Технологии интенсивной разработки калийных пластов длинными очистными забоями на больших глубинах: актуальные проблемы, направления совершенствования

ЗАПИСКИ ГОРНОГО ИНСТИТУТА

Научная статья

Технологии интенсивной разработки калийных пластов

длинными очистными забоями на больших глубинах: актуальные проблемы, направления совершенствования

В.П.ЗУБОВН, Д.Г. СОКОЛ

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия

Как цитировать эту статью: Зубов В.П., Сокол Д.Г. Технологии интенсивной разработки калийных пластов длинными очистными забоями на больших глубинах: актуальные проблемы, направления совершенствования // Записки Горного института. 2023. Т. 264. С. 874-885. ЕБЫ УУМ^У

Аннотация. Приведены результаты анализа практического опыта разработки калийных пластов с использованием систем разработки длинными очистными забоями на рудниках ОАО «Беларуськалий». Отмечены позитивные изменения технико-экономических показателей рудников и повышение безопасности горных работ при внедрении ресурсосберегающих технологий без оставления целиков полезного ископаемого между выемочными столбами или с оставлением между столбами целиков с размерами, при которых происходит их разрушение горным давлением в выработанном пространстве. Отмечено, что использование очистных механизированных комплексов, характеризующихся высокой энерговооруженностью, в сочетании с большими глубинами разработки является главной причиной повышения температуры в лавах до величин, превышающих предельно допустимую температуру воздуха, регламентируемую санитарными нормами. На основании производственных исследований сделан вывод о том, что температурный режим по длине очистного забоя определяется температурой пород в выработанном пространстве лавы, тепловыделениями от оборудования энергопоезда и температурой массива полезного ископаемого впереди лавы. Сделан вывод о целесообразности использования в условиях глубоких горизонтов разработанных технологических схем, обеспечивающих снижение температуры в лавах на 6-9 °С и более за счет обособленного проветривания лавы и энергопоезда, а также теплообмена между струей воздуха, поступающего в лаву, и породами в выработанном пространстве.

Ключевые слова: калийный пласт; ресурсосберегающие технологии; длинные очистные забои; температура воздуха; санитарные нормы; энерговооруженность; обособленное проветривание лавы и энергопоезда; теплообмен

Поступила: 08.05.2021 Принята: 21.07.2022 Онлайн: 16.10.2023 Опубликована: 25.12.2023

Введение. Снижение потерь калийных и калийно-магниевых солей при их добыче, доля которых достигает 70 % и более, является одной из наиболее актуальных проблем мировой горной науки. Предпосылки для снижения потерь этого ценного невосполняемого природного ресурса создаются при использовании технологий выемки калийных пластов длинными очистными забоями. Особенности разработки и направления совершенствования технологических схем рассмотрены на примере рудников ОАО «Беларуськалий», где накоплен более чем 45-летний уникальный мировой практический опыт использования различных вариантов систем разработки длинными очистными забоями. Доля добычи калийных пластов с использованием системы разработки длинными очистными забоями на рудниках ОАО «Беларуськалий» достигает 90 % [1].

Существенный вклад в совершенствование технологий отработки калийных пластов, с учетом изменяющихся горно-геологических и горнотехнических условий, внесли Санкт-Петербургский горный университет, ОАО «Белгорхимпром», ЗАО «Солигорский институт проблем ресурсосбережения с опытным производством» и др.

Практический опыт использования систем разработки длинными очистными забоями подтвердил выдвинутую в 2002-2003 гг. концепцию [2, 3] отработки основных продуктивных пластов ОАО «Беларуськалий», определившую направления совершенствования технологических схем рудников на следующие 17-18 лет. Основой данной концепции являлось положение «.. .о необходимости ведения очистных работ без оставления целиков полезного ископаемого между выемочными

столбами или с оставлением между столбами податливых целиков с размерами, при которых происходит их разрушение горным давлением в выработанном пространстве».

В соответствии с указанной концепцией в настоящее время отрабатывают и проектируют к отработке [4] практически все панели по нижнему сильвинитовому пласту Третьего калийного горизонта, являющегося основным продуктивным пластом на рудниках ОАО «Беларуськалий». Это создало условия: для существенного повышения (с 60-70 до 85-90 %) [2, 5] извлечения полезного ископаемого; снижения вероятности внезапных выбросов соли и газа из пород почвы в выработанном пространстве лав нижнего технологического слоя, включающего 2-й и 3-й сильвинитовые слои [2, 6]; снижения опасности горных работ и больших невосполнимых потерь добычи, связанных с динамическими обрушениями пород кровли в выработанном пространстве лав нижнего технологического слоя [2, 6]. Технологические схемы без оставления целиков между выемочными столбами или с оставлением целиков, с размерами, при которых происходит их разрушение горным давлением в выработанном пространстве, относят к числу наиболее перспективных [5, 7, 8].

Рудники ОАО «Беларуськалий» характеризуются:

• динамичным ростом производственных мощностей, что связано с внедрением высокопроизводительных очистных механизированных комплексов;

• увеличением доли добычи с использованием ресурсосберегающих систем разработки длинными столбами;

• увеличением температуры вмещающих пород, что связано с интенсивной отработкой основных продуктивных пластов и переходом горных работ на более глубокие горизонты [9].

