Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Мониторинг термомеханического состояния многолетнемерзлого массива горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых на Севере Самохин, Анатолий Васильевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Самохин, Анатолий Васильевич. Мониторинг термомеханического состояния многолетнемерзлого массива горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых на Севере : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.15.11.- Кемерово, 1994.- 42 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность. Развитие горнодобывающих отраслей промышленности России в -значительной мере зависит от успешного -освоения месторождений полезных ископаемых, расположенных в зоне развития криолитозоны. Здесь в настоящее время добывается 98% алмазов, более 60% золота, около 50% олова, имеется около трех четвертей российских запасов каменных углей, железная руда, разведаны запасы нефти и газа, драгоценных и редких металлов и др. Освоение северных и северо-восточных районов России и эксплуатация их недр сопряжены- с большими затратами и трудностями, вызванные отдаленностью этих районов от крупных промышленных центров, суровыми климатическими условиями, острой нехваткой рабочей силы, сложными горнотехническими и геокриологическими условиями разработки месторождений полезных ископаемых.

В связи с этим, для обеспечения эффективного развития горнорудной промышленности требуются новые подходы и методы оперативного, краткосрочного и долгосрочного прогнозов термомеханического состояния (ТМС), без чего невозможно принимать квалифицированные решения при производстве горных работ в многолетней мерзлоте.

Экспериментальные наблюдения за термомеханическим состоянием (температурные наблюдения, а также измерения смещений и напряжений) длительны и трудоемки и не могут охватить всего природного многообразия. Срок службы станций для наблюдений за ТМС горных пород из-за тяжелых условий работы (низкая температура, наличие засоленной воды, содержащей агрессивные ингредиенты) составляет не более трех лет, что значительно меньше срока службы горного предприятия. Восстановление наблюдательных станций трудоемко и дорого, а в отдельных случаях (в вертикальных стволах, например) невозможно. Применение для прогноза термомеханического состояния эмпирических формул, полученных обработкой результатов наблюдений, не удается в случае изменения режима вентиляции, сечения выработки, систем разработки и т. д.

Эффективность решения исследуемой проблемы во многом определяется привлечением математического аппарата для решения задач термомеханики горных пород. Развитие горной науки,

особенно в последнее время, сталкивается с несовместимостью точных методов анализа горных задач и практики ведения открытых и подземных работ.

. Ярким примером подобной ситуации _ являются успехи, достигнутые в геомеханике горных пород, когда напряженно-деформированное состояние массива горных пород может быть просчитано с учетом множества факторов (объемного характера задачи, неоднородности и анизотропности массива, с учетом его реологических свойств и др. ) и почти полного отсутствия технологических предложений или практических . решений.

Возникает ощущение психологического дискомфорта, когда, получив в результате изощренного математического программирования поля напряжений и деформаций, и имея возможность улучшить и даже усилить решение, оказываемся перед невозможностью применить его для практических задач горного дела (устойчивость выработки, расчет крепи, безопасность, определение технологических параметров и т. д.).

В связи с этим приобретает актуальность научная проблема разработки мониторинга термомеханического состояния массива при освоении месторождений полезных ископаемых, решение которой позволит учесть особенности поведения многолетнего мерзлого массива при технологическом воздействии и поднять на качественно новый уровень прогноз ТМС.

Диссертационная работа непосредственно связана с научным направлением ИГД Севера СО РАН "Исследование тепловых и механических процессов в массивах мерзлых горных пород и создание методов разработки месторождений полезных ископаемых Севера на основе управления этими процессами" и текущими планами НИР по темам-. "Разработка научных основ крепления и поддержания капитальных и подготовительных выработок в условиях многолетней мерзлоты" (N 80070053); "Моделирование результатов технологических воздействий на многолетнемерзлые породы" (N 0187. 0096035); "Разработка методов исследования состояния и структуры массивов многолетнемерзлых горных пород для создания нетрадиционных технологий отработки месторождений Севера" (01920013890).

Цель работы - повышение устойчивости мерзлых обнажений при технологических воздействиях на основе развития методов прогнозирования и управления термомеханическими процессами.

