем следующее краевое условие:
(11)
где 1- коэффициент теплообмена поверхности земли с атмосферным воздухом, Вт/(м2К); T2 - температура наружного воздуха, °С.
Уравнение сохранения энергии для воздуха в первой выработке имеет вид:
(12)
где T3 - температура воздуха в первой выработке, °С; S – площадь сечения выработки, м2.
Аналогичный вид имеет уравнение сохранения энергии для воздуха во второй выработке.
Начальные распределения температур в окружающем массиве пород и в выработках, а также значения температуры воздуха на входе в выработку – задаются.
Коэффициент конвективного теплообмена поверхности грунта с атмосферным воздухом рассчитаем по формуле:
(13)
где vв - скорость ветра, м/с.
Для численной реализации математической модели использовались те же методы, что и в двухмерной модели, при этом учет теплового взаимовлияния соседних выработок осуществляется методом итераций.
В третьей главе представлены методика расчета воздухораспределения и теплового режима сети горных выработок с учетом динамики развития горных работ и разработанный на ее основе программный комплекс, а также результаты численного моделирования температурного и вентиляционного режимов проектируемого подземного алмазодобывающего рудника.
В основу методики положены две математические модели. Первая из них описывает тепловой режим в выработках криолитозоны и приведена во второй главе, а вторая модель описывает распределение воздушных потоков в сети горных выработок с учетом температурных условий (естественной тяги) и работы вентиляторов.
Решение задачи воздухораспределения сводится к решению системы уравнений, составленных на основании первого (14) и второго (15) законов Кирхгофа для шахтных вентиляционных сетей:
(14)
(15)
(16)
qj – расход воздуха в j-й выработке, м3/с; rj – аэродинамическое сопротивление j-й выработки, Нс2/м8; j – плотность воздуха в j-й выработке, кг/м3; c, – стандартная плотность воздуха, кг/м3; hвj – депрессия j-го вентилятора, Па; zн, zк - геодезические высоты соответственно в начале и конце ветви, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; ai – определяются по характеристике вентиляторов; аij,
,
- параметры сети.
В отличие от модели, разработанной Ю.А. Хохоловым, в данной работе предлагается методика расчета воздухораспределения и теплового режима рудника, учитывающая развитие сети горных выработок. Блок-схема методики представлена на рисунке 2. Новизна методики состоит в том, что весь расчетный период работы рудника условно разбивается на отдельные этапы. Вначале каждого этапа (ti_нач) происходит добавление в сеть новых ветвей и узлов, а в конце этапов (ti_кон) определенные ветви и узлы исключаются из сети. Добавление и удаление ветвей в корне изменяет состояние сети и, соответственно, изменяются параметры уравнений законов Кирхгофа. Результаты расчетов температурных полей в выработке и окружающем массиве пород в конце i-го этапа работы рудника сохраняются и служат исходными данными при расчетах i+1 этапа.
Методика реализована в виде программного комплекса, обладающего следующими возможностями: интерактивный ввод теплофизических характеристик горных пород, информации о топологии вентиляционной сети; просмотр рассчитанных данных в табличном виде и их распечатку на принтере; графический просмотр всей сети в двух и трехмерном режиме.
 |
| Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма методики. |
С использованием разработанного программного комплекса были проведены расчеты температурного и вентиляционного режимов при проектировании подземного алмазодобывающего рудника на Накынском поле при различных вариантах вскрытия и отработки двух рядом расположенных трубок «Нюрбинская» и «Ботуобинская».
В качестве примера приводится один из вариантов расчета, когда проветривание горных выработок осуществляется по фланговой схеме. Свежий воздух подается по клетевому стволу (КС) основной промышленной площадки рудника, с выдачей исходящей струи через скиповой ствол (СС), а также через вспомогательный скиповой ствол (ВСС) расположенный на дополнительной промышленной площадке у трубки «Нюрбинская».
Поскольку в выработках поддерживается положительный температурный режим (не менее +20С на воздухоподаче ствола КС) и расходы воздуха достаточно большие, происходит прогрессирующее протаивание окружающих мерзлых горных пород. Максимальная глубина оттаивания вокруг стволов на отметке +254 в конце их эксплуатации будет: для ствола КС - 10,5 (рис. 3); для ствола СС – 8,9 м; для ствола ВСС - 8,2 м (рис. 4). Наиболее интенсивное протаивание происходит в первые годы.
Как видно из рисунка 4, интенсивность протаивания вокруг ствола ВСС на отметке +254 снижается в 6, 11 и 17 годы от начала эксплуатации рудника. На отметке -30 снижение интенсивности протаивания наблюдается в 11 и 17 годы. Подобная картина наблюдается и на скиповом стволе. Это связано с введением крупных блоков горных выработок в вентиляционную сеть, например в 6 и 11 годы были введены новые выработки на горизонтах -30 и -130. В результате теплообмена с мерзлыми окружающими горными породами происходит интенсивное охлаждение вентиляционного воздуха, что приводит к временному уменьшению скорости протаивания пород вокруг воздуховыдающих стволов.