Оборудование лав новыми комбайнами серии SL с установленной мощностью электродвигателей 480-550 кВт позволяет увеличить добычу руды из лавы до 2,0 млн т в год [10]. Вместе с тем высокая энерговооруженность очистного оборудования в сочетании с фактически сложившимися горнотехническими условиями ведения горных работ [11-13] является одной из основных причин повышенной температуры воздуха в очистных забоях [14]. Практически во всех панелях при глубинах разработки продуктивных пластов более 500-600 м температура воздушных струй в комплексно-механизированных лавах существенно превышает (на 3-6 °С) предельно допустимую температуру воздуха, определенную по фактору «обеспечение условий для безопасного и производительного труда горнорабочих» и регламентируемую действующими нормативными документами.

В соответствии с СанПиН «Гигиенические требования к микроклимату при проектировании и эксплуатации калийных рудников» (п.24, глава 3) и правилами по обеспечению промышленной безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь (п.171) температура воздуха в очистных выработках не должна превышать 26 °С. При температуре воздуха на рабочем месте, равной 30 °С, продолжительность рабочего дня не может быть больше 5 ч, при 31 °С - 3 ч; 32 °С - 2 ч; 32,5 °С - 1 ч. Аналогичные требования предъявляются к температурному режиму на российских угольных шахтах в соответствии со статьями 209 и 212 ТК РФ. Невыполнение требований нормативных документов по температурному режиму отрицательно влияет на здоровье горнорабочих, способствует развитию профессиональных заболеваний, повышает риски производственного травматизма [15].

Известные подземные системы кондиционирования воздуха для снижения температуры воздуха в лавах [16, 17] не нашли широкого применения на рудниках ОАО «Беларуськалий» из-за существенных экономических затрат и сложности адаптации к применяемым ресурсосберегающим технологиям.

С учетом отмеченных фактов и актуализации социальных вопросов к числу основных направлений совершенствования перспективных ресурсосберегающих технологий отработки калийных пластов на рудниках ОАО «Беларуськалий» [9, 10, 18] следует отнести разработку организационно-технических решений, обеспечивающих тепловой режим в лавах, в соответствии с СанПиН «Гигиенические требования к микроклимату при проектировании и эксплуатации калийных рудников» и правилами по обеспечению промышленной безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь.

Цель исследований - разработка ресурсосберегающей системы отработки калийных пластов в условиях глубоких горизонтов, обеспечивающих снижение температуры воздуха в лавах, характеризующихся высокой энерговооруженностью очистного оборудования, без применения подземных систем кондиционирования воздуха (рис.1).

Оценка актуальности темы исследований

X

I

Обоснование цели исследования _I_._

Анализ мирового практического опыта отработки калийных пластов длинными очистными забоями

т

X

Оценка изученности проблемных вопросов, возникающих при отработке калийных пластов длинными очистными забоями

Установление тенденций изменения горно-геологических и горнотехнических условий отработки калийных месторождений

Анализ требований отраслевых нормативных документов к технологиям отработки калийных пластов длинными очистными забоями

Актуальность: снижение температуры воздуха в лавах до допустимой отраслевыми нормативными документами

I ~

Цель: разработка ресурсосберегающих технологий отработки калийных пластов длинными очистными забоями в условиях глубоких горизонтов, обеспечивающих снижение температуры воздуха в лавах, характеризующихся высокой энерговооруженностью очистного оборудования, без применения подземных систем кондиционирования воздуха

т

Идея: цель достигается при подаче воздуха в лаву по выработке определенной длины Ь, поддерживаемой за лавой и обеспечивающей обособленное проветривание лавы и энергопоезда, а также возможности охлаждения поступающей в лаву струи воздуха за счет теплообмена с вмещающими породами и породами, обрушившимися в выработанном пространстве

X

Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на температуру воздуха, поступающего в лаву

Основные задачи исследования

I

Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на температуру воздуха на различных участках по длине лавы

X

Исследование процесса теплообмена между струей воздуха, поступающего в лаву при ее перемещении на участке выработки длиной Ь, и вмещающими породами

Обоснование параметров рекомендуемых ресурсосберегающих технологий отработки калийных пластов длинными очистными забоями в условиях глубоких горизонтов, обеспечивающих снижение температуры воздуха в лавах, характеризующихся высокой энерговооруженностью очистного оборудования, без применения подземных систем кондиционирования воздуха

Оценка конкурентоспособности

Сравнение с известными технологиями, предусматривающими уменьшение продолжительности добычной смены Сравнение с известными технологиями, предусматривающими применение подземных систем кондиционирования воздуха

Обоснование областей, в которых разработанные ресурсосберегающие технологии являются конкурентоспособными

Рис.1. Алгоритм проведения исследований

Дополнительные требования к разрабатываемой технологии:

• простота адаптации к сложившимся технологическим схемам рудников, схемам проветривания и транспорта;

• возможность опытно-промышленной проверки и внедрения на отрабатываемых участках (панелях);

• минимизация временных и финансовых затрат, связанных с внедрением разрабатываемых технических решений.

Методология. В соответствии с поставленной целью (рис.1) основными задачами шахтных исследований являлись:

• установление основных причин повышения температуры в лавах выше уровня температур, регламентируемых действующими нормативными документами, при применении типовых ресурсосберегающих систем разработки;

• исследование влияния горнотехнических факторов на формирование температуры воздушной струи, поступающей в лаву;

• исследование влияния горнотехнических факторов на температуру воздушной струи, проходящей по лаве.