Идея "" работы " ""-~"~ заключается в установлении и
использовании факта изменения термомеханического состояния,
свойств и поведения мяоголетнемерзлых горных пород под влиянием
климатических и технологических факторов при выполнении
мониторинга. \

Основные задачи исследований:

  1. Выявить закономерности поведения многолетнемерзлого массива горных пород (ММГП) при разработке месторождений полезных ископаемых.

  2. Провести анализ применения мониторинговых систем в геомеханике и, на этой основе, разработать концепцию мониторинга термомеханического состояния массива.

  1. Разработать алгоритм и универсальную программу получения тепловых и механических параметров массива, в основу которых положены экспериментальные данные о его состоянии.

  2. Разработать методику проведения измерений температур и напряжений при исследованиях термомеханического состояния массива в экстремальных условиях Крайнего Севера и предложить поправки к показаниям фотоупругих датчиков.

5. Выявить особенности протекания термомеханических
процессов вокруг горных выработок, пройденных по
многолетнемерзлым породам, и развить решение упругой задачи о
напряженно-деформированном состоянии в приконтурной
части массива с учетом формирования ореола протаивания.

6. Разработать расчетный метод определения типа и
параметров крепи капитальных выработок и их сопряжений для
угольных шахт Северо-Востока России, находящихся в эксплуатации
при положительном, знакопеременном и отрицательном тепловых
режимах.

7. Оценить влияние тепловых процессов на устойчивость
вмещающих многолетнемерзлых пород вокруг устьевых частей
вертикальных стволов, оснований фундаментов башенных копров и
разработать эффективные способы по сохранению этих пород в
мерзлом состоянии в течение всего срока эксплуатации.

8. Исследовать динамику процессов протаивания-промерзания
вмещающих пород вокруг устья вертикальных стволов и разработать
методику выбора оптимальных параметров замораживающего
комплекса на период эксплуатации рудника, учитывающую наличие
теплоизолирующего слоя в кессонах тюбинговой крепи.

9. Установить закономерности динамики температурного
состояния массива под теплоизолирующими покрытиями, выполненными
из вспененных пластмасс и разработать метод выбора параметров
этих покрытий, учитывающего основные климатические и
технологические факторы.

Методы исследований.

В работе использован комплекс методов, включающий:

-натурные исследования температур, смещений и напряжений на шахтах, рудниках и карьерах Северо-Востока России для получения данных о состоянии массива при технологических воздействиях;

-моделирование на эквивалентных материалах процессов теплообмена на сопряжениях горных выработок для расчета величины протаивания в трехмерной постановке,-

-анализ экспериментального материала с применением методов математической статистики;

-математическое моделирование тепловых и механических процессов на ПЭВМ;

-опытно-промышленная проверка разработанных методов, методик и рекомендаций на шахтах и рудниках Северо-Востока России.

Научные положения, выдвигаемые на защиту:

  1. Геокриологические условия при разработке месторождений полезных ископаемых в криолитозоне сложны и разнообразны и поэтому при выполнении прогноза ТМС необходим дифференцированный подход, учитывающий изменение напряженно-деформированного состояния массива при технологических воздействиях.

  2. Прогноз напряженно-деформированного состояния мерзлого массива обеспечивается дифференцированным подходом, включающим учет типа теплового режима, величины ореола протаивания, изменение прочностных и упругих характеристик пород в нем. При этом рассматривается высокая устойчивость мерзлых обнажений при сохранении отрицательной температуры массива.

3. Результативность математического моделирования

термомеханического состояния возрастает с использованием экспериментальных данных, полученных в конкретной обстановке, для выбора тепловых и механических характеристик массива.

4. Тепловые и механические характеристики массива горных

пород, необходимые для выполнения прогноза ТНС, определяются симплексным методом, использующим экспериментальные данные о состоянии массива и обладающим простотой реализации на - ЭВМ, универсальностью и возможностью применения при малых и различных по разным осям градиентах функций.

  1. Взаимовоздействие тепловых и механических процессов в приконтурной части массива приводит к тому, что нагрузка на крепь горных выработок, пройденных по многолетнемерзлым породам, преимущественно формируется только со стороны кровли, при незначительных проявлениях бокового горного давления. В то же время интенсивность смещений мала и находится в пределах технологической- податливости жестких крепей.

