Влияние температурного фактора на безопасность и эффективность ведения подземных горных работ в криолитозоне

Науки о Земле

УДК 622.807; 622.4

Воронов Евгений Тимофеевич Eugeny Voronov

Бондарь Ирина Алексеевна Irina Bondar

влияние температурного фактора на безопасность и эффективность ведения подземных горных работ в криолитозоне

influence of temperature on safety AND efficiency OF UNDERGROUND MINING

in cryolithic zone

Приведены геокриологические условия и тепловой режим подземных горных выработок на основных месторождениях Сибири и северо-восточных регионов России. Описаны криогенно-технологические осложнения по температурному фактору, характерные для рудников Севера

Ключевые слова: многолетняя мерзлота, подземные горные работы, температурный фактор, безопасная технология

The article describes geocryological conditions and thermal environment of underground mine workings driven on main deposits of Siberia and in north-eastern areas of Russia. Cryogenic and technological complications, caused by the temperature and peculiar for northern mines, are also described

Key words: permafrost, underground mining, temperature factor, safe technology

На районы многолетней мерзлоты (кри-олитозону) приходится более 50 % всей территории России. В этих районах сосредоточена подавляющая часть разведанных и прогнозных запасов таких важнейших полезных ископаемых, как золото, алмазы, олово, вольфрам, медь, сурьма, ртуть, никель, пьезооптическое сырье и других элементов. Уже в настоящее время в северовосточных регионах России добывается 98 % алмазов, 90 % никеля и платины, 70 % золота, 50 % олова, 90% сурьмы от общего объема добываемой в России продукции. Однако горнопромышленное освоение этих месторождений связано с проблемой эффективности и безопасности ведения подземных горных работ, на которые огромное

влияние оказывает многолетняя мерзлота.

Основными факторами, определяющими возникновение различных криогенно-технологических осложнений при подземной добыче полезных ископаемых на рудниках Севера, являются:

— температура мерзлых пород и шахтного воздуха и их знакопеременность по времени;

— суровые природно-климатические условия;

— обводненность месторождений [1].

Геокриологические условия и естественный тепловой режим горных выработок на ряде рудников и месторождений северовосточных регионов России приведены в табл. 1.

Таблица 1

Геокриологические условия и естественный тепловой режим горных выработок на ряде рудников и месторождений северо-восточных регионов России

Месторождение

I тип

Удоканское

Каральвеемский

Дукатский

Майское

Ирокиндинский

Карамкенский

Депутатский

Сулуматское

II тип

Нежданинский (р) 200 -10 -5 + -5 +

Холбинский (р) 250 -5,1 +1.-5 +2.-5

Перекатный (р) 150 -5 -4 + -5 +

Додо (р) 100 -3,2 -2 + -5 +

Желанный (р) 100 -3,5 +1.-3 +2.-4

Многовершинный (р) 50 -3,0 +6.-1 + оо 2

Бом-Горхонский (р) 70 -3,0 -2 + -2 +

Холоднинское (м) 150 -5 +2.-4 +2.-4

Как видно из табл. 1, влияние многолетней мерзлоты и суровых климатических условий проявляется, прежде всего, в формировании теплового режима выработок. Для первой группы месторождений, полностью расположенных в криолитозоне, характерны круглогодичные отрицательные температуры шахтного воздуха (— 1 ... —

10 °С). Для второй группы месторождений,

расположенных как в зоне мерзлоты, так и таликов, характерны знакопеременные температуры шахтного воздуха (+5 ... — 5 С) в зависимости от высотных отметок горизонтов и времени года. Наиболее характерные технологические осложнения, возникающие при ведении подземных горных работ на рудниках Севера, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технологические осложнения, возникающие при ведении подземных горных работ на рудниках Севера

№ п/п Наименование технологических осложнений Характерные причины

1 Перемерзание систем водоснабжения (трубопроводов, шлангов, перфораторов) Несоответствие пылеподавляющей жидкости и системы водоснабжения микроклиматическим условиям в забоях

2 Смерзаемость отбитой горной массы в рудоспусках, магазинах и проходческих забоях. Обледенение шпуров, полков, оборудования Несоответствие концентрации растворов хлористого натрия температуре пород и шахтного воздуха