Исследования проведены для типовых вариантов системы разработки длинными столбами (рис.2). Реализуются эти варианты при подготовке выемочных столбов транспортным и конвейерным штреками и подаче по ним свежей струи воздуха в лаву (рис.2, а) или в нижнюю половину лавы (рис.2, б), при проходке вентиляционного штрека в средней части выемочного столба. Реализация рассматриваемых вариантов возможна без оставления целиков полезного ископаемого или с оставлением между выемочными столбами целиков шириной Z0 (рис.2), при которой происходит разрушение целиков в выработанном пространстве под воздействием горного давления.

Ширину целика Z1 (рис.2, а) следует определять из условия обеспечения технологически удовлетворительного состояния вентиляционного штрека, а длину тупиковой части лавы l - из условия обеспечения ее проветривания. Во всех исследованных случаях лавы оборудованы механизированными комплексами Eickhoff SL-300/480 или Eickhoff SL-300/550 с установленной мощностью электродвигателей 480 и 550 кВт соответственно.

Использование данных технологий позволяет в благоприятных горно-геологических условиях достигать высоких среднесуточных нагрузок на очистные забои и обеспечивает низкую себестоимость добычи.

Экспериментальные производственные исследования проведены в следующих горно-геологических условиях. Глубина ведения горных работ от поверхности составляла 400-850 м. Основной продуктивный нижний сильвинитовый пласт Третьего калийного горизонта (Третий калийный пласт) включает шесть слоев сильвинита. Промышленное значение имеют слои 2, 3 и 4. При выемке продуктивный пласт делят на два технологических слоя, отрабатываемых в нисходящем порядке. Верхний технологический слой включает четвертый сильвинитовый слой мощностью 1,2 м, нижний - второй и третий сильвинитовые слои, промежуточный слой галита 2-3 суммарной мощностью около 2,0 м. Мощность пачки пород между верхним и нижним технологическими слоями составляет 0,9-1,1 м.

Рис.2. Принципиальные схемы типовых ресурсосберегающих систем разработки пласта длинными столбами 1, 2 - транспортный и конвейерный штреки; 3 - вентиляционный штрек; 4 - сбойка; 5 - энергопоезд; 6 - воздухоподающий штрек

Длина лав составляла 174-291 м, длина выемочных столбов - 4000 м. Во всех исследованных случаях энергопоезд лавы располагался в конвейерном штреке в непосредственной близости от лавы (рис.2). Длина участка штрека, на котором расположен энергопоезд, составляет 80-100 м. Следует отметить, что данную схему расположения энергопоезда относительно забоя лавы применяют на всех рудниках ОАО «Беларуськалий».

При проведении шахтных исследований измерялись следующие величины:

• температура воздуха в вентиляционной струе, предназначенной для проветривания лавы, по всей трассе ее перемещения с момента поступления в транспортный и конвейерный штреки (рис.2) до выхода струи с вентиляционного штрека в выработки главных направлений;

• температура пород, обрушившихся в выработанном пространстве лавы;

• температура массива полезного ископаемого впереди забоя лавы;

• температура воздуха в выработанном пространстве лавы.

Измерения температуры породных массивов, воздуха и оборудования, входящего в состав энергопоезда, проводились с использованием термометра контактного цифрового ТК-5.06 (рис.3). Электронный термометр ТК-5.06 включает электронный блок и сменные зонды, предназначенные для измерения температуры жидких, сыпучих и газообразных сред, поверхностей твердых тел и относительной влажности газообразных сред. В качестве термочувствительных элементов в зондах используются преобразователи термоэлектрические с номинальными статистическими характеристиками по ГОСТ Р 8.585. Электронный блок термометра преобразовывает сигнал, поступающий с выхода зонда, в сигнал измерительной информации, которая выводится на жидкокристаллический дисплей. Погрешность измерений прибора составляет ±0,5 °С при измерении температур в диапазоне от -40 до 100 °С.

Результаты исследований, выполненных в производственных условиях, показывают, что формирование теплового режима в лавах происходит по определенной схеме, одинаковой для всех исследованных участков. Начальные параметры воздуха, подаваемого в ствол, определяются климатическими условиями на поверхности и особенностями функционирования систем воздухоподготовки. При движении по выработкам околоствольного двора и магистральным воздухоподающим выработкам температура струи воздуха стремится к температуре нетронутого породного массива [9, 19]. Выравнивание температуры воздуха до температуры нетронутого массива горных пород происходит на расстоянии 2500-3000 м от воздухоподающих стволов. В дальнейшем существенные изменения температуры струи воздуха происходят в пределах выемочных участков (панелей) [20].

Установлено, что для всех рассмотренных горнотехнических ситуаций и вариантов систем разработки длинными столбами основными факторами, влияющими на температуру воздушной струи в лаве, являются: тепловыделения от энергопоезда; длина транспортного и конвейерного штреков (см. рис.2); температура пласта впереди забоя лавы и вмещающих пород; температура воздуха в выработанном пространстве лавы. При этом первые два фактора являются главными причинами формирования высоких температур на сопряжении лавы с конвейерным штреком (см. рис.2).

