Введение к работе
Современный анализ минерально-сырьевой базы России показывает, что в северо-восточных районах России сосредоточена подавляющая часть разведанных и прогнозных запасов таких важнейших полезных ископаемых, как золота, алмазов, олова, вольфрама, меди, сурьмы, ртути, никеля, пъезооптического сырья и других элементов. Однако разведка и горнопромышленное освоение этих месторождений связано с проблемой эффективности и безопасности ведения подземных горных работ, на которые огромное влияние оказывает многолетняя мерзлота и суровые природно-климатические условия.
Отечественный и зарубежный опыт горно-промышленного освоения Севера позволяет утверждать, что как основные, так и вспомогательные технологические процессы, обеспечивающие возможность, безопасность и экономическую эффективность подземных горных работ в криолитозоне, в значительной мере связаны с тепловыми процессами и необходимостью научно-обоснованного учета температурного фактора на всех стадиях горного производства.
Отрицательные и знакопеременные температуры горных пород и шахтного воздуха порождают целый комплекс криогенно-технологических осложнений: изменение (упрочнение) физико-механических свойств мерзлых пород; смерзаемость отбитой горной массы; снижение надежности работы водопроводов и средств гидрообеспыливания; обледенение откаточных путей; растепление и снижение устойчивости горных выработок; переохлаждение горнорабочих при активной вентиляции; повышение производственного травматизма и т.д.
На современном этапе, в связи с конверсией и временным прекращением добычи целого ряда минерального сырья важное значение приобретает разработка ресурсосберегающих способов консервации рудников Севера, исключающих заполнение рабочего подземного пространства льдом.
Поэтому исследования по предотвращению криогенно-технологических осложнений на подземных горных работах являются весьма актуальными, так как открывают возможности многостороннего совершенствования технологии и интенсификации добычных работ и повышения устойчивости работы рудников Севера при различных чрезвычайных ситуациях криогенного характера. .
Идея работы состоит в разработке энергосберегающих способов борьбы с криогенно-технологическими осложнениями на подземных горных работах, основанных на использовании природных источников энергии (теплоты атмосферного воздуха и подмерзлотных зон месторождений).
Целг, работы - дать научное обоснование технических, технологических и проектных решений, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности подземных горных работ в условиях многолетней мерзлоты с учетом температурного фактора.
На разрешение были поставлены следующие основные задачи:
-
Провести оценку надежности систем водоснабжения рудников Севера и разработать мероприятия по повышению устойчивости их работы в условиях отрицательных температур.
-
Исследовать смерзаемость отбитой горной массы при различных процессах горного производства и причины образования снего-ледяных пробок в вентиляционных трубопроводах и разработать мероприятия по их предотвращению.
-
Изучить условия развития процессов наледеобразования в откаточных и воздухоподающих штольнях нагорных рудников Севера и разработать технологические решения по защите их от обмерзания.
-
Обосновать возможность и эффективность энергосберегающего антиоб-леденительного способа временной консервации нагорных рудников Севера на базе аккумулирования и использования теплоты атмосферного воздуха.
Методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплекс методов исследований, включающий аналитические исследования, лабораторные и производственные испытания, теоретическое обобщение и математическую обработку экспериментальных данных. Оценка эффективности результатов работ проводилась путем практического внедрения разработок, осуществленных при участии автора в 1991-1997 гг. в ходе выполнения договорных научно-исследовательских работ на рудниках "Востоккварцсамоцветы" и "Северкварцсамоцветы".
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Надежность работы систем водоснабжения горных выработок в криоли-тозоне может быть повышена за счет обеспечения непрерывной циркуляции воды во время эксплуатации трубопроводов и их опорожнения на период длительных простоев с последующим наполнением перед началом проведения необходимых технологических операций.
-
Для предотвращения смерзаемости отбитой горной массы следует использовать: а) при проведении горнопроходческих работ для гидрообеспыливания раствор хлористого натрия, концентрация которого определяется температурой мерзлых пород; б) в очистных блоках с магазини-рованием руды - воздушно-тепловую обработку отбитой руды.
-
Образование снего-ледяных пробок в вентиляционных трубопроводах в условиях Севера можно избежать путем сбалансированного подсоса холодного воздуха по всей длине выработки, снижающего интенсивность конденсационных процессов в трубопроводах на устьях выработок (штолен).