Окончание табл. 2

№ п/п Наименование технологических осложнений Характерные причины

3 Замерзание водоотливных систем (канав) и наледеоб-разование в воздухоподающих откаточных выработках в зимний период Переохлаждение водоотливных откаточных горных выработок (штолен) в зимнее время

4 Образование снего-ледяных пробок в вентиляционных трубопроводах Интенсификация конденсационных процессов при резком охлаждении исходящего влажного шахтного воздуха

5 Налипание и примерзание увлажненной горной массы к стенкам вагонеток в зимнее время Низкая отрицательная температура на поверхности

6 Переохлаждение горнорабочих при активной вентиляции забоев Отрицательная температура шахтного воздуха

7 Снижение несущей способности и устойчивости мерзлых пород Растепление горных выработок в летний период

8 Увеличение пылеобразующей способности многолетнемерзлых горных пород при их разрушении Повышение прочности и хрупкости горных пород при отрицательной температуре

Обобщение отечественного опыта ведения подземных горных работ в криолитозоне позволяет выделить два основных типа технологических осложнений по механизму их возникновения на рудниках Севера [1, 2].

К I типу относятся криогенно-технологические осложнения, вызванные переходом воды из одного агрегатного состояния в другое. Сюда относятся перемерзание систем водоснабжения (трубопроводов, шлангов и т.д.); смерзаемость отбитой горной массы (руды) в «магазинах», рудоспусках, проходческих забоях; замерзание водоотливных систем и возникновение подземных наледей в откаточных и воздухопадающих выработках; снижение несущей способности и устойчивости мерзлых пород; увеличение пылеобразующей способности мерзлых

горных пород при их разрушении; налипание и примерзание увлажненной горной массы к стенкам вагонеток и т.д.

II тип технологических осложнений обусловлен конденсационными явлениями при знакопеременной температуре горных пород и шахтного воздуха (образование снего-ледяных пробок в вентиляционных трубопроводах и пневмосетях).

Одним из серьезных технологических осложнений при внедрении средств гидрообеспыливания в условиях многолетней мерзлоты является смерзаемость отбитой руды в проходческих забоях и очистных блоках. Для примера на рис. 1 приведены затраты времени на ряд процессов горного производства в зависимости от температуры многолетнемерзлых горных пород.

Еї

&

ї I 01 й -к £ в ё

“ 'і й &

& Й и £

ни ^

А А

Ё ^ й с & н й сс

•У д д А

д д ** , • "-1 . А К О

д о _ о~ -гз Ж 3 >-

\! — -а-гГ

0 -1 -2 ' -3 -4 -5 -6

Температура пород, °С

-7

Рис. 1. Затраты времени на бурение 1 м погонной длины шпура (1); настилку 1 м погонной длины путей (2); уборку 1 т породы (3); люковую погрузку руды (4) в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород при использовании чистой воды для гидрообеспыливания

Как видно из рис. 1, негативное влияние смерзаемости отбитой горной массы наиболее сильно начинает проявляться в интервале отрицательной температуры —

3...5 С. При этом решающую роль фактор смерзаемости играет при проходке вертикальных горных выработок и очистной выемке с маганизированием руды, т.е. в тех случаях, когда отбитая влажная горная масса длительное время может находиться в условиях отрицательных температур (рудоспусках и «магазинах»).

На основании выполненных лабораторных и производственных исследований на рудниках Севера установлено, что при температуре горных пород от 0 до минус 3 С вполне допустимо применять для гидрообеспыливания теплую воду, а при более низкой температуре растворы хлористого натрия. На горнопроходческих работах в условиях более низких отрицательных температур можно занижать концентрацию раствора хлористого натрия, учитывая время погрузки, продолжительность и харак-

тер смерзания горной массы [3].

При использовании для гидрообеспыливания чистой воды в условиях умеренных отрицательных температур (до — 3 С) для предотвращения смерзаемости руды в очистных блоках с магазинированием руды обоснован и испытан метод продувки через отбитую руду теплого воздуха с помощью блокового вентилятора, который назван воздушно-тепловой обработкой руды.