  2. Нагрузку на крепь при отрицательном тепловом режиме следует определять как массу пород в пластической зоне, подсчитанную с учетом изменения прочности в приконтурном массиве. При положительном и знакопеременном тепловых режимах нагрузка на крепь формируется в пределах глубины протаивания и наилучшей моделью, описывающей взаимодействие крепи и пород, является жесткопластическая модель, определяющая расчетную схему.

?. Тепловые процессы в устьевой части вертикальных стволов наиболее интенсивны, т.к. формируются в результате взаимного влияния теплообмена на земной поверхности и внутри ствола. Вмещающие породы представлены высокольдистыми трещиноватыми породами','теряющими "свою ' прочность при протаивании, поэтому требуется'их сохранение в мерзлом состоянии на всех стадиях строительства и эксплуатации.

8. Устойчивость оснований фундаментов' башенных копров
вертикальных стволов достигается: созданием искусственной
замораживающей системы, поддерживающей вмещающие породы в
мерзлом состоянии,- возведением теплозащитного слоя на стенках
крепи в устьевой части, снижающей теплообмен между рудничной
атмосферой и крепью.

9. Тепловые потоки со стороны ствола и со стороны
замораживающих скважин — уравновешиваются "* (нулевая' г~ изотерма

< находится на контакте порода-крепь): величиной термического сопротивления теплоизоляции и температурой воздуха, подаваемого в рудник, количеством замораживающих устройств, их диаметром и температурой хладоносителя.

10. Криогенные процессы ( протаивание, промерзание, растрескивание, физическое и химическое выветривание, диспергирование и т. д.) при обнажениях мерзлых пород на бортах карьеров приводят к осыпям, вывалам и сползанию бермы. Главным фактором, интенсифицирующим эти процессы является сезонный перепад температур. Тепловая защита, выполненная из вспененных пластмасс типа РИП0Р-6ТН, снижает температурное воздействие в 5-7 раз, уменьшает величину протаивания в два раза и создает поверхностное упрочнение пород..

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснован новый подход к прогнозу термомеханичского
состояния мерзлого массива при технологических воздействиях,
отличительной чертой которого является:

-получение тепловых и механических параметров массива на основе экспериментальны:: данных о его состоянии для чего разработан алгоритм и универсальная программа,-

-применение методики измерения температур и напряжений, учитывающей экстремальные условия Крайнего Севера.

  1. Установлены закономерности изменения термомеханического состояния в окрестности выработки и взаимовлияние тепловых и механических процессов в пределах ореола протаивания. Введено новое понятие "коэффициент влияния неоднородности", позволяющее учесть изменение напряженного состояния в окрестности выработки за счет изменения упругих и прочностных параметров в результате изменения температуры в приконтурной части.

  2. Разработан метод расчета нагрузок на крепь капитальных горных выработок и их сопряжений для угольных шахт Северо-Востока России, в основу которого положен метод упругого наложения , с привлечением выявленных зависимостей : упругих и прочностных свойств пород от температуры, величины протаивания и параметров теплового режима.

  3. Обоснован и разработан комплекс мер по управлению тепловыми процессами во вмещающих породах вокруг устья вертикальных стволов, включая автоматическую работу

замораживающего комплекса в оптимальном режиме, что достигается постоянно действующей системой термометрического контроля.

  1. Разработан и реализован численный алгоритм прогноза термомеханического состояния-^ массива НМГП _ вокруг устья _ вертикальнных стволов, основанного на учете: моделирования любого числа скважин и их взаимного влияния , зависимости физических параметров среды от температуры,- влияния на динамику температурного поля массива температуры воздуха в стволе, при этом температура может задаваться по любому, наперед заданному закону.

  2. Разработан новый метод расчета параметров тепловой защиты откосов глубоких карьеров кимберлитовых месторождений, учитывающий альбедо поверхности откоса, географическое расположение месторождения, влажность и температуру пород, а также переменную толщину теплоизоляционного покрытия.