-
Прогрессирующее обледенение откаточных, воздухоподающих и водоотливных штолен нагорных рудников Севера на стадии эксплуатации можно предотвратить путем периодического реверсирования общешахтной вентиляционной струи в зимний период, а на стадии консервации - путем аккумулирования теплоты атмосферного воздуха в летний
период и надежной изоляции вентиляционной сети от дневной поверхности в зимний период.
Достоверность научных положении подтверждена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и результатами внедрения безопасной технологии ведения подземных горных работ на месторождениях пьезокварца.
Научная новизна работ заключается в следующем:
-
Впервые обоснована и экспериментально подтверждена в отечественной практике возможность и эффективность использования теплоты атмосферного воздуха и горных пород таликовых зон месторождений для предотвращения обледенения горных выработок на стадии временной консервации рудников Севера.
-
Дано теплофизическое обоснование повышения надежности и экономичности рециркуляционных систем водоснабжения рудников Севера на базе использования теплоты трения.
-
Предложена и теоретически обоснована многосекционная схема проветривания тупиковых выработок большой протяженности с промежуточным подсосом воздуха, обеспечивающая снижение конденсационных процессов и отложений льда (инея) в вентиляционных трубопроводах.
Личнмн вклад автора заключается:
в проведении экспериментальных исследований и внедрении мероприятий по предотвращению технологических осложнений на рудниках ГШ "Востоккварсамоцвегы" и "Северкварцсамоцветы";
в разработке методов инженерных расчетов рециркуляционных систем водоснабжения и систем проветривания горных выработок в северном исполнении;
в идее и обосновании принципа антиобледенительного способа временной консервации нагорных рудников Севера;
в проведении и обобщении результатов натурных исследований теплового и вентиляционного режимов нагорных рудников.
Практическое значение работы состоит в том, что:
обоснованы и рекомендованы рециркуляционные системы водоснабжения горных выработок в криолитозоне, позволяющие внедрить комплекс средств гидрообеспыливания и повысить пожарную безопасность рудников;
предложен и апробирован воздушно-тепловой метод предотвращения смерзаемости руды в очистных блоках с магазинированием руды;
разработана и апробирована многосекционная схема проветривания тупиковых выработок большой протяженности, предотвращающая образование снего-ледяных пробок в вентиляционных трубопроводах;
» для конкретных мерзлотно-геологических условий месторождений пье- зокварца ("Перекатное", "Додо") и Малханского месторождения турма-
лина обоснованы и внедрены конкретные рекомендации по борьбе с обледенением выработок и управлению тепловым режимом подземных объектов на стадии эксплуатации и временной консервации рудников. Реализация работы. Результаты исследований (рециркуляционная система водоснабжения верхних горизонтов; рекомендации по предотвращению смерзаемости горной массы и обледенения откаточных выработок и вентиляционных трубопроводов; антиобледенительный способ консервации горных выработок) внедрен на подземных разведочно-эксплуагационных объектах ГГП "Востоккварцсамоцветы" и АО "Турмалхан".
Результаты диссертационной работы вошли в основу комплекса отраслевых руководств и методических рекомендаций по безопасной технологии ведения подземных разведочно-эксплуатационных работ в условиях многолетней мерзлоты ("Прогрессивные методы и средства вентиляции и борьбы с пылью при проведении подземных разведочно-эксплуатационных работ". (Методические рекомендации), Чита, ЗабНИИ, 1995; "Крепление подземных разведочно-эксплуатационных выработок в условиях многолетней мерзлоты на базе использования трубчатых анкеров взрывного закрепления". (Методические рекомендации), Чита, ЗабНИИ, 1997; "Практическое руководство по расчету и реализации антиобледени-тельных систем проветривания тупиковых выработок в условиях многолетней мерзлоты", Чита, ЗабНИИ, 1995; "Методические рекомендации по предотвращению криогенно-технологических осложнений при проведении подземных разведочно-эксплуатационных работ в условиях Севера", Москва, 1998).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
на Всероссийской студенческой конференции "Проблемы безопасности в природных и технических системах". - Иркутск, 1996 г.
на Республиканской научно-технической конференции "Проблемы освоения природных ресурсов Южной Якутии",- Нерюнгри,. 1996 г.