Температура оборудования, входящего в состав энергопоезда (рис.4), достигает в периоды добычных смен 100 °С и более (см. рис.3). В результате влияния тепловыделений от оборудования, входящего в состав энергопоезда, увеличение температуры струи воздуха составляет 10-15 °С. При этом наиболее существенное влияние на увеличение температуры струи воздуха, поступающего в лаву, оборудование энергопоезда оказывает на участке расположения установки для охлаждения электродвигателей и редукторов комбайна, а также на участке расположения трансформаторных подстанций. На этих участках температура воздуха достигает 34-35 °С, а в непосредственной близости от оборудования - 40-41 °С (рис.4).

Рис.3. Измерение температуры оборудования в районе расположения редуктора штрекового скребкового конвейера СПШ-1-228

С

О

24,3 °С

Редуктор скребкового конвейера

26,6 °С

Гидропередвижчик

I

27,3 °С

1==

Штрековый конвейер

27,3 °С

Компактная станция

конвейеров

Трансформаторная Холодильная установка подстанция №3 Пускатель

27,3 °С_27,3 °С 34,5 °С

28,0 °С

Штрековый конвейер

Инструментальный ящик Трансформаторная Маслостанция Компактная ТеЛе^°Н Трансформаторная

подстанция №2 насосная

33,1 °с Г" \_Инструментальш)

ящик

станция комбайна ^ подстанция № 1 Сварочный

V

И~1 ШП—I—I

с

Штрековый конвейер

аппарат

Дробилка

31,0 °С (.111

Сопряжение конвейерного штрека и забоя лавы

Рис.4. Результаты измерения температуры воздуха по длине энергопоезда

с использованием термометра ТК-5.06

В ряде случаев между участком конвейерного штрека с максимальными температурами и лавой зафиксированы периоды снижения на 2-10 °С и увеличения на 1-3 °С температуры воздуха. Указанные колебания связаны с поступлением в конвейерный штрек (см. рис.2) через сбойки струй воздуха из транспортного штрека, имеющих на соответствующих участках температуру значительно меньшую, чем температура воздуха в конвейерном штреке, где расположен энергопоезд. Разница между температурой воздуха на участке с максимальными значениями и температурой воздуха, поступающего в лаву, составляет 7-9 °С. Температура струи, входящей в лаву, достигает 32-34 °С и более.

Температура воздуха в транспортном штреке зависит главным образом от температуры породного массива, определяемой глубиной горных работ, длиной транспортного штрека и местом расположения рассматриваемого участка штрека относительно энергопоезда. На входе в транспортный штрек (сопряжение штрека с магистральными выработками) температура струи примерно равна температуре породного массива. В примерах, представленных на рис.5, температура породного массива составляет около 19 °С. При движении струи по транспортному штреку ее температура постепенно увеличивается, что связано с тепловыделениями конвейерных линий и поступлением воздуха из конвейерного в транспортный штрек через сбойки (см. рис.2). Максимальные значения приращений температуры в транспортном штреке зависят в основном от расстояния между лавой и сопряжением транспортного штрека с магистральными выработками. Данные приращения температуры в рассматриваемых горнотехнических условиях не превышали 2-3 °С. В ряде случаев на участке транспортного штрека (см. рис.2), отделенного от энергопоезда целиком шириной 3-4 м, зафиксировано возрастание температуры воздуха на 2-3 °С. При этом во всех исследованных ситуациях температура воздуха в транспортном штреке не превышала 25 °С.

После входа струи в лаву и при последующем движении по лаве температура воздуха постоянно снижается (рис.5). Снижение температуры происходит по закону, зависящему от температуры пласта полезного ископаемого, воздуха, обрушившихся пород в выработанном пространстве лавы и воздушной струи, поступающей в лаву. Охлаждение струи воздуха, проходящей по лаве, происходит за счет поступления из выработанного пространства в лаву воздуха с более низкой температурой. Более низкую температуру, чем проходящая по лаве струя воздуха, имеет также массив полезного ископаемого. Разность температур струи воздуха на входе в лаву и на выходе из нее составляет 6-10 °С. Для оценки температуры воздуха на различных участках по длине лавы можно использовать выражение

^ __2,34

т, ° с

39 36 33 30 27 24 21 18

Подготовительные Энергопоезд Очистной выработки! = 150 м лавы L = 80 м забой! = 291 м

Вентиляционный штрек L = 150 м

Т, ° С

39 36 33 30 27 24 21 1

Подготовительные Энергопоезд Очистной Вентиляционный выработки ! = 150 м лавы!=100м забой!=174м штрек ! = 150 м

Т, ° С 39 36 33 30 27 24 21 18

1

2  5 --

Рис.5. Влияние горнотехнических факторов на температуру воздушной струи: а - в условиях отработки 5 Северного столба рудника 4РУ лавой № 5-1; б - в условиях отработки 3а Восточного

столба рудника 3РУ лавой № 8-н-4; в - в условиях отработки 2 Северного столба рудника 1РУ лавой № 94

1 - максимально допустимая температура в лаве по санитарным нормам; 2-5 - температура вмещающих пород, воздуха в транспортном штреке, конвейерном и вентиляционном штреках и выработанном пространстве лавы соответственно

Подготовительные Энергопоезд Очистной Вентиляционный выработки != 150 м лавы! = 80м забой! = 234м штрек! = 150 м

а

б

в

где t0 - температура воздушной струи на сопряжении лавы с конвейерным штреком (см. рис.2); а, b - параметры, зависящие от специфики условий ведения очистных работ, для условий отработки Третьего калийного пласта а = 0,033, b = 0,0004.