Основными параметрами, характеризующими эффективность воздушно-тепловой обработки руды, являются расход подаваемого воздуха О (м3/с) и его начальная температура О (С). При допущениях о возможности пренебрежения теплообменом подогретого воздуха с вмещающими породами, представления сложного фильтрационного потока плоскопараллельным и моделирования рудных отдельностей сферами с эквивалентным радиусом Rэкв эти величины находятся из уравнения теплового баланса, решение которого относительно расхода подаваемого воздуха имеет вид

в =

К К Б (Тп - 0,5£ - 0,5£ ) - Ьг в О Р - Р~) I агр рк 0 2 1 р с р 1 2'

Р ср

г У 2 - у

где Кагр, Кт — соответственно коэффициенты агрегатных переходных влаги и нестационарного теплообмена между воздухом и рудными отдельностями, Вт/(м2°С);

Sр — площадь поверхности руды в «магазине», м2;

Т — начальная температура пород и руды, °С;

в — коэффициент массоотдачи, кг/ м2сПа;

р — плотность воздуха, кг/м3; г — удельная теплота конденсации (испарения влаги), Дж/кг;

фср — средняя относительная влажность воздуха в «магазине»;

t2 — температура воздуха на выходе из «магазина», °С;

Р , Р2 — парциальное давление в воздухе насыщенного пара при средней температуре фильтрующегося воздуха tср = 0,5

и температуре поверхности рудных отдельностей Т .

пов

Длительность периода воздушно-тепловой обработки руды тобр при прочих равных условиях можно оценить, исходя из времени выпуска руды из «магазина» траб. Соотношение между траб и тобр определяется продолжительностью восстановления температурного поля в массиве отбитой руды и ориентировочно устанавливается по формуле

т /т = сов2

оор/ рао ' пов ср/' ' 0 ср/ ' '

Суммарный расход энергии на воздушно-тепловую обработку Ш = 1,005Gp

где t0 — температура воздуха перед калориферной группой, °С.

Технологическая схема воздушно-тепловой обработки очистного блока с магази-нированием руды представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема воздушно-тепловой обработки очистного блока:

1 - вентиляционная дверь; 2 - ляда; 3 - выпускной люк; 4 - вентилятор СВМ-5;

5 - электрокалорифер СФО-40

Производственные испытания при выпуске руды в зимнее время показали, что продувка блока в течение 3...4 дней обеспечивает нормальный режим выпуска в течение 10...15 дней без зависаний отбитой горной массы. Воздушно-тепловая обработка блоков необходима там, где для гидрообеспыливания применяется чистая вода (без антифризных добавок). При этом необходимое время продувки составляло двое суток на каждый градус температуры мерзлых пород.

При отрицательных температурах шахтного воздуха возрастает трудоемкость производственных процессов как из-за дополнительных затрат энергии горнорабочих, идущей на преодоление сопротивления громоздкой теплой спецодежды при физическом труде, так и из-за горнотехнических причин, вызванных осложнением технологических операций и эксплуатации горных машин и механизмов в условиях отрицательных температур. Сильное охлаждающее действие вентиляции способствует росту количества простудных заболеваний и вибрационной болезни, увеличению утом-

ляемости горнорабочих и, как следствие, производственному травматизму.

Анализ микроклиматических и аэродинамических параметров проветривания показывает, что на подземных горных работах с естественным тепловым режимом северо-востока в 30...40 % всех проходческих забоев при использовании обеспыливающего проветривания создаются дискомфортные по температурному фактору условия труда горнорабочих. При этом на 15...20 % возрастает трудоемкость процессов из-за дополнительных затрат энергии, идущей на преодоление сопротивления громоздкой теплой спецодежды, увеличивается утомляемость, затрудняется применение средств гидрообеспыливания.

Для создания приемлемых микроклиматических условий труда горнорабочих авторами рекомендован и испытан локальный подогрев шахтного воздуха непосредственно в зоне призабойного пространства с использованием переносных забойных электрокалориферов. Подогрев воздуха осуществлялся электрокалорифером типа СФО с трубчатыми оребренными нагрева-

телями, сблокированными с работой забойного вентилятора. Схема локального подогрева и динамики температуры шахтного воздуха в проходческом забое приведена на рис. 3.

Наряду с улучшением климатических условий работы отпадает необходимость в использовании для мокрого пылеподавле-ния растворов хлористого натрия, ускоря-

ющих коррозию горного оборудования.

