Проблемы регулирования теплового режима в вертикальных стволах рудников криолитозоны

На рис. 1 показана зависимость коэффициента к от величины интенсивности трещиноватости горных пород.

По аналогии с формулой (1) снижение прочностных свойств горных пород в зоне трещиноватого породного массива представляется следующим образом:

ст = к -с0 .

Таким образом, существующие системы трещиноватости горных пород неодинаково влияют на геомеханические процессы, происходящие в породном массиве вокруг горных выработок. Это влияние можно оценить через снижение упругих и прочностных свойств горных пород в зоне трещиноватости породного массива. Для многолетнемерзлого породного массива при оттаивании мерзлых пород, когда происходит вытаивание льда-цемента в трещинах, перераспределение напряженно-деформированного состояния зоны протаивания вокруг выработки оценивается с учетом изменения упругих (1) и прочностных (3) свойств горных пород в зоне трещиноватости.

--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для вузов. В 2т. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - Т.1. Основы геомеханики. - 208 с.

2. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: Высшая школа, 1987. - 296 с.

3. Ржевский В. В. О научных основах расчетов давления горных пород (часть 1) // Изв.вузов. Горный журнал. - 1982. - №6. - С.1-9.

4. Глубокие рудоспуски / В.В. Гущин, Ю.А. Епимахов, А.А. Козырев и др. -Апатиты: КНЦ РАН, 1997. - 196 с.

— Коротко об авторах

Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.

УДК 622.45

© М.М. Иудин, 2007

М.М. Иудин

ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛАХ РУДНИКОВ КРИОЛИТОЗОНЫ

77 а техногенное состояние напряжений и деформаций в поИ родном многолетнемерзлом массиве существенно влияют геокриологические условия в районе месторождения, в частности температурный режим горных пород в окрестности горной выработки. Если до проведения горной выработки температурный режим породного массива находится в естественном состоянии, сформированный за длительный геологический период, то после проведения выработки, когда породное обнажение выработки вступает в контакт с вентиляционным воздухом, происходит изменение температурного режима породного массива. Интенсивность и глубина протекания теплового процесса в породном массиве зависит от состояния теплового режима в горных выработках, условий теплообмена на поверхности породного обнажения и т.д.

В практике проектирования и разработки месторождений подземным способом, вскрываемых вертикальными выработками, вентиляция рудника осуществляется через главные вертикальные стволы. Вертикальные выработки, пройденные в мерзлом породном массиве, эксплуатируются в экстремальных температурных условиях, а конструкция крепи подвергается значительному температурному воздействию, как со стороны вентиляционного воздуха в выработке, так и со стороны мерзлого массива пород. Это приводит к значительным температурным градиентам по толщине крепи выработки. Периодические сезонные циклы изменения температуры воздуха приводят к накапливанию температурной трещиноватости и усталости в крепи выработки, преждевременно уменьшают длительную прочность материала крепи. В итоге эти причины вызывают уменьшение устойчивости выработки.

Таким образом, тепловые процессы, протекающие в породном массиве, существенно влияют на формирование техногенных напряжений и деформаций в окрестности выработки и сказываются на уменьшении прочностного состояния крепи. Поэтому уже на стадии проектирования вертикальных стволов необходимо рас-

сматривать вопрос регулирования теплового режима в выработке, исходя из необходимости обеспечения длительной устойчивости крепи на весь срок эксплуатации вертикального ствола. В соответствии с этим положением правильно было бы отделить понятие «регулирование теплового режима в вертикальном стволе» от общепринятого термина «регулирование теплового режима рудника». Это важно, как в научном, так и в методическом плане, что дает возможность иметь качественное и количественное различие в методах и средствах регулирования теплового режима.

Если для вентиляции рудника в целом расход воздуха составляет от 100 до 300 м3/с и более, то для проветривания отдельного вертикального ствола требуется небольшой расход воздуха, определяемый по фактору выноса пыли или по количеству горнорабочих, находящихся одновременно в выработке. Тогда и энергетические затраты на подогрев холодного воздуха будут значительно меньше, чем при регулировании теплового режима рудника. Разделение потоков движения вентиляционного воздуха в подземной сети горных выработок приводит к необходимости пересмотреть функции назначения вертикального ствола. Если обычно принято считать, что главный грузолюдской ствол является и воздухоподающей выработкой для вентиляции рудника, то при разделении назначения стволов необходимо иметь отдельную воздухоподающую вертикальную выработку. Тогда главный вертикальный ствол будет служить только для движения грузов и перевозки горнорабочих. В качестве воздухоподающей выработки, служащей только для вентиляции подземного рудника, могут выступать скважины большого диаметра, восстающие. Следовательно, если отдельно рассматривать вопрос регулирования теплового режима в вертикальном стволе, не являющей воздухоподающей выработкой, то существенно расширяются технические и технологические возможности применения способов и средств подогрева и охлаждения вентиляционного воздуха. При выборе температурных параметров регулирования теплового режима в главном вертикальном стволе необходимо знать и прогнозировать распределение температурного поля в приконтурном слое вмещающего массива пород.