Длина участка лавы, в пределах которой температура струи воздуха превышает 26 °С, достигает 60-100 % длины лавы. Длина участка зависит в основном от температуры воздуха на сопряжении конвейерного штрека с лавой, способа управления кровлей в лаве и глубины ведения горных работ.

В качестве примеров результатов выполненных исследований для типовых горнотехнических ситуаций приведены данные об изменении температуры воздушных струй по маршрутам их движения (см. таблицу, рис.5): в конвейерном и транспортном штреках, лавах, выработанных пространствах лав и вентиляционных штреках. Очистные работы в лавах велись по слоям 1, 1-2, 2 Второго калийного горизонта, а также по слоям 2, 2-3, 3 и слою 4 Третьего калийного горизонта с использованием механизированных комплексов Eickhoff SL-300/480, Eickhoff SL-300/550 и Eickhoff SL-300NE. Глубина работ от поверхности составляла 500-800 м, длина лав - 174-291 м.

Характеристика участков производственных исследований

Номер лавы, рудник Очистной механизированный комплекс Длина лавы, м Глубина работ, м Температура вмещающих пород, °С Температура воздуха на сопряжении лавы с конвейерным штреком, °С Длина участка лавы с температурой более 26 °С, %

94, 1РУ Eickhoff SL-300/480 234 680-700 19 31-32 55

5-1, 4РУ Eickhoff SL-300/550 291 617-732 19 31 40

104, 1РУ Eickhoff SL-300/480 236 538-613 18 29-30 35

8-н-4, 3РУ Eickhoff SL-300/480 174 764-802 21 31-32 65

4-в-4 3РУ Eickhoff SL-300NE 250 733-764 21 29 60

В рассматриваемых случаях температура воздуха на сопряжениях лав с конвейерными штреками составляла 29-32 °С, температура массива полезного ископаемого впереди забоя лавы -18-21 °С, температура воздуха в выработанном пространстве - 19-23 °С. К моменту выхода из лавы температура отработанной струи снижалась до 20-25 °С. Далее на участке вентиляционного штрека длиной до 300-350 м температура воздушной струи уменьшилась до температуры вмещающих пород, равной примерно 19-23 °С. При проведении инструментальных наблюдений на глубинах ведения очистных работ до 850-900 м температура породного массива более 23 °С не зафиксирована. Температура струи воздуха в транспортных штреках по мере приближения к лаве возрастала до 22-25 °С.

Обсуждение. При поиске решений, обеспечивающих достижение поставленной цели (см. рис.1), особого внимания заслуживают данные, установленные при проведении производственных исследований:

• Основным фактором, оказывающим определяющее влияние на температуру воздуха в лавах на рудниках ОАО «Беларуськалий» при использовании типовых ресурсосберегающих систем разработки длинными столбами (см. рис.2), является тепловое излучение оборудования, входящего в состав энергопоезда, расположенного в конвейерном штреке в непосредственной близости от лавы. В результате воздействия этого фактора температура поступающего в лаву воздуха возрастает на 5-9 °С.

• В рассматриваемом диапазоне глубин ведения горных работ (500-900 м) температура массива вмещающих пород, воздуха в выработанном пространстве и массива полезного ископаемого впереди очистного забоя меньше предельно допустимой температуры воздуха (26 °С) в лаве на 2-10 °С, что указывает на потенциальную возможность использовать эти природные объекты для снижения температуры в лаве.

На начальном этапе исследований проанализированы варианты исключения отрицательного влияния энергопоезда на тепловой режим в лаве, предусматривающие изменение места расположения энергопоезда относительно свежей струи воздуха, поступающей в лаву [21, 22]. Данный анализ показал, что размещение энергопоезда на выработках с исходящими струями воздуха практически трудно осуществимо в связи с рядом ограничений по промышленной безопасности и возникновением дополнительных рисков нарушения непрерывности производства.

Основная идея заключается в разработке пространственно-планировочных решений, включающих подачу воздуха в лаву по участку конвейерного штрека определенной длины, поддерживаемого за лавой на границе с выработанным пространством, что обеспечивает возможность: обособленного проветривания лавы и энергопоезда, что исключает влияние энергопоезда на температуру струи воздуха, поступающего в лаву; снижение температуры воздуха, поступающего в лаву, за счет теплообмена с вмещающими породами на участке штрека, поддерживаемого за лавой. При реализации идеи возможность регулирования температуры воздуха, поступающего в лаву, до требуемой величины обеспечивается изменением длины поддерживаемого за лавой участка штрека. Минимально необходимая длина данного участка принимается из условия обеспечения температуры воздуха на входе в лаву, равной 26 °С.

На рис.6 представлены рекомендуемые варианты ресурсосберегающей системы разработки калийных пластов в условиях глубоких горизонтов, обеспечивающие снижение температуры воздуха в лавах, характеризующихся высокой энерговооруженностью очистного оборудования, без применения подземных систем кондиционирования воздуха. Основным является вариант, представленный на рис.6, а, второй (рис.6, б) рекомендуется использовать при невозможности реализации основного варианта.

