Влияние закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках в условиях рудников ОАО «Норильский никель»

УДК 622.272.33

Б.П. Казаков, А.В. Зайцев, А.В. Шалимов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия Горный институт Уральского отделения РАН, Пермь, Россия

ВЛИЯНИЕ ЗАКЛАДОЧНЫХ РАБОТ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ В УСЛОВИЯХ РУДНИКОВ ОАО «НОРИЛЬСКИЙ НИКЕЛЬ»

Исследовано влияние закладочных работ на формирование теплового режима горных выработок в условиях рудников ГМК «Норильский никель». Представлен подход к прогнозу теплового режима горных выработок с учётом тепловыделений от закладочного массива.

Ключевые слова: закладочный массив, источники тепловыделения, теплообмен, программно-вычислительный комплекс, тепловой режим.

B.P. Kazakov, А-V. Zaytsev, А-V. Shalimov

Perm National Research Polytechnic University, Russia

Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

Perm, Russia

INFLUENCE OF BACKFILL OPERATIONS ON THE FORMATION OF THERMAL CONDITIONS OF MINE WORKINGS IN OJSC MMC «NORILSK NICKEL»

The effect of backfilling works on the formation of the thermal regime of mining in the mines of MMC "Norilsk Nickel". An approach to the prediction of the thermal regime of mining taking into account the heat release from the backfill array.

Keywords: stowing the array of heat sources, heat transfer, software and computer system, the heat treatment.

В настоящее время на большинстве рудников ОАО «Норильский никель» применяются системы разработки с полной закладкой выработанного пространства. Состав используемой закладочной смеси приведен в табл. 1.

В процессе твердения закладочного массива происходит химическая реакция гидратации бетона в закладочной смеси. Характерной особенностью данной реакции является экзотермичность. Выделив-

шееся тепло разогревает закладочный массив, теплообмен которого с рудничным воздухом и вмещающими горными породами в конечном итоге приводит к их нагреву.

Таблица 1

Компоненты закладочной смеси

№ п/п Наименование компонента Содержание, т/м3

1 Цемент 0,14

2 Ангидрит 0,39

3 Граншлак 0,72

4 Щебень 0,33

5 Прочие 0,77

Тепловыделение от твердеющего закладочного массива, как это будет показано ниже, необходимо учитывать при расчетах теплового режима в горных выработках рудника. Особую актуальность этот вопрос приобретает при увеличении глубины ведения горных работ, когда температура пород достигает значений 26 °С и выше. В этом случае дополнительный фактор повышения температуры воздуха может сыграть решающую роль как при прогнозе микроклиматических параметров в рабочих зонах, так и при выборе мероприятий по созданию комфортных и безопасных условий труда.

В связи с этим встает задача определения влияния закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках рудника и разработки методики учета тепловыделений закладочного массива в расчетах температуры.

Рассмотрим решение задачи на примере рудника «Скалистый» ОАО «Норильский никель». Параметры системы разработки и ведения закладочных работ приняты на основании проекта [1].

Рудное тело в горизонтальном сечении разбивается на панели. В свою очередь каждая панель по вертикали разбивается на слои. Слои отрабатываются заходками. После отбойки и отгрузки руды в заходке ее объем закладывается, после чего отрабатывается соседняя заходка слоя панели. Воспользуемся следующими данными: геометрические размеры заходки: длина - 120 м, ширина и высота - по 8 м; время закладки - 7 сут, время твердения смеси - 8 сут, время проходки и время отбойки руды в заходке - соответственно 25 и 24 сут; плотность бетона р = 2,35 т/м , массовое содержание цемента составляет 14 %; удельная

теплоёмкость бетона су = 1500 Дж/(кг-°С); теплопроводность бетона = 1,2 Вт/(м-°С); тепловыделение - 200 кДж на 1 кг цемента, происходящее в течение времени твердения 7 сут.

Произведём оценку повышения температуры объема закладочного массива одной очистной заходки из-за гидратации цемента [2]. Общая масса цемента в заложенном объеме определяется как

тц = 0,14р • V, тц = 0,14• 2,35 120• 8• 8 - 2500 т.