Выбор способа регулирования теплового режима в главном вертикальном стволе выполняется по критерию длительной устойчивости выработки и сводится к следующим положениям.

1. Оценивают геокриологические условия породного массива по всей глубине вертикального ствола. Принимают тип теплового режима в выработке в зависимости от теплового режима, принятого в подземном руднике по другим соображениям.

2. В зависимости от температурных параметров теплового режима в выработке рассчитывают динамику протаивания мерзлых пород вокруг выработки на весь срок эксплуатации. Далее рассчитывают напряженно-деформированное состояние породного массива в окрестности выработки с учетом возможного изменения термомеханических условий. Оценивают устойчивость породного обнажения и определяют вероятную зону нарушения сплошности горных пород. Определяют параметры термомеханического взаимодействия крепи и породного массива, степень изменения устойчивости вертикального ствола. Подбирают несущие и геометрические параметры крепи вертикального ствола. Обратным расчетом определяют и проверяют допустимую зону разрушения горных пород вокруг выработки. При этом оценивают допустимый уровень техногенного состояния напряжений в породном массиве в окрестности вертикального ствола.

И на последнем этапе определяют допустимые температурные параметры теплового режима в выработке. По этим параметрам подбирают способ регулирования теплового режима в главном вертикальном стволе.

3. Выбранный способ регулирования теплового режима оценивают на возможность применения с технической и технологической стороны. Рассчитывают конкретные выходные параметры с учетом возможных колебаний и экстремальных ситуаций. Далее повторяют расчеты по первому пункту. Если расчеты дают удовлетворительные результаты, то принимают способ регулирования теплового режима в качестве рекомендуемого для главного вертикального ствола.

По технологическим признакам регулирование теплового режима разделяются на горнотехнические и теплотехнические способы. Горнотехнические средства регулирования теплового режима осуществляются путем направленного применения удельной или суммарной мощности источников тепла и влаги за счет регулирования технологических параметров самого объекта. Горнотехнические способы технически и технологически являются наиболее простыми, не требующими значительных энергетических, капи-

тальных и эксплуатационных затрат. Они находят широкое применение на практике как самостоятельно в условиях переходного режима, так и при использовании теплотехнических способов. Их практическая реализация осуществляется технологическими приемами (изменение вентиляционных режимов, конструктивных параметров выработок, технических характеристик отдельных элементов и др.) и теплофизическими, связанными с учетом геотермических и климатических условий месторождения и района. Теплотехнические методы регулирования теплового режима работают на принципе создания направленного процесса теплообмена между источником и потребителем. Теплотехнические способы технологически наиболее совершенны, обеспечивают регулирование любых параметров в широком диапазоне условий, но требуют значительных капитальных, эксплуатационных, энергетических и трудовых затрат на ее реализацию.

Основными задачами технико-экономического анализа систем регулирования теплового режима для применения в шахтах и рудниках являются следующие:

- выявление основных условий и факторов, определяющих сравнительную экономичность различных вариантов;

- обоснование наиболее рациональных и универсальных способов подогрева и охлаждения воздуха и их сочетаний;

- оценка условий, определяющих целесообразность использования систем с ограниченной областью применения;

- определение количества конкурентоспособных систем за счет обоснованного исключения нерациональных их вариантов.

Основными экономическими показателями сравниваемых систем являются: общие капитальные затраты на подогрев и охлаждение воздуха, годовые эксплуатационные расходы, а также общие затраты на регулирование теплового режима. К важнейшим факторам, определяющим уровень основных показателей и сравнительную экономичность различных систем, следует отнести: климатические условия района, расчетный расход воздуха в шахте или руднике, принятые пределы подогрева и охлаждения воздуха, стоимостные параметры электроэнергии и топлива. Критерием оценки экономической эффективности технически возможных вариантов систем и средств регулирования теплового режима шахт и

рудников являются минимальные приведенные затраты на их создание и эксплуатацию.

Существующие критерии выбора параметров регулирования теплового режима по санитарно-гигиеническим, экономическим, энергетическим и другим фактором практически не применяются в горном производстве на Севере. Данные критерии обычно применяются для обособленной горной выработки, когда можно оценить и выбрать необходимый способ регулирования теплового режима по заданному условию оптимизации. При этом все расчеты не привязываются в целом к тепловому режиму рудника.

Для подземного рудника сеть горных выработок является технически сложной взаимоувязанной системой и формируется технологией ведения подземных горных работ. Весь комплекс подземных горных выработок обладает свойствами многопараметрической единой системы, и для поиска рациональных параметров теплового режима, сопряженной с задачей вентиляции рудника, требуется применение математических методов оптимизации. Эта проблема в настоящее время является актуальной в вопросе регулирования теплового режима рудника, и от ее оптимального решения зависит практическое применение методов регулирования теплового режима на подземных рудниках Севера.

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Иудин М.М. - кандидат технических наук, ИГДС им. Н.В. Черского СО РАН.

------------------------------------------- © М.М. Иудин, 2007

УДК 622.222.2 М.М. Иудин

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ РУДНИКОВ СЕВЕРА