 Рисунок 3 – Динамика глубины протаивания вокруг КС. |  Рисунок 4 – Динамика глубины протаивания вокруг ВСС. |
Полученные расчетные значения по глубине оттаивания вокруг вентиляционных стволов и горизонтальных выработок рудника использованы при выборе параметров крепи.
В четвертой главе приведено описание математической модели для расчета температурного режима выработки в период ее проходки. В отличие от существующих моделей теплообмена в тупиковых выработках разработанная модель позволяет учесть изменение ее длины.
В общем виде математическая модель аналогична двухмерной модели описанной во второй главе. Дополнительно учитываются теплообмен между вентиляционным воздухом в выработке и воздухом в вентиляционном трубопроводе, а также теплообмен с забоем выработки и транспортируемой по выработке отбитой горной массой.
Уравнения сохранения энергии в вентиляционном трубопроводе и выработке имеют следующий вид:
(17)
(18)
где Т1 и Т2 – соответственно температура воздуха в трубопроводе и выработке, С; R1 и R2 соответственно радиус трубопровода и выработки, м; 1- коэффициент теплопередачи от воздуха внутри трубопровода к рудничному воздуху через его стенку, Вт/(м2·К); v1 и v2 – соответственно скорость воздуха в трубопроводе и выработке, м/с; 2- коэффициент теплообмена между рудничным воздухом и стенками выработки, Вт/(м2·К); Tст – температура стенки выработки, С.
Температура воздуха в выработке при x = L рассчитывается по следующей формуле с учетом теплообмена с забоем выработки:
(19)
где 3 – коэффициент теплообмена со стенкой забоя, Вт/(м2·К); G – расход воздуха, м3/с; l1 – расстояние между концом трубы и забоем, м; 
- средняя температура стенки забоя, 0С.
Алгоритм расчета температурного режима тупиковых выработок следующий: 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 проходки. 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 до окончания проходки выработки.
На основе разработанной модели были проведены численные эксперименты по расчету теплового режима тупиковой выработки при различных скоростях подвигания забоя, режимах проветривания, температуры подаваемого в выработку воздуха и свойств пород.
На рисунке 5 показаны глубины протаивания вмещающих пород при различных скоростях подвигания забоя на момент достижения забоем длины 180 м. Расчеты проводились при следующих параметрах: режим проветривания постоянный нагнетательный; расход воздуха 144 м3/мин (принимаемый по фактору разжижения газов после взрывных работ); температура подаваемого в выработку воздуха +10 0С; естественная температура пород –4 0С; теплопроводность талых и мерзлых пород соответственно 1,6 и 2,0 Вт/(мК); теплоемкость сухой породы 900 Дж/(кгК); плотность породы 1800 кг/м3; влажность породы 0,1, 0,2 и 0,3 д.е.
 |
| Рисунок 5 - Глубина протаивания пород вокруг выработки при достижении длины 180 м для различных скоростей подвигания забоя. Температура и расход воздуха соответственно +10 0С и 144 м3/мин. |
При трехсменном (восьмичасовом) режиме работы и скоростях подвигания забоя 1,5, 2 и 3 м в смену забой выработки переместится на расстояние 180 м соответственно через 40, 30 и 20 суток.
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 протаивания в устьевой части, что положительно влияет на устойчивость выработки. Через 20 суток глубина оттаивания пород вокруг выработки на входе будет при скоростях подвигания забоя: 1,5 м/смену – 0,18 м; 2 м/смену – 0,16 м; 3 м/смену – 0,13 м. То есть увеличение скорости подвигания забоя приводит к снижению интенсивности протаивания окружающих горных пород.
 |
| Рисунок 6 - Глубина протаивания при достижении длины выработки 180 м, скорости подвигания забоя 2 м/смену, температуре поступающего воздуха +10 0С для различных режимов проветривания выработки. |
При переменном режиме проветривания на такие технологические операции как бурение шпуров, взрывные работы и уборка породы, подается максимальное из рассчитанных значений расхода воздуха Qmax. В тоже время при креплении горных выработок и вспомогательных работах достаточно подавать минимально необходимое его количество Qmin.
На рисунке 6 приведены графики глубины протаивания при постоянном и переменном режимах проветривания выработки. При переменном режиме проветривания в течении 3,75 ч максимальный расход воздуха Qmax равнялся 144 м3/мин, а в течении 4,25 ч расход воздуха составлял Qmin=72 м3/мин.