на Первом Международном научном симпозиуме "Молодежь и проблемы геологии". - Томск, 1997г.
на Международной научной конференции "Проблемы геологии и освоения недр". - Томск, 1998 г.
на Первой научно-технической конференции посвященной открытию Горного института ЧитГТУ. - Чита, 1998 г.
на VIII сессии Международного бюро по горной теплофизике. -Санкт-Петербург, 1998 г.
на Международном симпозиуме "Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая. - Чита, 1998 г.
на технической секции Ученого совета Забайкальского научно-исследовательского института. - Чита, 1998 г.
- на расширенном семинаре кафедры подземной разработки месторождений полезных ископаемых ЧитГТУ. - Чита, 1998 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 17 работ, в том числе четыре отраслевых методических рекомендации.
Объем и струїітура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и содержит 160 страниц машинописного текста, 47 рисунков и 3 приложения, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы на региональном и отраслевом уровнях.
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований и задачи исследований.
В первой главе дан краткий анализ состояния изученности проблемы, приведены мерзлотно-геологические и горно-технические условия объектов исследований, выделены наиболее характерные для рудников Севера технологические осложнения по температурному фактору, приведена методика исследований.
Во второй главе приведены теплофизическое обоснование и результаты испытаний рециркуляционных участковых систем водоснабжения горных выработок в условиях отрицательных температур. Приведены практические рекомендации по эксплуатации и повышению надежности систем водоснабжения.
В третьей главе приведены результаты исследований по предотвращению смерзаемости отбитой горной массы на базе использования растворов антифризов (хлористого натрия) и воздушно-тепловой обработки очистных блоков.
В четвертой главе дано обоснование и методика расчета антиобледени-тельной многосекционной системы проветривания тупиковых горных выработок большой протяженности.
В пятой главе рассмотрены условия наледеобразования в откаточных воздухоподающих выработках в зимний период. Обоснован метод борьбы с прогрессирующим обледенением откаточных выработок (штолен) на базе использования периодического реверсирования общешахтной вентиляции рудников и ресурсосберегающий противообледенительный ' способ консервации обводненных рудников Севера.
В заключении приведены основные выводы по работе.
Краткие сведения по изучаемому вопросу.
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.
Фундаментальные исследования по изучению тепло- и маслообмена в подземных выработках выполнены академиками А.Н. Щербанем и О.А. Кремневым.
Научные основы безопасной технологии подземной разработки месторождений в условиях Севера освещены в работах известных российских ученых В.П. Бакакина, Ю.Д. Дядькина, СВ. Потемкина, В.Н. Скубы, А.А. Зильберборда, П.Д. Чабана, В.В. Кудряшова, В.К. Куренчанина, Ю.В. Шувалова, Е.Т. Воронова, В.Г. Лукьянова, Б.Б. Кудряшова, ВА. Шерегова, Е.Н. Чемезова, Е.А. Ельчанинова, В.Ю. Изаксона, С.Г. Гендлера, А.Ф. Галкина, В.П. Афанасьева, И.П. Петрова, Н.К. Ступина и др. Благодаря. этим исследованиям на рудниках и подземных разведочно-экештуатационных объектах в северо-восточных регионах были внедрены высокопроизводительная горная техника и безопасная технология добычи полезных ископаемых, ресурсосберегающие системы регулирования теплового режима, эффективные методы борьбы с пылью и системы проветривания. Ведущими институтами в области совершенствования подземной разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты являются Санкт-Петербургский государственный горный институт (ЛГИ), ВНИИ-1 (г. Магадан), ИГД Севера ЛФ СО РАН (г. Якутск), ИГД им. А.А. Скочин-ского, Институт мерзлотоведения СО РАН, ИРГИРЕДМЕТ (г. Иркутск) и Др.
Анализ направлений исследований и публикаций по данной проблеме показывает, что недостаточно внимания уделено рассмотрению комплексного влияния криогенно-технологических осложнений на конкретных рудниках. Нет исследований и публикаций по разработке антиобледени-тельной технологии консервации обводненных рудников Севера. Большое разнообразие геокриологических и горно-технических условий месторождений в районах Севера обуславливает необходимость разработки конкретных мероприятий по предупреждению криогенно-технологических осложнений для каждого рудника (шахты).