CC BY
24
© C.B. Панишев, C.A. Ермаков, M.B. Каймонов, Д.С. Козлов, M.C. Максимов, 2013
УДК 622.876
С.В. Панишев, С.А. Ермаков, М.В. Каймонов, Д.С. Козлов, М.С. Максимов
КОМПЛЕКСНЫЙ МОНИТОРИНГ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД КАНГАЛАССКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА*
Изложены результаты натурных наблюдений температурного режима многолет-немёрзлых горных пород Кангаласского угольного разреза в массиве и поверхностном слое взорванных вскрышных пород в условиях последовательного обнажения забоя драглайна. Сделан вывод о том, что изучать процессы повторного смерзания горных пород следует раздельно, в зависимости от периодов года: 1) период весна-лето; 2) период осень-зима.
Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, смерзание, температура пород, открытые горные работы, размер среднего куска, драглайн.
Разработка многолетнемерзлых вскрышных пород при бестранспортной технологии с предварительным буровзрывным рыхлением в условиях месторождений крио-литозоны осложняется их повторным смерзанием, причём прочность смерзания может достигать нескольких МПа.
Оптимальный размер экскаваторного блока определяется исходя из величины сменного подвигания забоя, которая в свою очередь рассчитывается на основе установленной взаимосвязи между временем цикла драглайна и температурой пород в забое. При увеличении длины экскаваторного блока выше оптимальной многократно увеличивается вероятность смерзания взорванных пород в прочный монолит и, соответственно, падает общая производительность работы драглайна, связанная с увеличением его времени цикла [1].
Для определения закономерностей формирования температурного поля взорванных вскрышных пород на угольном разрезе «Кангаласский» в течение ряда лет проводятся натурные исследования:
- по стационарным скважинам на борту разреза, с применением стационарных термогирлянд и цифрового мультиметра в0М-450Т;
- по скважинам, забуренным по взрываемым блокам, с применением переносных термогирлянд и цифрового мультиметра в0М-450Т;
- в поверхностном слое забоя драглайна в процессе его работы. Температура поверхности измерялась по инфракрасному изображению, полученному при помощи тепловизора РУК-БС 660;
- температура и влажность воздуха измерялась при помощи регистраторов температуры и влажности воздуха «Сеп1ег-342», «Сеп1ег-314»
*Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований №12-05-98520-р_восток_а.
Рис. 1. Участок ведения горных работ.
и цифрового термометра «Ата-<^дй а<<20Ш».
Так же проводился хронометраж рабочего процесса, выполнялась оценка гранулометрии взорванной горной массы в развале и экскаваторном забое в различные периоды года.
Оригинальность и новизна данного метода натурных наблюдений заключается в комплексном подходе к мониторингу температурного режима многолетнемёрзлых горных пород непосредственно в массиве до взрыва, в развале горной массы после взрыва и в экскаваторном забое при работе драглайна в различные периоды года. Достоверность и полнота полученной информации обеспечивается применением современных высокочувствительных цифровых устройств и приборов.
В 2012 г. взрывные работы по вскрышным породам производились 3 раза. Первый и второй блок взорваны 21 апреля, второй взрыв был осуществлен 18 мая по первому вскрышному уступу, третий - 21 июня по второму вскрышному уступу. Средний объем первых 3-х блоков составил 40 тыс. м3. Объем последнего блока-13,6 тыс. м3. Породы вскрышных блоков представлены суглинками бурого цвета, слабосцементированным песчаником мелкозернистым и алевролитом. По степени взрываемости породы трудновзрываемые, категория взры-ваемости У1-У11. Коэффициент крепости по Протодьяконову 3-6.
На рис. 1 показан участок ведения горных работ в 2012 году и расположение скважин забуренных в массиве вскрышных пород.
Таблица 1
Результаты измерений кусковатости взорванного массива многолетнемерзлых пород в сезон 2012 г.
Дата заме- Диаметр среднего куска, Содержание кусков крупностью, мм /%/
ра мм
О О о о N о о м о о ? о о и? о о ас >800
© © © сч © м © © ю
19 апреля 195 13,2 26,2 24,3 14,3 7,8 14,1 0
21 апреля 253 4,5 18,1 24,4 18,2 18,1 16,7 0
18 мая 138 25,2 34,7 18,2 11,3 5,6 5,0 0,0
21 июня 228 7,3 22,2 23,0 18,7 9,0 19,7 0,0
Фотопланиметрическим методом выполнялись замеры кусковатости взорванного массива многолетне-мерзлых пород в развале и забое драглайна.
Результаты представлены в табл. 1 и на гистограмме (рис. 2). Отмечена стабильность по взрывам основного фракционного состава взорванной горной массы.
