Тепловой режим в горной выработке при ведении проходческих работ в условиях криолитозоны

Детальная разведка месторождений твердых полезных ископаемых Севера, строительство шахт и рудников, а так же производство добычных работ предполагает проходку большого количества тупиковых выработок различного назначения. Как известно, в условиях криолитозоны проведение их в дисперсных горных породах и эксплуатация в летний период сопряжена с целым рядом трудностей, связанных с необходимостью предотвращения растепления атмосферным теплом, без чего невозможно обеспечение устойчивости выработок. Это предъявляет особые требования к режиму вентиляции, который осуществляется путем нагнетания воздуха вентиляторами местного проветривания по гибким прорезиненным вентиляционным трубопроводам (рис. 1).

Рис. 1 – Схема проветривания тупиковой выработки в период проходки: 1 – вентилятор; 2 – трубопровод; 3 – забой тупиковой выработки; 4 - исходящая струя.

Для определения безопасных параметров вентиляционного режима, при которых бы обеспечивалась устойчивость горных выработок и соответственно безопасность ведения горных работ в летний период, была разработана математическая модель, отражающая специфические условия формирования теплового режима многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ, которая подробно описана в работе [1]. Модель позволяет рассчитать температурный режим вскрывающей тупиковой выработки при нагнетательном режиме проветривания с учетом теплообмена воздуха в выработке с вентиляционным трубопроводом, забоем и транспортируемой отбитой горной массой, а также с учетом скорости её проходки.

Расчет температурного режима тупиковой выработки с учетом движения забоя проводился по следующему алгоритму: 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 её проходки за один цикл. 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 вплоть до окончания проходки выработки.

Решение позволяет определить температуру воздуха в трубопроводе и выработке, оценить динамику температурного поля в окружающем массиве пород, а также определить параметры ореолов их протаивания в летний период ведения проходческих работ.

На основе разработанной методики были проведены численные эксперименты по расчету теплового режима тупиковой выработки при различных скоростях подвигания забоя, температуры подаваемого в выработку воздуха.

Расчеты проводились при следующих исходных параметрах: забой за 1 смену (8 часов) продвигается на 1,5, 2 и 3 м. Конечная длина проходимой выработки 180 м. При трехсменном (восьмичасовом) режиме работы и заданных скоростях проходки выработки, забой переместится на расстояние 180 м соответственно через 40, 30 и 20 суток. Естественная температура пород -4°С; теплопроводность талых и мерзлых пород соответственно 1,6 и 2 Вт/(м·К); теплоемкость сухой породы 900 Дж/(кг·К); плотность породы 1800 кг/м³; влажность породы 0,2 д.е.

Температура воздушной струи на входе в вентиляционный трубопровод составляет +5 и +10 ºС. Расход воздуха, необходимый для проветривания выработки, в расчетах при использовании самоходной техники с дизельным приводом принимается равным 800 м³/мин (для одной погрузочно-транспортной машины ПД-5А), без ее использования 144 м³/мин (принимаемый по фактору разжижения газов после взрывных работ).

На рисунке 2 показаны графики глубины протаивания вмещающих выработки горных пород через 20 суток после начала проходки при различных скоростях подвигания забоя. В выработку поступает теплый воздух с температурой +10⁰С, расходом 144 м³/мин. 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 их протаивания в устьевой части, что положительно влияет на её устойчивость. Причиной этого в данном случае является тот факт, что при увеличении скорости проходки выработки обнажаются все больше поверхностей с естественной температурой пород, что приводит к более интенсивному поглощению тепла, вносимого вентиляционным потоком, всей площадью поверхности выработки и соответственно интенсивному охлаждению исходящей вентиляционной струи.

Рис. 2 - Глубина протаивания пород вокруг выработки через 20 суток после начала проходки при различных скоростях подвигания забоя. Температура и расход воздуха соответственно +10 ⁰С и 144 м³/мин.

Результаты расчетов показывают, что глубины протаивания пород вокруг выработки при достижении длины 180 м для различных скоростей подвигания забоя соответственно составят 0,3, 0,23 и 0,13 м (рис. 3).

Рис. 3 - Глубина протаивания пород вокруг выработки при достижении длины 180 м при различных скоростях подвигания забоя. Температура и расход воздуха соответственно +10 ⁰С и 144 м³/мин.

Снижение температуры поступающего в выработку воздуха до +5 ⁰С при скорости подвигания забоя 2 м/смену и неизменности остальных параметров позволяет обеспечить мерзлое состояние вмещающих горных пород, к окончанию проходки выработки (рис. 4).

Рис. 4 - Изменение температуры стенки горной выработки по длине при различной температуре воздуха подаваемого в выработку. Расход воздуха и скорость подвигания забоя соответственно 144 м³/мин и 2 м/смену.

Как известно, использование самоходной техники с дизельным приводом при проходке выработки приводит к её высокой загазованности и, как следствие этого, требуется значительное увеличение количества воздуха подаваемого в забой, в конечном счете, это приводит к интенсивному протаиванию окружающих горных пород практически по всей длине выработки, что наглядно видно из графиков, представленных на рисунке 5.

Рис. 5 - Глубина протаивания пород к окончанию проходки выработки при расходе воздуха 800 м³/мин, температуре подаваемого воздуха +5ºС и различной скорости подвигания забоя за одну смену.

Таким образом, по результатам расчетов можно сделать вывод о том, что для заданных скоростей подвигания забоя 1,5; 2 м, расходе воздуха 144 м³/мин, и температуры воздуха подаваемого в выработку воздуха +5ºС может быть обеспечено мерзлое состояние вмещающих горных пород в течении всего периода проходки выработки, а при более высоких температурах поступающего воздуха для предотвращения растепления пород необходимо предварительно снизить температуру воздуха путем охлаждения его, например, в ледяных или грунтовых охладителях [2]. Использование же самоходной техники при проходке выработки приводит к высокой загазованности горной выработки, в результате чего требуется значительное увеличение количества воздуха подаваемого в забой, что в конечном счете приводит к интенсивному протаиванию окружающих горных пород практически по всей длине выработки. литература:

1. Хохолов, Ю.А. Температурный режим многолетнемёрзлого горного массива при ведении проходческих работ [Текст] / Ю.А. Хохолов, Д.Е. Соловьев // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. №4. - С.177-182.

2. Чабан, П.Д. Расчет охлаждения рудничного воздуха в необсаженных ледяных каналах [Текст] / П.Д. Чабан, В.П. Афанасьев, В.В. Журкович // Колыма. - 1976. - №12. - С. 39-42.