При применении варианта, представленного на рис. 6, а, струю воздуха для проветривания лавы и энергопоезда подают по транспортному штреку до сбойки, которая расположена на расстоянии L от лавы. Далее свежая струя следует по участку конвейерного штрека, расположенному между сбойкой и лавой. На сопряжении лавы и конвейерного штрека происходит разделение струи воздуха - основная часть поступает в забой лавы и далее в вентиляционный штрек, оставшаяся -к месту расположения энергопоезда. От энергопоезда струя воздуха с повышенной температурой отводится к вентиляционному штреку по вспомогательной диагональной выработке. Для регулирования объема воздуха, поступающего к энергопоезду, в конвейерном штреке и вспомогательной

диагональной выработке устанавливают временные перемычки с окнами. Как показали результаты выполненных исследований, температура воздуха, поступающего из транспортного штрека в сбойку на глубинах ведения очистных работ до 900 м в самых неблагоприятных ситуациях, связанных с поступлением воздуха из конвейерного штрека в транспортный, не превышает 29 °С. Снижение температуры струи воздуха, поступающей в лаву, обеспечивается за счет теплообмена между данной струей и вмещающими породами при ее движении на участке Ь конвейерного штрека, поддерживаемого за линией очистного забоя. С учетом характера изменения температуры воздуха по длине лавы (см. рис.5), при величине расстояния 100-120 м снижение температуры воздуха на участке конвейерного штрека, поддерживаемого за лавой, составит не менее 3 °С. При использовании варианта системы разработки с обособленным проветриванием энергопоезда и лавы температура струи воздуха на входе в лаву на глубинах до 900 м не превысит 24-26 °С.

Дополнительное снижение температуры воздуха в призабойном пространстве лавы возможно при подаче определенного объема воздуха из транспортного штрека в лаву через выработанное пространство (рис.6), что может быть достигнуто, например, при откреплении в породной полосе вспомогательных выработок. Допустимость использования данной рекомендации в каждом конкретном случае требует дополнительного обоснования ее соответствия действующим правилам безопасности.

Устойчивость участка конвейерного штрека длиной Ь за лавой может достигаться известными способами охраны (например, могут применяться породные полосы, крепи различных конструкций и др.) [23-28]. При этом применяемый способ охраны должен обеспечить сохранение сечения штрека, достаточного для подачи количества воздуха, необходимого для проветривания лавы и энергопоезда (рис.6), в течение времени прохождения лавой расстояния Ь. Для исключения полного заполнения штрека породой в процессе возведения закладочного массива на крайней секции крепи сопряжения устанавливается отбойный щит.

Параметр Ь является технически легко регулируемым в период отработки столба, что позволяет рассматривать увеличение Ь как реально осуществимый способ снижения температуры воздуха, поступающего в лаву, не только при использовании схемы с обособленным проветриванием лавы и энергопоезда (рис.6, а), но и при последовательном проветривании энергопоезда и лавы (рис.6, б). При определении минимально необходимой длины участка Ь, при снижении которой температура поступающей в лаву струи воздуха будет меньше 26 °С, принят метод, широко применяемый при решении задач шахтной теплофизики, основанный на использовании коэффициента нестационарного теплообмена [29, 30]:

kt =(Tn - T У' q (P, t )=,

fTCT(t) -T ^

T - T

ТСт {г) = т (р, г),

где Тв - средняя температура воздуха, °С; Тст (0 - температура на стенке выработки, °С; Тп - температура породного массива, °С; а - коэффициент теплообмена стенки с воздухом.

Применительно к рассматриваемой задаче минимально необходимая длина Ь поддерживаемого за лавой участка конвейерного штрека с достаточной для практических целей точностью может быть определена по методике, приведенной в работе [31]:

Р С О, ( ^ ^ Л

^ _ агг агг*--

T - T

T - T

Pkt

где Pair - плотность воздуха, кг/м3; Car - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг • К); Q - текущий расход воздуха в транспортном штреке, для которого указано изменение температуры, м3/с; Р - периметр поперечного сечения транспортного штрека, м; kt - коэффициент нестационарного теплообмена, Вт/м2; Ta - температура воздуха на сопряжении в транспортном штреке на линии с очистным забоем лавы, °С; Тв - температура воздуха на сопряжении лавы с конвейерным штреком после теплообмена со стенками, °С.

Рис.6. Ресурсосберегающие технологические схемы, рекомендуемые для использования при высокой энерговооруженности очистного оборудования при обособленном (а) и последовательном (б) проветривании энергопоезда и лавы 1 - транспортный штрек; 2 - конвейерный штрек; 3 - сбойка; 1' - вентиляционный штрек; 2' - вентиляционный ходок; 3' - вентиляционная сбойка; 4 - породная полоса; 5 - лава; 6 - энергопоезд; 7 - вспомогательная выработка; 8 - вспомогательная диагональная выработка; 9, 10 - временные перемычки с окнами; 2 - ширина целика; Ь - ширина породной полосы

Выполненные исследования показали (рис. 7), что температура воздуха, поступающего в выработку (см. рис.6, а), и минимально необходимая длина Ь поддерживаемого за лавой участка конвейерного штрека существенно зависят от расстояния между лавой и магистральным воздухопо-дающим штреком.