С учетом имеющегося опыта использования локального подогрева шахтного воздуха на угольных шахтах Крайнего Севера и по комфортным условиям рекомендуемая температура воздуха в зоне призабойного пространства должна быть в пределах

2...4 °С.

20 40 60 80 100 120 Ш

Расстояние от забоя, м

Рис. 3. Изменение температуры вентиляционной струи при локальном подогреве шахтного воздуха: а) схема расположения электрокалориферов:

1 - электрокалорифер СФО-20; 2 - вентилятор ВМ-6;

3 - нагнетательный вентилятор вМ-5; 4 - шпуры для замера ореола оттаивания мерзлых пород; б) график изменения температуры воздуха в забое:

5 - за калорифером; 6 - в нагнетательном трубопроводе; 7 - в призабойной зоне; 8 - при естественном тепловом режиме

Локальный подогрев по данной схеме повышает температуру рудничного воздуха только в месте производства работ. В остальных выработках температура воздуха остается отрицательной, что обеспечивает необходимую устойчивость выработок без дополнительного крепления. Снижение опасности оттайки мерзлого массива в забоях осуществляется периодической переноской забойных вентиляторов местного проветривания, предусмотренной техноло-

гией проходки выработок. Опыт применения локального подогрева воздуха показал его эффективность как для улучшения микроклиматических условий труда, так и для снижения технологических осложнений в рабочих забоях.

Одним из отрицательных технологических осложнений при проходке тупиковых горных выработок (штолен) в условиях Крайнего Севера является закупорка вентиляционных трубопроводов на устьях

штолен льдом и снегом вследствие активных конденсационных процессов в трубопроводах при движении влажного шахтного воздуха от забоев к устью. В зимний период, как правило, на протяжении 300...400 м вентиляционные трубопроводы на 60...80 % по сечению забиваются инеем (снегом), что требует периодической (2 раза в месяц) остановки горнопроходческих работ, разборки вентиляционных трубопроводов, их

очистки и повторной сборки.

Для проветривания длинных тупиковых выработок для условий многолетней мерзлоты разработан антиобледенитель-ный секционный способ проветривания с промежуточным сбалансированным подсосом холодного воздуха. Принципиальная схема секционной схемы проветривания (из 4 секций) приведена на рис. 4.

Рис. 4. Многосекционная схема проветривания тупиковой выработки

большой протяженности:

1 - призабойный нагнетательный вентилятор; 2 - отсасывающие головной и промежуточный ВМП; 3 - компенсирующее устройство

При секционной схеме проветривания (рис. 4) каждый промежуточный ВМП работает независимо на свой индивидуальный участок трубопровода. Соединение участков производится через компенсирующее устройство (клапан), которое обеспечивает подсос воздуха промежуточным вентилятором, численно равный утечкам на предыдущем обособленном участке трубопровода.

Для сбалансированного подсоса необходимо количество воздуха, численно равного утечкам воздуха на предыдущем секционном участке трубопровода, на промежуточных вентиляторах (на всасывающей стороне) устанавливаются компенсирующие устройства.

Производственные испытания и внедрение секционных схем вентиляции показали, что наряду с повышением эффективности вентиляции по выносу газов в несколько раз снижается интенсивность

конденсационных процессов в вентиляционных трубопроводах на устьях штолен и резко снижается образование в них льда и инея.

При переводе обводненных нагорных рудников севера на общешахтное (обще-штольневое) сквозное проветривание одним из серьезных горнотехнических осложнений является обледенение откаточных и водоотливных выработок (штолен) в зимний период. Обледенение характерно для откаточных и вентиляционных штолен, пройденных как в зоне многолетней мерзлоты, так и в зоне таликов (Южная Якутия, Забайкалье, Полярный Урал). Использование электронагревательных устройств (ТЭНов) в водосточных канавках не всегда надежно предотвращает обледенение почвы выработок, что создает аварийные ситуации, остановку подземного транспорта и рост производственного травматизма.