Рис. 2. Размер среднего куска пород вскрыши в различные даты проведения взрывных работ
Рис. 3. Производительность ЭШ-10.70 в сезон вскрышных работ 2012 г.
Полученный по результатам натурных замеров средний кусок породы, исходя из вместимости ковша, не превышает максимально допустимого для используемого на Кангаласском угольном разрезе драглайна ЭШ-10.70 (1,6 м).
Следует отметить некачественное дробление массива ММГП (многолет-немерзлых горных пород), обусловленное значительной обводненностью блоков (особенно первых), и отказами при взрывании. Так, например, с началом экскавационных работ по первому вскрышному блоку забой экскаватора представлял собой монолит, так как при подготовке буровзрывных работ во взрывных скважинах наблюдалось обводнение. Поэтому для дополнительного рыхления вскрышных пород был задействован экскаватор ЭКГ-5А.
В наибольшей степени это повлияло на работу драглайна в начале и конце сезона вскрышных работ (первый и третий взрывные блоки, рис. 3). Именно в эти периоды были отмечены смены с низкой производительностью драглайна.
В ранее проведённых исследованиях показано, что с повышением температуры пород в забое и уменьшением размера среднего куска производительность экскаватора повышается в несколько раз [2].
Были продолжены наблюдения динамики изменения температур в массиве по стационарным скважинам на борту разреза и скважинам, забуренным по взрываемым блокам. Скважины забурены в 2008 г.
Измерения температуры в них продолжаются по настоящее время. Глубина скважин составляет 19,5 м.
Скважина № 2 расположена за пределами горного отвода на дороге. Скважина № 3 - западнее дороги, проходящей вдоль западного борта разреза, ближе к участку ведения горных работ.
Наблюдения динамики температур по скважинам № 2 и 3 показали, что температурный режим в них можно характеризовать как нестабильный. Отмечены колебания температуры по глубине скважин. Анализ динамики температур по скважине № 2, показал, что по предыдущим замерам в 2008 г., нулевая температура в скважине наблюдалась на глубине 3 м - 8 августа. В 2010 г., нулевая температура в скважине была отмечена 19 августа на глубине 2 м, а в 2012 г., на той же глубине - 8 августа.
В скважине № 3, нулевая температура в 2008 г. наблюдалась на глубине 3м - 27 мая, а в 2010 г., она была достигнута 27 июня на глубине 2 м. В 2012г., - на той же глубине 16 июля. Результаты наблюдений за температурным режимом скважин за период 2012 г. представлены на рис. 4 и 5.
Наряду с мониторингом температуры в массиве пород по стационарным скважинам выполнялся мониторинг температуры по массиву пород
взрывных блоков с использованием временных скважин, забуренных при подготовке блока к взрыванию (рис. 6).
Отмечено, что температурный режим в массиве неустойчив, при этом средняя температура массива по взрывным блокам в 2 раза ниже, чем в скважинах на борту разреза, что обусловлено близостью дополнительной обнаженной поверхности (откос вскрышного уступа), способствующей глубокому промерзанию массива, в отличие от стационарных скважин, расположенных на большем удалении от откоса уступа.
Исследования температурного режима пород в развале и в забое драглайна проводились с использованием тепловизора РПН-БС 660. На рис. 7 представлен термографический снимок забоя драглайна во время экскавации взорванных многолетнемёрзлых пород вскрыши. Как видно из рис. 7 (съёмка производилась 03.05.2012 г., температура воздуха составляет + 17,2 °С, температура поверхности взорванного развала пород забоя от + 1,6 °С до +17,4 °С, температура вскрытых ковшом драглайна пород забоя от -0,6 °С до -2,7 °С. Разница температур пород на поверхности забоя и на глубине погружения ковша драглайна составляет около 15 °С, причём породы на глубине погружения ковша драглайна находятся в мёрзлом состоянии.
На рис. 8 представлен термографический снимок борта вскрышного уступа разреза. Съёмка производилась 18.07.2012 г.. Температура воздуха составляла +16,2 °С; температура поверхности пород борта вскрышного уступа немногим более +15 °С. В борту разреза чётко обозначены та-ликовые зоны, имеющие температуру отличную от окружающих пород (+9,1-+9,9 °С).