  3. Предложена технология нанесения вспененных пластмасс на откосы карьеров при низких температурах в ранневесенний период,

,обеспечивающая высокие механические, теплофизические и адгезионные свойства теплоизолирующих экранов из вспененных пластмасс.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается:

-большим объемом экспериментального материала,полученного

автором на 11 горнодобывающих предприятиях Северо-Востока России

в течение 15 лет-,

6
-сравнением прогнозных нагрузок, расчитанных по

разработанной методике, с несущей способностью крепи для 120

выработок протяженностью 41000 м., находящихся в эксплуатации,

показавшим хорошую сопоставимость,- 1

-удовлетворительным совпадением значений температур: в кровле горных выработок подземного холодильника, устьевых частей скипового и клетьевого стволов рудника "Интернациональный", откосах карьера "Мир", полученных адаптированной моделью с экспериментальными наблюдениями,-

-положительными результатами внедрения методик,

методических указаний и рекомендаций для угольных шахт Якутиий, Магаданской области, горных предприятий АК "Алмазы России-Саха".

Личный вклад автора заключается В:

-разработке теоретических положений, развивающих

перспективное направление термомеханики мерзлых горных пород -
мониторинг термомеханического состояния, включающий

формирование информации о состоянии массива, разработку математических моделей и их адаптацию по экспериментальным данным, выполнение прогноза ТМС при технологических воздействиях, организации, проведении исследований и опытных работ в производственных условиях,-

-выявлении особенностей, связанных с разработкой методики проведения измерений температур и напряжений при исследованиях термомеханического состояния массива в экстремальных условиях Крайнего Севера,-

-установлении характера протекания термомеханических процессов вокруг горных выработок, пройденных по много-летнемерзлым породам, учитывающего изменение упругих и прочностных характеристик пород в пределах ореола протаивания;

-разработке методики определения типа и параметров крепи капитальных горных выработок и их сопряжений для угольных шахт, находящихся в эксплуатации при положительном, знакопеременном и отрицательном тепловых режимах,-

-установлении влияния тепловых процессов на устойчивость вмещающих многолетнемерзлых горных пород вокруг устьевых частей вертикальных стволов и разработке мероприятий по сохранению их в мерзлом состоянии на всех стадиях строительства рудника ;

-исследовании динамики температурного поля во вмещающих породах вокруг устьевых частей вертикальных стволов с помощью вычислительного эксперимента в зависимости от: величины термического сопротивления теплоизоляции, температуры рудничной атмосферы, количества замораживающих устройств и их диаметра, а также температуры хладоносителя,-

-выявлении закономерностей динамики протаивания-промерзания в процессе управления температурным режимом с помощью теплозащитного покрытия переменной толщины и разработке рекомендаций по его возведению на откосах карьеров кимберлитовых месторождений при низких температурах,-

-разработке и внедрении с получением реального экономического эффекта на предприятиях горнодобывающей промышленности

Северо-Востока' России рекомендаций по совершенствованию крепления различных горных выработок для угольных, россыпных и

кимберлитовых месторождений.

Практическая ценность работы состоит в том, что

результаты исследований ПОЗВОЛЯЮТ:

-методически обеспечить ведение мониторинга при разработке месторождений полезных ископаемых в условиях многолетней мерзлоты, позволяющего выполнять оперативный, краткосрочный и долгосрочный прогнозы термомеханического состояния на более высоком качественном уровне,-

-вести расчет параметров крепи по нормативным документам, учитывающим специфические особенности проведения и поддержания горных выработок в многолетней мерзлоте,-

-выбрать параметры тепловой защиты откосов, карьеров и вести работы по нанесению вспененных пластмасс при низких температурах с производительностью не менее 60 м2 в смену,-

-реализовать в производственных условиях бесцеликовую технологию разработки угольных пластов средней мощности пологого залегания,-

-реализовать мероприятия по укреплению оснований башенных копров вертикальных стволов рудника "Интернациональный" путем искусственного поддержания вмещающего массива в мерзлом состоянии, что обеспечивает их работоспособностость в течение всего срока службы при термометрическом контроле.

