CC BY
50
© М.В. Каймонов, Ю.А Хохолов, А.С. Курилко, 2010
УДК 622.274
М.В. Каймонов, Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко
РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ СМЕРЗАНИЯ ОТБИТОЙ РУДЫ В ОЧИСТНЫХ БЛОКАХ РУДНИКОВ КРИОЛИТОЗОНЫ
В статье приведены разработанные рекомендации по предотвращению смерзания отбитой мерзлой руды в очистных блоках рудников криолитозоны, которые включают мероприятия по уменьшению фильтрации рудничного воздуха через блок отбитой руды, по регулированию температуры и влажности рудничного воздуха, а также технологические мероприятия.
Ключевые слова: криолитозона, смерзание руды, очистные блоки, рудный воздух.
Семинар № 18
ТУ лаборатории горной теплофи--О зики ИГДС СО РАН разработаны математические модели тепломассообмена рудничного воздуха с отбитой мерзлой рудой с учетом образования льда в её пустотах за счет конденсации влаги в зависимости от температуры, теплофизических свойств, гранулометрического состава, пустотности отбитой руды, скорости фильтрации и температурно-влажностного режима поступающего воздуха. Разработанная методика расчета температурно-влажностного состояния блока отбитой мерзлой руды при фильтрации воздуха позволяет выявить зоны интенсивного льдонакопле-ния и смерзания отбитой руды. Результаты численных расчетов показали, что при фильтрации воздуха через блок отбитой мерзлой руды в его нижней части постепенно образуется зона максимального льдонакопления за счет конденсации и замерзания влаги. На практике это может привести к образованию сплошной льдопородной плиты, что недопустимо с позиций ограничения выпуска. В соответствии с расчетами, максимальное значение накопленной влаги может достигать 3—4%, а в экспериментальных исследованиях cмерзание происходит
при поверхностной влажности 1,5—2% [1, 2], что в 2 раза ниже значений, полученных в расчетах. Таким образом, разработанная методика расчета позволяет определить глубину и скорость льдонакопления, приводящего к смерзанию отбитой руды, что немаловажно для практики. Прогноз динамики льдонакопления важен для разработки рекомендаций и превентивных мероприятий по предупреждению этих негативных процессов.
Выполненные исследования на разработанных математических моделях позволили выявить физическую природу и общие качественные и количественные закономерности процессов влаго- и льдонакопления в блоках с отбитой рудой, осложняющих выпуск в зависимости их от природных, тепловых, вентиляционных и технологических условий ведения очистных работ [3]. Полученные результаты позволили обосновать основные принципы, направление пути разработки превентивных мероприятий, реализация которых позволит обеспечить стабильный режим ведения технологических операций.
Мероприятия по уменьшению фильтрации рудничного воздуха в блоке отбитой руды. Одним из основ-
ных направлений по нейтрализации процесса смерзания руды должна быть разработка мероприятий по уравновешиванию давлений воздуха (нулевое значение депрессии) на нижней и верхней границах блока отбитой руды, которые позволят уменьшить скорость фильтрации рудничного воздуха через отбитую руду и, как следствие этого, замедлить конденсационное влаго- и льдонакопление. Интенсивность фильтрационных процессов можно снизить изменением структуры вентиляционного участка и увеличением (уменьшением) аэродинамического сопротивления.
Параметры, определяющие величину аэродинамического сопротивления блока отбитых пород, разделяются на следующие группы: мощность (высота блока), угол падения, пористость (пустот-ность), физико-технические параметры отбитой руды.
Высота блока определяется применяемой системой разработки, технологией ведения очистных работ и параметрами использования добычного оборудования. С её увеличением аэродинамическое сопротивление будет возрастать, а фильтрация воздуха через отбитые породы замедляться.
Влияния угла падения на аэродинамику выработанного пространства показывают их существенную взаимосвязь (К.З. Ушаков, Л.А. Пучков и др.). Но этот параметр обуславливается геологическими особенностями месторождения, поэтому управлять им не представляется возможным.
Пористость (пустотность) блока отбитой руды зависит от множества факторов: крепости отбиваемых пород,
применяемой технологии и условий взрывной отбойки (в зажатой среде, на свободное пространство и т.д.).