Для предотвращения таких чрезвычайных ситуаций был предложен и внедрен способ предотвращения обледенения воздухоподающих откаточных выработок в зимний период за счет реверсирования общешахтной вентиляционной струи в выходные дни и

использования для периодического обогрева тепла таликовой зоны месторождений. Принципиальная схема общештольневого проветривания и реверсирования вентиляционной струи представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема общешахтного проветривания и реверсирования вентиляционной струи на руднике «Перекатный»:

1 - главная вентиляционная установка общешахтного проветривания;

2 - вспомогательные вентиляторы (типа ВМ-6) для реверсирования вентиляционной струи

При опрокидывании вентиляционной струи направление теплообменных процессов также меняется в обратную сторону. Свежий воздух, проходя через подмерзлот-ные горизонты, нагревается до температуры пород таликовой зоны (+4 С), поступает в охлажденные штольни 6 и 10 и снижает прогрессирующее замораживание водоотливных канавок и обледенение почвы. Натурные наблюдения показали, что при реверсировании струи на два выходных дня растапливается 6...8 т льда и предотвращается аварийное наледеобразование в откаточных выработках.

Анализируя приведенные региональные особенности, следует отметить, что подземные горные работы в районах Крайнего Севера выполняются в более сложных условиях по сравнению с южными районами Сибири и Дальнего Востока. Усложнение условий ведения подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты на

30...40 % повышает трудоемкость процессов горного производства.

Одним из реальных путей дальнейшего повышения эффективности и безопасности подземных горных работ в криолитозоне является повышение качества проектирования на основе более внимательного учета температурного фактора, а также разработка научно обоснованных технических и технологических решений, снижающих негативное влияние многолетней мерзлоты на процессы горного производства.

На основании выполненных авторами исследований рекомендуется следующий апробированный в производственных условиях комплекс технических и технологических мероприятий по повышению безопасности и эффективности подземных горных работ для рудников Севера [3].

1. Применение автономных и участковых рециркуляционных систем водоснабжения для комплексного гидрообеспыливания воздуха и тушения подземных пожаров.

2. Использование для гидрообеспыливания растворов хлористого натрия для

предотвращения смерзания отбитой горной массы в рудоспусках и очистных блоках.

3. Локальный подогрев шахтного воздуха для предотвращения переохлаждения горнорабочих в проходческих и очистных забоях.

4. Воздушно-тепловая обработка очистных блоков с магазинированием руды с целью предотвращения смерзания отбитой руды в «магазинах».

5. Использование ресурсосберегающих горнотехнических систем регулирования теплового режима на базе использования теплоаккумулирующих выработок.

6. Периодическое реверсирование вентиляционной струи в зимний период для снижения обледенения откаточных водоотливных выработок нагорных рудников Севера.

7. Антиобледенительные секционные системы проветривания тупиковых горных выработок (штолен) со сбалансированным подсосом воздуха для снижения отложения льда и инея в вентиляционных трубопроводах.

Выполнение данных технологических решений позволит значительно повысить безопасность и эффективность ведения подземных горных работ в криолитозоне.

Литература

1. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. — М.: Недра, 1968. - 256 с.

2. Воронов Е.Т., Гендлер С.Г., Воронов Д.Е. Криогенно-технологические осложнения на рудниках Севера // Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая: междунар. симп.: сб. докл. — Якутск, 1998. — С. 240-247. — (на англ. яз.).

3. Воронов Е.Т., Воронов Д.Е., Бондарь И.А. Повышение эффективности и безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя в криолитозоне. — Чита: ЧитГУ, 2006. — 242 с.

Коротко об авторах_________________________________________Briefly about the authors

Воронов Е.Т., д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Читинский государственный университет

Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, охрана труда на геолого-разведочных работах, радиационная безопасность урановых рудников России; борьба с пылью

Бондарь И.А., канд. техн. наук, Читинский государственный университет

Научные интересы: безопасная технология подземных горных работ в условиях вечной мерзлоты, управление криогенными и тепловыми процессами в криолитозоне

E. Voronov, Doctor of Engineering Science, Professor, RF Honored Science Worker, Chita State University

Areas of expertise: safe technology of underground mining in permafrost conditions, labor protection of geological exploration, radiation safety of Russian uranium mines, dust control

I. Bondar, Candidate of Engineering Science, Chita State University

Areas of expertise: safe technology of underground mining in permafrost conditions, monitoring of cryogenic and thermal processes in cryolithic zone