При технико-экономической оценке альтернативных способов обеспечения требуемого теплового режима в лавах необходимо учитывать, что рекомендуемые варианты систем разработки длинными забоями (см. рис.6) легко адаптируются к фактически сложившимся технологическим схемам, применяемым на рудниках ОАО «Беларуськалий», и характеризуются минимальными энергетическими затратами. Данные схемы могут быть использованы как при проектировании новых горизонтов, так и в отрабатываемых панелях.

Заключение. Применяемые на рудниках ОАО «Беларуськалий» системы разработки длинными столбами с использованием в лавах высокопроизводительного очистного оборудования с высокой энерговооруженностью не обеспечивают создание в лавах теплового режима в соответствии с СанПиН «Гигиенические требования к микроклимату при проектировании и эксплуатации калийных рудников» и правилами по обеспечению промышленной безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Беларусь. Температура воздуха в призабой-ном пространстве лав, работающих на глубинах более 500 м, как правило, превышает предельно допустимое значение 26 °С.

При использовании известных технологий отработки калийных пластов длинными очистными забоями с использованием высокопроизводительных очистных механизированных комплексов определяющее влияние на температуру поступающего в лаву воздуха оказывают глубина горных работ, расстояние от лавы до магистральной воздухоподающей выработки и место расположения энергопоезда лавы. В условиях рудников ОАО «Беларуськалий» при расположении энергопоезда в конвейерном штреке впереди забоя лавы температура струи воздуха на входе в лаву превышает на 6-9 °С ее предельно допустимые значения, регламентируемые санитарными нормами.

Ь, м 700 600 500 400 300 200 100

!

ч

/

4 ' /

/

0 500

600 700 800 900 Я м

Рис.7. Зависимость минимально необходимой длины поддерживаемого за лавой участка воздухоподающей выработки от глубины ведения очистных работ при расстоянии между лавой и магистральным воздухоподающим штреком: 1 - 1000; 2 - 2000; 3 - 3000; 4 - 4000 м

При движении воздушной струи в призабойном пространстве лавы уменьшается ее температура от максимальных значений на входе струи в лаву до минимальных значений на выходе струи из лавы. Разность минимальных и максимальных значений температур в исследованных условиях составляет 6-10 °С. Основное влияние на закономерность изменения температуры при движении струи от конвейерного штрека к вентиляционному оказывают температура пород в выработанном пространстве лавы и температура массива полезного ископаемого впереди забоя лавы.

При отработке калийных пластов на глубинах до 800-900 м лавами, характеризующимися высокой энерговооруженностью очистного оборудования, снижение температуры воздуха в приза-бойном пространстве лав без применения подземных систем кондиционирования воздуха достигается при использовании разработанной патентоспособной технологии, включающей подачу воздуха к лаве по поддерживаемому за лавой участку конвейерного штрека определенной длины и обособленное проветривание лавы и энергопоезда. При использовании данной технологии, не требующей дополнительных энергетических затрат, температура струи воздуха на входе в лаву на глубинах до 800-900 м не превышает 24-26 °С.

Применение разработанной технологии в горно-геологических условиях отработки Третьего калийного пласта на рудниках ОАО «Беларуськалий» по сравнению с использованием вариантов организации работ в лавах, предусматривающих снижение продолжительности добычной смены при температуре воздуха в лаве, превышающей 26 °С, позволяет увеличить среднесуточную добычу из лавы не менее чем на 15-17 % и снизить участковую себестоимость добычи на 12-15 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дешковский В.Н., Данилова А.Ф., Новокшонов В.Н. Сдвижения массива горных пород в результате его подработки столбовой системой разработки в условиях Старобинского месторождения калийных солей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 11. С. 80-86.

2. Зубов В.П., СмычникА.Д., Кириенко В.М., Дакуко Н.А. Концепция отработки Третьего калийного пласта на рудниках РУП ПО «Беларуськалий» // Горная механика. 2005. № 4. C. 66-71.

3. Смычник А.Д., Зубов В.П., Калугин П.А., Кириенко В.М. Технологические схемы рудников ПО «Беларуськалий»: состояние, проблемы, перспективы совершенствования // Горный журнал. 2003. № 7. С. 45-50.

4. Подлесный И.А., ГетмановВ.Н., Петровский Б.И., Носуля И.Е. Технологии слоевой выемки при разработке пласта Третьего калийного горизонта Старобинского месторождения // Горный журнал. 2018. № 8. С. 59-63. DOI: 10.17580/gzh.2018.08.08

5. ОАО «Беларуськалий»: технология ведения горных работ. URL: https://www.kali.by/production/technology/technol-ogy_of_mining/ (дата обращения 29.04.2021).

6. Зубов В.П., Смычник А.Д. Внезапные выбросы соли и газа в калийных рудниках и их предупреждение // Горный журнал. 1998. № 11-12. С. 85-87.

7. Сокол Д.Г., Ле Куанг Фук, Тхан Ван Зуи. Актуальные проблемы и перспективы совершенствования охраны повторно используемых подготовительных выработок при отработке калийных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 12. С. 33-43. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-12-0-33-43

8. Кологривко A.A., Дакуко С.Н. Технологические схемы бесцеликовой отработки калийных пластов в сложных горногеологических и горнотехнических условиях // Горная механика. 2009. № 4. С. 48-59.