Как показали лабораторные исследования и расчёты, чем меньше порис-
тость блока, тем ближе к началу фильтрационного пути располагается зона накопления конденсата. В тоже время мощность образовавшейся зоны интенсивного льдонакопления при одной и той же пористости может меняться в значительных пределах в зависимости от физико-технических параметров и теплофизических свойств отбитой породы.
К основному физико-техническому параметру, определяющим пустотность и аэродинамическое сопротивление блока, следует отнести гранулометрический состав отбитой породы и средний размер кусков; с ростом её кусковатости возрастает количество и размеры сквозных фильтрационных каналов, что благоприятствует прохождению воздуха.
Как известно, при одной и той же величине среднего куска и пористости величина проницаемости блока отбитых пород может сильно отличаться. Существенное значение на проницаемость оказывает присутствие в отбитых породах мелкозернистой фракции и негабаритов. Эти факторы зависят от крепости пород и применяемой технологии взрывного разрушения.
Исследования на математических моделях показали, что зона накопления влаги (льда) варьирует по высоте блока в зависимости от размеров кусков отбитой руды; при его уменьшении влага накапливается в нижних слоях отбитых пород и способствует их смерзанию. И наоборот, при увеличении этого параметра распределение влаги более равномерное по высоте блока, а накопление влаги до «критических» значений происходит в замедленном темпе.
Полученные результаты свидетельствуют, что процессом смерзания руды можно управлять, внеся коррективы в паспорт ведения буро-взрывных работ
для получения нужной кусковатости отбитой руды.
Как показали исследования, на интенсивность накопления влаги в значительной степени оказывают так же теплофизические параметры, в частности теплоёмкость руды. Основным фактором, определяющим этот показатель, является её естественная влажность, т.е. количество влаги, содержащейся внутри куска отбитой породы. Чем выше внутренняя влажность отбитой руды, тем выше её теплоёмкость, тем интенсивнее и ближе к границе происходит процесс конденсации влаги из воздуха и ее замерзания. Управлять этим фактором не представляется возможным, но его учёт обязателен, т.к. он оказывает сильное влияние на вышеприведённые параметры.
Исходя из задачи минимизации фильтрации рудничного воздуха через блок отбитой руды, вентиляционной службой рудников, отрабатывающих мерзлотные горизонты, должны проводиться специальные мероприятия направленные на уменьшение разности давлений воздуха на нижней и верхней границах очистных блоков. Этого можно добиться, например, установкой вентиляционных дверей, вентиляторов местного проветривания для выравнивания давления на границах блока, изоляцией очистного пространства и т.д.
Мероприятия по регулированию температуры и влажности рудничного воздуха. Другим (наряду с вышеперечисленными) фактором, определяющим интенсивность льдонакопления, является тепловой и вентиляционный режим рудника. В частности, температура и влагосодержание воздуха поступающего в блок. Направленным регулированием этих параметров можно
управлять процессом конденсационного влаго- и льдонакопления.
Влагосодержание воздуха напрямую зависит от его температуры. Так, при нормальном атмосферном давлении 760 мм.рт.ст., температуре рудничного воздуха +5 °С и относительной влажности 100%, его влагосодержание будет 6,8 г/кг, а при температуре рудничного воздуха минус 7°С, его влагосодержание будет 2,8 г/кг. Тогда в случае фильтрации воздуха температурой +5 °С и относительной влажности 100% со скоростью 0,1 м/с через площадь сечения 1 м2, в породе, имеющей температуру -7 °С в течение одного часа может накопиться до 1,44 кг воды на поверхности кусков породы.
Как показали расчёты, наиболее существенное влияние на интенсивность процесса накопления льда в пустотах отбитой руды имеет температура поступающего в блок воздуха, которая для большинства шахт и рудников определяет его влагосодержание. Так, для варианта расчётов приведённого в п. 4.3 настоящей работы, при температуре поступающего воздуха +1 °С и относительной влажности 100% в течение 120 ч после начала фильтрации количество накопленного льда в зоне активного льдонакопления составляет менее 1%. При более высокой температуре +3 °С (и соответственно более высоком влагосо-держании) этот показатель составляет чуть более 2% за этот же промежуток времени; соответственно при температуре +5° С количество накопленного льда составляет уже 3,8 %. Т.е. при увеличение температуры поступающего воздуха (и соответственно его влагосо-держания) возрастает интенсивность льдонакопления и вероятность смерзания отбитой руды.