Реализация работы. Результаты работы переданы

горнодобывающим предприятиям Северо-Востока России в виде:

-рекомендаций по креплению выработок с применением
негорючей стеклотканевой затяжки в условиях ПО

"Северовостокуголь" (1982 г.), которые внедрены шахтой "Анадырская" (фактический экономический эффект 30,3 тыс.руб);

- рекомендаций по бесцеликовой подготовке угольных пластов
(1983), утвержденных ПО "Якутуголь" и принятых к внедрению
шахтой "Сангарская" (фактический экономический эффект 92,2

ТЫС. руб) ;

- методических указаний по определению нагрузок на крепь
капитальных горных выработок и их сопряжений для угольных шахт
области многолетней мерзлоты. -Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984.- 32

с., утвержденных в МУП СССР и используемых в угольных пахтах Северо-Востока России и институте "Дальгипрошахт" (фактический экономический эффект 64,6 тыс. руб.);

- методических рекомендаций по расчету параметров
крепления и теплоизоляции вскрывающих выработок россыпных шахт
области многолетней мерзлоты. - Якутск: ЯФ СОАН СССР, 1988.- 20
с, утвержденных ПО ,"Якутзолото" и принятых к внедрению ГОК
"Джугджурзолото" (фактический экономический эффект на один
ствол - 21, 1 тыс. руб. ) ;

- рекомендаций по строительству подземного холодильника в
г. Мирном (1990), переданных на рудник "Интернациональный";

- технического задания на . проектирование системы
термометрического контроля в горных породах вокруг устья
вертикальных стволов (1991), переданных тресту "Шахтспецстрой"
и использованных при составлении проекта;

рекомендаций по нанесению теплоизоляционного покрытия из вспененных пластмасс на откосы карьера "Мир" (1992), переданных ГОКу "Мирный" (ожидаемый экономический эффект 3,2 млн. руб.);

мероприятий по поддержанию оснований башенных копров вертикальных стволов рудника "Интернациональный" в работоспособном состоянии в течение всего срока службы (1992), переданных институту "Якутнипроалмаз" (фактический экономический эффект 1,2 млн. Руб.);

методики выбора параметров замораживающих устройств для сохранения в мерзлом состоянии оснований фундаментов башенных копров вертикальных стволов (1992), переданных институту "Якутнипроалмаз" (фактический экономический эффект 15 млн. руб.).

Результаты исследований используются при чтении курсов в
Якутском государственном , университете: "Технология и

комплексная механизация подземной разработки месторождений полезных ископаемых" и "Проведение и крепление горных выработок" по специальности 0202.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и были одобрены: на УП Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Днепропетровск, 1981г.), на Всесоюзной конференции "Проблемы механики подземных сооружений" (г.Тула, 1982г.), научно-технической конференции "Проблемы освоения минеральных

ресурсов Якутии" (г.Якутск, 1982г.), на П семинаре по горной геофизике (г. Сухуми, 1983г.), на УШ, IX и XI Всесоюзных семинарах " Исследования горного давления и способов охраны капитальных и подготовительных выработок" (г. Якутск, 1982 г., г.Новосибирск, 1984г., г.Кемерово, 1986г.), на научно-технической конференции "Новые направления и методы при поисках и разведке полезных ископаемых" (г. Якутск, 1986г. ), на У Международной конференции по мерзлотоведению (Норвегия, г. Трондхейм, 1988г.), на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сибири (г. Улан-Удэ, 1990г.), на X Всесоюзной научной конференции ВУЗов СССР "Физические процессы горного производства" (г. Москва, 1991г.).

Отдельные разделы диссертации докладывались на технических совещаниях: ПО "Северовостокуголь", ПО "Якутуголь", АК "Золото Якутии", АК "Алмазы России-Саха", ГОКа "Мирный", треста "Шахтспецстрой", проектных институтов "Дальгипрошахт", "Днепрогипрошахт" и "Якутнипроалмаз".

Диссертация докладывалась на техническом совещании ГОКа "Мирный" и на расширенном семинаре ИГД СО РАН г.Новосибирска.

Публикации. Содержание диссертации отражено в 30 печатных работах, включая 1 монографию, 2 препринта, 3 методических разработки.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения и списка использованной литературы из 192 наименований, расположенных на 282 страницах машинописного текста, включая 41 рис. , 29 табл. , а также приложения на 64 стр.