Общая масса бетона

тб = 2,35 • 120 • 8 • 8 -18000 т.

Суммарное тепло, выделенное в ходе твердения закладочного ма-

териала,

б = 200тц = 5 1011 Дж.

ц

Оценка возрастания температуры в результате повышения температуры

АТ = -^ =--------5:10--- - 20 °С.

еутц 1500 1,8 107

Произведём оценку времени остывания закладочного массива. Плотность потока тепла за пределы закладки

б , АТ БАГ Ах

где Ах - характерный поперечный размер горной выработки (принимаем равным 8 м), Б - поверхность теплообмена (4000 м2).

Время остывания закладки определяется как

б Ах

А/:

Б АТ ’

л 5-1011 8

А/ =-------------------1 год.

3000 1500•20

Теплообмен с воздухом и окружающим закладочным и горным массивом не учитывался, но если принять во внимание, что между закладкой и выработкой оставляется 4 м, то время остывания вряд ли уменьшится значительно и составит примерно год. Поскольку проме-

жуток времени между проходками значительно меньше (около 2 месяцев), считается, что в процессе проветривания массив нагрет всё время и остывать не успевает.

Таким образом, при расчёте теплораспределения в вентиляционной сети закладочный массив является относительным источником тепла, аналогичным горному массиву. Иными словами, нагрев воздуха от закладочного массива происходит в результате процесса теплоотдачи «массив-воздух».

По результатам проведенных исследований произведено совершенствование модуля теплогазодинамического расчета программно-вычислительного комплекса «АэроСеть» следующим образом. В ветвях, моделирующих закладочный массив, реализована возможность задания повышенной температуры поверхности теплообмена, избыток температуры определяется, либо исходя из точного численного расчёта задачи теплопроводности, либо, если позволяет специфика задачи, из оценочного расчёта, аналогичного проведенному выше. Усовершенствование позволило произвести расчет теплового режима в условиях рудника «Скалистый».

На рисунке приведены расчётные графики температуры воздуха в вентиляционно-восстающих из очистных выработок одной из панелей.

Рис. Графики распределения температуры в вентиляционно-восстающем из очистной заходки с учетом тепловыделения от закладочных работ (левый график) и без учета (правый график), представленные в рабочем окне ПВК «АэроСеть»

Сравнение графиков наглядно демонстрирует, что без учёта тепловыделений от закладки невозможен корректный расчёт теплового режима в горных выработках рудника. Это приводит как к недостаточной точно-

сти определения рабочих зон, для которых требуется разработка мероприятий по нормализации микроклиматический условий, так и к неверному определению параметров работы систем охлаждения.

Библиографический список

1. Вскрытие, подготовка и отработка богатых и медистых руд залежи С-2 Талнахского месторождения и С-5, С-5л, С-6, С-6л Октябрьского месторождения // Горно-технологические решения. Т. 3. Кн. 1: Горная часть. - СПб., 2007.

2. Крайнов В.П. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике. - М.: Высшая школа, 1989. - 224 с.

Об авторах

Казаков Борис Петрович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры РМПИ Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29).

Зайцев Артем Вячеславович (Пермь, Россия) - аспирант Пермского национального исследовательского политехнического университета, ГИ УрО РАН (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29, artzait@rambler.ru).

Шалимов Андрей Владимирович (Пермь, Россия) - канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ГИ УрО РАН (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29, shalimovav@mail.ru).

About the authors

Kazakov Boris (Perm, Russia) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsk Ave., 29).

Zaitsev Artem (Perm, Russia) - student of Perm National Research Polytechnic University, RAS (614990, Perm, Komsomolsk Ave., 29, art-zait@rambler.ru).

Shalimov Andrey (Perm, Russia) - Candidate. tehn.science, Senior Research Fellow, Ural Branch of RAS (614990, Perm, Komsomolsk Ave., 29, shalimovav@mail.ru).

Получено 7.02.2012