Проведённые расчёты свидетельствуют, что в случае поступления в блок с
отбитой мёрзлой рудой тёплого рудничного воздуха с относительной влажностью менее 100%, зона конденсации сдвигается в глубину блока. Это объясняется тем, что в начале фильтрационного пути в породе конденсации влаги не происходит, при продвижении воздуха вглубь блока в результате теплообмена температура воздуха и давление насыщенных паров уменьшаются, а относительная влажность воздуха увеличивается. При достижении температурой точки росы, относительная влажность будет равна 100%. При дальнейшем снижение температуры будет происходить конденсация паров воды из воздуха. Таким образом, управляя температурой и относительной влажностью воздуха поступающего в блок отбитой руды, можно добиться того, что зона активного льдонакопления либо не будет вообще возникать, либо будет иметь незначительную интенсивность, недостаточную для смерзания отбитой руды.
С увеличением относительной влажности воздуха поступающего в блок отбитой руды количество накопленного льда возрастает и зона конденсации сдвигается в начало фильтрационного пути.
В зимний период, когда температура рудничного воздуха ниже естественной температуры отбитых пород в результате теплообмена их температура понижается, а температура воздуха повышается. При этих условиях процессов конденсации влаги из рудничного воздуха и накопление льда в блоке отбитой руды не происходит.
Как показали расчёты, в некоторых случаях, когда температура поступающего рудничного воздуха превышала определённое значение для конкретных условий (зависящее от естественной температуры отбитой руды, её теплоём-
кости, пористости блока) происходило растепление отбитой руды. Температура поверхности кусков породы становится положительной и сконденсированная влага, накапливаясь, остаётся в жидком состоянии. Здесь следует отметить следующий момент. В случае прекращения по каким-либо причинам фильтрации тёплого рудничного воздуха до момента, когда весь массив ещё не принял положительную температуру, неизбежно начнётся обратный процесс — замерзание конденсата и, соответственно, смерзание отбитой руды за счёт хладозапаса, имеющегося внутри куска.
В переходный период (весной и осенью), когда изменения температуры поступающего воздуха в блок отбитой мёрзлой руды в течение суток имеют знакопеременный характер с положительной на отрицательную и наоборот, процессы влаго- и льдонакопления в пустотах блока носят нерегулярный характер, а вероятность смерзания возрастает.
Интенсивность конденсационных процессов можно снизить регулированием теплового режима воздуха, поступающего в блок с отбитой мёрзлой рудой. Применением известных способов и специальных установок по его охлаждению и осушению в летний период можно добиться равенства температур воздушного потока и породного массива, уменьшив тем самым скорость льдообразования и смерзания отбитой руды.
Для этих целей, в частности, могут быть рекомендованы к использованию горнотехнические способы основанные на использовании холода породного массива. Например, специально пройденные теплоаккумулирующие выработки (А.Ф. Галкин, Ю.А. Хохолов), в которых рудничный воздух при продвижении к очистному блоку с отбитой мёрзлой рудой в результате тепло- и
массообмена со стенками такой выработки будет охлаждаться и осушаться.
С другой стороны, нагревание воздуха до высоких значений положительных температур (например, с помощью калориферов), поступающего в очистную выработку, без увеличения его влагосо-держания приведёт к тому, что его относительная влажность резко понизится. В этом случае, при фильтрации воздуха через отбитую мёрзлую руду интенсивность процессов конденсации замедлится, а зона активного влаго- и льдонакопления переместится в глубину блока и её максимальные значения будут незначительны.
Технологические мероприятия. Проведённые исследования свидетельствуют, что внося коррективы в отдельные параметры системы разработки и технологические процессы добычи можно в определённой степени управлять процессами смерзания отбитой руды. К ним, в частности, следует отнести изменения (увеличение, уменьшение) объём блока и интенсивность выпуска отбитой руды.