9. Левин Л.Ю., Зайцев А.В., Бутаков С.В., Семин М.А. Нормализация микроклиматических условий горных выработок при отработке глубокозалегающих запасов калийных рудников // Горный журнал. 2018. № 8. С. 97-102. DOI: 10.17580/gzh.2018.08.14

10. Головатый И.И. ОАО «Беларуськалий» - крупнейший мировой производитель калийных удобрений // Горный журнал. 2018. № 8. С. 4-9.

11. Соловьев Д.Е., Хохолов Ю.А. Прогноз теплового режима рудника с учетом динамики развития горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. № 5. С. 270-275.

12. Мартынов А.А., Лунев С.Г., Яковенко А.К. Прогнозирование и разработка комплекса мер по нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких угольных шахт на ПЭВМ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 2. С. 130-133.

13. Кологривко А.А. Снижение геоэкологических последствий при подземной разработке калийных месторождений // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. 2014. № 16. С. 101-110.

14. Manohar Rao A., Ramalingeswarudub S. V.S.S., Venkateswarlu G. Planning of Ventilation Requirements for Deep Mechanised Long wall Faces - A Case Study of Adriyala Longwall Project of The Singareni Collieries Company Limited (SCCL) // Procedia Earth and Planetary Science. 2015. Vol. 11. P. 548-556. DOI: 10.1016/j.proeps.2015.06.057

15. Brake D.J. The Deep Body Core Temperatures, Physical Fatigue and Fluid Status of Thermally Stressed Workers and the Development of Thermal Work Limit as an Index of Heat Stress. Perth: Curtin University, 2002. 294 p.

16. Мартынов А.А., Яковенко А.К., Олексюк А.Б. Системы и средства локального охлаждения рудничного воздуха в горных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2007. № S12. С. 132-140.

17. Медведев И.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. 251 с.

18. Алабьев В.Р. Основные направления развития способов и средств охлаждения воздуха в угольных шахтах Украины // Вестник Забайкальского государственного университета. 2014. № 6 (109). С. 35-46.

19. Зайцев А.В., Семин М.А., Клюкин Ю.А. Исследование критериев нормирования микроклиматических условий в горных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 12. С. 151-156.

20. КарелинВ.Н., Кравченко А.В., Левин Л.Ю. и др. Особенности формирования микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников // Горный журнал. 2013. № 6. С. 65-68.

21. Belle B., Biffi M. Cooling pathways for deep Australian longwall coal mines of the future // International Journal of Mining Science and Technology. 2018. Vol. 28. Iss. 6. P. 865-875. DOI: 10.1016/j.ijmst.2018.02.001

22. Gangrade V., Schatzel S.J., Harteis S.P. A Field Study of Longwall Mine Ventilation Using Tracer Gas in a Trona Mine // Mining, Metallurgy & Exploration. 2019. Vol. 36. Iss. 6. P. 1201-1211. DOI: 10.1007/s42461-019-0096-0

23. Chen Jie, Liu Jian-xing, Jiang De-yi et al. An experimental study of strain and damage recovery of salt rock under confining pressures // Rock and Soil Mechanics. 2016. Vol. 37. № 1. P. 105-112. DOI: 10.16285/j.rsm.2016.01.012

24. Litvinenko V. Advancement of geomechanics and geodynamics at the mineral ore mining and underground space development // Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses. International European Rock Mechanics Symposium, EUROCK 2018, 22-26 May 2018, Saint Petersburg, Russian Federation. London: Taylor and Francis Group, 2018. Vol. 1. P. 3-16.

25. Еременко В.А., Галченко Ю.П., Косырева М.А. Оценка влияния геометрических параметров традиционно применяемых и природоподобных систем подземной разработки рудных месторождений на исходное поле напряжений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2020. № 3. С. 98-109. DOI: 10.15372/FTPRPI20200310

26. Прушак В.Я. Деформирование контура горных выработок Старобинского месторождения калийных солей при различных глубинах заложения // Доклады НАН Беларуси. 2016. Т. 60. № 2. С. 97-101.

27. Guorui Feng, Pengfei Wang, Chugh Y.P. A New Gob-Side Entry Layout for Longwall Top Coal Caving // Energies. 2018. Vol. 11. Iss. 5. № 1292. DOI: 10.3390/en11051292

28. Zhijun Tian, Zizheng Zhang, Min Deng et al. Gob-Side Entry Retained with Soft Roof, Floor, and Seam in Thin Coal Seams: A Case Study // Sustainability. 2020. Vol. 12. Iss. 3. № 1197. DOI: 10.3390/su12031197

29. Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по регулированию теплового режима шахт. М.: Недра, 1977. 359 с.

30. Щербань А.Н., Кремнев О.А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт: в 2-х томах. Т. 2. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. 347 с.

31. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов А.В. Моделирование процессов нестационарного теплообмена между рудничным воздухом и массивом горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. № 5. С. 77-85.

Авторы: В.П.Зубов, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, spggi_zubov@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-1215-4173 (Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия), Д.Г. Сокол, аспирант, https://orcid.org/0000-0002-5509-7001 (Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.