Как видно из рисунка 6, при переменном режиме проветривания ореол протаивания пород на входе в выработку уменьшается примерно в два раза с 0,23 до 0,12 м, а длина призабойного участка, породы вокруг которого остаются мерзлыми, увеличивается в два раза с 30 до 60 м по сравнению с постоянным режимом.
Снижение температуры поступающего в выработку воздуха до +5 0С и ниже позволяет сохранить окружающий массив горных пород в мерзлом состоянии при постоянном режиме проветривания при расходах Q до 144 м3/мин, а при переменном режиме при расходах Qmax до 300 м3/мин.
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 применяя рациональный режим вентиляции, параметры которого могут быть рассчитаны по разработанной модели.
В пятой главе приводятся результаты исследований температурного режима массива горных пород вокруг вентиляционных скважин, пройденных с уступа борта карьера на горизонте +115 строящегося рудника "Удачный". Задача возникла в связи с тем, что вентиляционные скважины расположены близко к откосу уступа, их тепловое влияние в летний период может негативно сказаться на его устойчивости.
 |
| Рисунок 7 – Схема расчета теплового взаимодействия вентиляционных скважин и откоса борта карьера. |
Для прогноза температурного режима была использована разработанная трехмерная математическая модель, описанная во второй главе. Схема расчетной области для поставленной задачи приведена на рисунке 7.
Расстояние между скважинами составляет 5 м, а крайняя скважина пройдена на расстоянии 12 м от кромки уступа борта карьера. Угол откоса равен 70. Параметры горных пород следующие: естественная температура –4 0С; теплопроводность талых и мерзлых пород соответственно 1,5 и 1,52 Вт/(мК); теплоемкость сухой породы 980 Дж/(кгК); плотность 2525 кг/м3; влажность 2%.
Были проведены численные расчеты на период до 10 лет эксплуатации скважин при естественном тепловом режиме и подогреве поступающего в скважины воздуха в зимний период до -10 0С.
  |
| Рисунок 8 – Температурные изолинии в конце лета 10-го года при естественном тепловом режиме: а – вертикальное сечение, b – горизонтальное сечение на глубине 8 м. |
Для примера на рисунке 8 показаны температурные изолинии на конец лета 10-го года эксплуатации вентиляционных скважин при естественном тепловом режиме. Как видно из графиков, к концу лета происходит протаивание пород со стороны склона борта и вокруг вентиляционных скважин на глубину до 3 м, а ореолы протаивания вокруг скважин смыкаются и температура пород в средней части составляет примерно 0 - +1 С. Горные породы между I-й скважиной и бортом карьера находятся в мерзлом состоянии с температурой -5 С.
При подогреве поступающего воздуха до -10 С температура горных пород между скважиной и склоном борта карьера на этот же момент времени будет -3С.
В 2007-2008 гг. нами проводились наблюдения за тепловым режимом на строящемся руднике «Удачный», в том числе за температурным состоянием пород вокруг вентиляционных скважин, расположенных на уступе северного борта карьера. Были пробурены 4 геотермические скважины глубиной 20-40 м, в которых размещались термогирлянды. Замеры температур производились с периодичностью две недели в течение с апреля по декабрь 2008 г. Полученные результаты замеров были использованы для проверки адекватности разработанной математической модели.
Совпадение расчетных и измеренных значений температур было удовлетворительным. В качестве примера на рисунке 9 приведены распределения температуры горных пород по глубине на 01.09.2008, полученные по результатам наблюдений на замерной станции ТС-3-40 (расположена посередине между вентиляционными скважинами) и значений, полученных расчетным путем.
 |
| Рисунок 9 – Температура горных пород на измерительной станции ТС-3-40, расположенной между вентиляционными скважинами по данным замеров и результатам расчетов (01.09.2008). |
Отклонение расчетных и измеренных температур горных пород на глубине свыше 10 метров находилось в пределах точности измерений температуры. На глубине до 4 метров в зоне интенсивного влияния поверхности отклонение измеренных и расчетных температур не превышало 2 С.
Таким образом, как показали проведенные расчеты на период до 10 лет горные породы между вентиляционными скважинами и бортом карьера сохраняются в мерзлом состоянии круглый год и наличие скважин в данном случае не оказывает отрицательного влияния на устойчивость уступа, происходит лишь сезонное оттаивание пород.
Заключение
В диссертационной работе дано решение актуальной научно-практической задачи прогноза температурного и вентиляционного режимов рудников криолитозоны: разработаны модели, алгоритмы и программы расчета температурного и вентиляционного режимов сети горных выработок криолитозоны, отличающиеся тем, что учитывают развитие сети и динамику проходки выработок, что позволяет повысить точность и информативность расчетов тепловых и вентиляционных режимов шахт и рудников криолитозоны.
Основные результаты и выводы, полученные лично автором, заключаются в следующем:
- Разработана трехмерная математическая модель теплообмена в горных выработках, отличающаяся от известных тем, что учитывает температурно-влажностные условия и геометрию дневной поверхности, а также взаимовлияние двух близко расположенных горных выработок.