Рис. 4. График температур в скважине № 2 по массиву вскрышных пород
Рис. 5. График температур в скважине № 3 по массиву вскрышных пород
15
С1 1. 10
о ? в
Г! ЕС
-10
-15
, ж
-09.04.2012
----10.05.2012
-09.06.2012
•16.07.2012
•08.08.2012
0,5 1 1,5 2 3 5 7 10 12,5 15 17,5 19,5
Глубина измерении, м График температур в скважине № 3 по массиву вскрышных пород
12.09.2012
Таликовые зоны в борту разреза объясняются наличием в районе ведения работ линз льда, вскрытых горными работам которые начинают интенсивно таять по поверхности обнажения. Слева на рисунке отчетливо
видно направление стока оттаявшей влаги. В этих местах впоследствии происходит интенсивное оплывание и обрушение борта уступа. Не исключено также, и вскрытие криопэгов, которые возможно присутствуют на
0
5-1
£-2
■
в _4 = 4 г
и г -6 ♦----
lS.d4.i012 18.05.202 21.06.2012
— Скважины на блок* —■— С'квлжнна №2 —СкБалаша№3
Рис. 6. График температур по скважинам в борту разреза и взрышаемык блоках
участке эксплуатационных работ, что косвенно подтверждается наличием свободной воды в скважинах, забуренных по мерзлому массиву взрывных блоков.
Полученные результаты проведённых натурных исследований показы-
вают, что тепловизором наиболее хорошо диагностируются зоны знакопеременных температур в процессе отработки взорванного многолетне-мерзлого массива. При этом, зоны отрицательных температур оконтурива-ются всегда достаточно четко.
Натурными исследованиями установлены особенности теплового режима в развале взорванных мно-голетнемерзлых горных пород в периоды весна-лето, осень-зима при последовательном обнажении забоя.
В весенне-летний период на температуру поверхностного слоя оказывает
Рис. 7. Термографические исследования экскавации взорванныгх многолетне-мерзлых вскрышныгх пород на разрезе Кангаласский
Рис. ного
а)
8. Термографический снимок борта вскрыш-уступа с таликовыми зонами
влияние отрицательная температура в массиве, накопленная в зимний период и солнечная инсоляция. В условиях высоких положительных температур окружающего воздуха (до +20 °С и выше) и отрицательной температуры пород в забое в условиях его обнажения, это способствует интенсивной конденсации влаги на поверхности кусков породы и создает благоприятные условия для повторного смерзания (рис. 9, а).
б)
0
-5
3 -10
о. -15
Л- о. -20
е-
■л О. -¿5
<Н
Е -}0
£
а Н -}5
-40
-45
13.ЭН1 18.ЭН1 ^З.энг 28.ЭНГ 02. ноя 07,ноя 11.ноя 17. ноя 11. ноя ноя
•Температура пород в забое "Температура воздуха
Рис. 9. Температура пород в забое: а) в весенне-летний период; б) в осенне-зимний период
В осенне-зимний период температура в этом слое формируется за счет тепловой инерции массива, накопленной летом и воздействия низких температур окружающего воздуха. При этом, отрицательная температура поверхностного слоя развала в условиях его обнажения хотя и выше в среднем на 10-14 °С температуры окружающего воздуха, но совпадает с ней по знаку, что замедляет процесс смерзания взорванного массива (рис. 9, б).
Таким образом, в эти периоды во взорванном многолетнемерзлом мас-
сиве происходят различные по своей физической природе процессы про-мерзания-протаивания, обуславливающие интенсивность смерзания и эффективность экскавации горных пород.
Поэтому изучать процессы смерзания горных пород следует раздельно, в зависимости от периодов года: 1) период весна-лето; 2) период осень-зима.
В связи с этим, время цикла драглайна для этих периодов впервые предложено определять по отдельным эмпирическим зависимостям [3, 4].
1. Панишев C.B. Обоснование рациональных параметров бестранспортной системы разработки многолетнемерзлых вскрышных пород. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1999. - 87 с.
2. Панишев C.B., Ермаков C.A., Алькова Е.Л. О влиянии гранулометрии взорванного массива многолетнемерзлых пород на производительность драглайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - №9. С. 93-98.
3. Панишев C.B., Ермаков C.A., Каймонов M.B. Исследование влияния
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
температурного режима взорванных многолетнемерзлых пород Кангаласско-го месторождения на производительность драглайна // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - №7. - С. 146-150.
4. Панишев C.B., Ермаков C.A. Влияние температурного режима на эффективность разработки вскрышных пород месторождений криолитозоны // Физ.-техн. пробл. разраб. полез. ископаемых. - 2013. - № 2. - С. 132 - 138. ГГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Панишев Сергей Викторович - старший научный сотрудник, кандидат технических наук, е-шаН: [email protected]
Ермаков Сергей Александрович - заведующий лабораторией открытых горных работ, старший научный сотрудник, кандидат технических наук, [email protected] Каймонов Михаил Васильевич - старший научный сотрудник, кандидат технических наук, е-шаП: [email protected]
Козлов Денис Сергеевич - ведущий инженер, [email protected] Максимов Михаил Саввич - инженер, [email protected]
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.