Особую значимость, в плане предотвращения смерзания отбитой руды имеют мероприятия направленные на регулирование интенсивности выпуска руды. К ним относятся объём выпускаемой руды за один цикл и максимальная продолжительность перерывов между этими операциями (т.е. безопасное время нахождения отбитой руды в блоке в неподвижном состоянии).
Объём блока определяется применяемой технологией, используемым добычным оборудованием и производительностью рудничного транспорта. Так, при оптимизации этих параметров возможен выпуск, погрузка и транспортировка всей отбитой руды в течение времени, за которое её смерзание при установившихся параметрах теплового и
вентиляционного режимов не происходит.
Как уже отмечалось выше, зона активного влаго- и льдонакопления, как правило, расположена в нижней части блока. Процесс конденсации влаги из воздуха приводит не только к образованию инея на всех холодных поверхностях, но и ледяных манжет на контактах кусков руды между собой. При достижении определённой «критической» толщины манжеты возрастает её прочность и сцепление отдельных кусков между собой. В результате этого происходит потеря сыпучести (смерзание) отбитой руды затрудняющей её выпуск. Так, для варианта расчётов приведённого в п. 4.3, количество накопленного льда, опасного с позиций смерзания, происходит через 120 часов. Зона активного льдонакопления находится на высоте 4—6 м от днища блока. Наиболее оптимальный режим — ежедневно осуществлять выпуск руды слоем мощностью не менее двух метров. В этом случае отбитая руда, увлажнённая сконденсированной влагой, будет ежесуточно выпускаться не накопив опасного по смерзанию содержания влаги, а в зону интенсивного влаго- и льдонакопления переместится следующий по высоте слой с низким содержанием накопленной влаги и т.д. до полного выпуска руды.
Для предотвращения смерзания отбитой руды в блоке, продолжительность перерывов между операциями по её выпуску должна быть строго ограничена и определяться в соответствие с разработанной методикой.
Так как время смерзания отбитой руды и расположение зоны интенсивного льдонакопления по высоте блока зависят от множества факторов (пористость блока, теплоёмкость и средний диаметр кусков руды и их температура, темпера-
тура и влагосодержание воздуха и др.) выбор технологических параметров должен производиться для каждого конкретного случая индивидуально с учётом всех вышеперечисленных параметров.
Резюмируя вышесказанное, могут быть рекомендованы следующие основные мероприятия по снижению риска смерзания отбитой мёрзлой руды в очистных блоках рудников криолитозоны:
• управление депрессией вентиляционного воздуха, поступающего в блок отбитой руды;
• направленное регулирование температуры и влагосодержания руднично-
1. Каймонов М.В. О механизме процессов смерзания отбитой горной породы на рудниках Севера [Текст] / М.В. Каймонов, В.И. Попов, А.С. Курилко // Горный информационноаналитический бюллетень. — 2004. — №10. — С. 162—165. — Библиогр.: с. 165.
2. Курилко A.C. Экспериментальные исследования прочности смёрзшихся сыпучих гор-
го воздуха, подаваемого в очистную выработку;
• управление параметрами разрушения мёрзлой руды в блоке (пустотность блока, кусковатость руды);
• управление параметрами выпуска отбитой руды из блока (объёмы отбитой руды и скорость её выпуска, продолжительность между операциями выпуска).
При разработке превентивных мероприятий по предотвращению смерзания отбитой мёрзлой руды в блоке, в виду их зависимости от множества факторов, должны учитываться горно-технические условия каждого конкретного рудника.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ных пород [Текст] / А.С. Курилко, М.В. Каймонов // Горный информационноаналитический бюллетень. — 2004. — №12.
3. Каймонов М.В. Влияние процессов тепло- и массопереноса на смерзаемость руды в очистных блоках рудников Севера: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Якутск, 2008. — 18 с. ЕШ
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Каймонов М.В. — научный сотрудник;
Хохолов Ю.А.— доктор технических наук, ведущий научный сотрудник;
Курилко А.С. — доктор технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики. E-mail: [email protected]