- Разработаны методика и программный комплекс совместного расчета вентиляционного и теплового режимов сети горных выработок на рудниках криолитозоны, новизна которой заключается в том, что разработанная методика учитывает развитие сети выработок и позволяет прогнозировать динамику изменений расхода и температуры воздуха, а также ореолы протаивания во всех выработках вентиляционной сети.
- Методика расчета температурного режима горной выработки в период проходки позволяет выбрать рациональные режимы вентиляции выработки в летнее время, при которых сохраняется мерзлое состояние окружающих пород, что положительно влияет на устойчивость выработки.
- Сделан расчет температурного и вентиляционного режимов проектируемого алмазодобывающего рудника на Накынском поле. Рассчитаны температурные условия и расходы воздуха в выработках, ореолы протаивания вокруг них при поэтапном вводе новых блоков на весь период работы рудника, в частности максимальная глубина протаивания вокруг клетевого ствола за период эксплуатации составит 10,5 м, скипового ствола – 8,9 м, и вокруг вспомогательного скипового ствола – 8,2 м.
- Проведенные расчеты температурного режима массива горных пород вокруг вентиляционных скважин, пройденных с уступа борта карьера на горизонте +115 строящегося рудника "Удачный" на период эксплуатации до 10 лет, показали, что горные породы между вентиляционными скважинами и бортом карьера сохраняют мерзлое состояние круглый год и наличие скважин в данном случае не оказывает отрицательного влияния на устойчивость уступа, происходит лишь сезонное оттаивание пород. Сравнение результатов расчета температурного режима с данными натурных наблюдений за двухлетний период показало удовлетворительное совпадение, что доказывает адекватность разработанной модели.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК Минобрнауки
- Курилко, А.С. Математическая модель для расчета количества циклов замораживания-оттаивания горных пород в выработках криолитозоны [Текст] / А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев // Горн. информ.-аналит. бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород».-2006. - С.211-220.
- Хохолов, Ю.А. Тепловое взаимодействие мерзлого массива пород и центрально-сближенных скважин, пройденных с уступа глубокого карьера [Текст] / Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко, Д.Е. Соловьев // Горн. информ.-аналит. бюллетень. -2008.-№7. - С.234-239.
- Соловьев, Д.Е. Расчет неравномерной теплоизоляции при знакопеременном тепловом режиме в горной выработке криолитозоны [Текст] / Д.Е. Соловьев // Горн. информ.-аналит. бюллетень. -2008. -№10. - С.263-267.
- Хохолов, Ю.А. Температурный режим многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ [Текст] / Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев //Горн. информ.-аналит. бюллетень. -2009. №4.- С.177-182.
- Хохолов, Ю.А. Прогноз теплового режима рудника с учетом динамики развития горных работ [Текст] / Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев // Горн. информ.-аналит. бюллетень. -2009.-№5. - С.270-275.
Прочие издания
- Соловьев, Д.Е. Расчет неравномерной теплоизоляции в горной выработке криолитозоны [Текст] / Д.Е. Соловьев // «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодыx»: 2 Международная научная школа молодых ученых и специалистов, Москва, 3-8 октября 2005 г. – М.:ИПКОН РАН, 2005. – С. 67-69.
- Соловьев, Д.Е. Программа расчета воздухораспределения и теплового режима сети горных выработок криолитозоны [Текст] / Д.Е. Соловьев // Материалы VII межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов, посвященной 50-летию Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова. – Нерюнгри, 2006. – С.46-47.
- Соловьев, Д.Е. Расчет воздухораспределения и теплового режима сети горных выработок криолитозоны с использованием ЭВМ [Текст] / Д.Е. Соловьев // «Информационные технологии в науке, образовании и экономике»: материалы II Всероссийской научной конференции, Якутск, 6-8 ноября 2007 г. – Якутск: Изд-во ЯГУ, 2007. – Ч. 2. – С.71-73.
- Соловьев, Д.Е. Математическое моделирование тепловых процессов в тупиковых выработках шахт и рудников криолитозоны [Текст] / Д.Е. Соловьев, Ю.А. Хохолов // «Математическое моделирование развития северных территорий РФ»: материалы Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Якутск, 23-25 мая 2008 г. – Якутск: Изд-во ЯГУ, 2008. – С.43-44.
- Соловьев, Д.Е. Совместное решение задач теплообмена и воздухораспределения в руднике криолитозоны с учетом динамики развития горных работ [Текст] / Д.Е. Соловьев // «Безопасность горного производства в республике Саха (Якутия)»: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию д.т.н., проф., действ. члена АГН РФ Е.Н. Чемезова. – Якутск, 2008. – Якутск: Изд-во ЯГУ, 2008. – С.64-66.
