CC BY
54
И.М. Ушницкий, В.К. Елшин, В.В. Киселев, 2007
УДК 622.83
В.А. Шерстов, Ю.А. Хохолов, И.М. Ушницкий, В.К. Елшин, В.В. Киселев
ВЛИЯНИЕ НЕРЕГУЛИРУЕМОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА НА УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОССЫПНЫХ ШАХТ СЕВЕРА
~П Мирнинском и Нюрбинском районах выявлены алмазо-АДносные россыпи, разработка которых ввиду значительной глубины возможна только подземным способом. Учитывая, что будущие шахты планируется оснастить высокопроизводительной самоходной техникой с дизельным приводом, важное значение приобретает определение рационального срока отработки шахт круглогодичный или сезонный (зимний), который в свою очередь напрямую зависит от теплового режима эксплуатируемой шахты. Поэтому прогноз теплового режима шахт на стадии проектирования шахт с учетом особенностей проветривания шахт в период подготовки и эксплуатации наряду с выбором эффективной и безопасной технологии проходческих и очистных работ является одной из актуальных задач в части обеспечения необходимой устойчивости вскрывающих и очистных выработок в летний период и благоприятных гигиенических условий труда в зимнее время. Для объективной оценки влияния теплового режима на условия ведения подземных горных работ при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей, авторами сделан анализ ранее выполненных исследований и фактических материалов по рассматриваемой проблеме на примере россыпных шахт Якутии. Влияние теплового режима на устойчивость выработок Опыт подземной разработки вечномерзлых россыпей Якутии и результаты ранее проведенных исследований показали, что характер проявления горного давления в воздухоподающих выработках в период летней эксплуатации шахт имеет свои особенности [1, 2].
Россыпные месторождения отличаются от угольных и рудных тем, что мерзлые рыхлые аллювиальные отложения, слагающие россыпи, содержат значительное количество льда и в больших пре-
делах меняют свои прочностные свойства в зависимости от температурно-влажностного режима пород, который обусловлен тепловым режимом шахт. Если изверженные и осадочные коренные породы рудных и угольных месторождении в талом состоянии обладают достаточной устойчивостью, то рыхлые отложения в результате оттаивания теряют цементирующую связь между минеральными частицами и превращаются в сыпучую и плывучую массу.
Многолетний опыт разработки вечномерзлых россыпей показывает, что естественный тепловой режим в летнее время приводит к осложнению ведения горных работ, вследствие чего большинство шахт имеет сезонный характер отработки.
Рассмотрим некоторые особенности теплового режима и его влияние на устойчивость вскрывающих и очистных выработок в условиях летней эксплуатации на примере круглогодичных шахт прииска Аллах-Юнь.
Прииск разрабатывал древние аллювиальные россыпи долинного типа, погребенные под озерно-ледниковыми отложениями. Мощность отложений, покрывающих продуктивный золотоносный пласт, составляет 40-80 м. Вскрытие шахтного поля производилось основным наклонным (пологим) и двумя вертикальными вентиляционными стволами. Основные воздухоподающие стволы на протяжении 20 м от устья крепились неполными дверными окладами всплошную, остальная часть - окладами с интервалом через 1-1,5 м без затяжки кровли и бортов. Система разработки сплошная, с под-виганием очистных лав от флангов к стволу. Выработки летом проветривались после взрывных работ в течение 2-4 ч с помощью вентиляторов типа СВМ-6, устанавливаемых в вентиляционных стволах. Общий расход воздуха в теплый период не превышает 300-500 м3/мин. Данные о температурном режиме в условиях летней эксплуатации представлены в табл. 1.
В теплый период наблюдаются охлаждение воздуха и прогрев пород по длине вентиляционного пути, наиболее интенсивное изменение температуры происходит в воздухоподающих выработках, когда производится искусственное проветривание выработок. Так, если при естественном режиме проветривания
положительная температура воздуха сохраняется на расстоянии 50 м от устья ствола, то при работе вентиляторов она распространяется на длину 120-130 м. Колебания температуры шахтного воздуха
вызывают соответствующие изменения температурного ноля окружающих выработок пород: эти изменения тем глубже, чем интенсивнее проветривание.
Величина ореола протаивания бортов воздухоподающего ствола на расстоянии 20 м от устья ствола составляет 0 3 м на расстоянии 30 м — 0,2-0,15 м и на расстоянии 50 м — 0,1-0,05 м; на расстоянии более 60 м от устья ствола породы не протаивают. В более удаленных от рудничного двора выработках температура воздуха и пород отрицательная независимо от времени года. На исходящей струе температура воздуха равна температуре окружающих пород.
В связи с тем, что воздухоподающие стволы в наибольшей степени подвержены непосредственному влиянию температуры воздуха на поверхности, необходимо их крепление. При проектировании круглогодичных россыпных шахт выбор рационального крепления воздухоподающих транспортных стволов в условиях летней эксплуатации является основным вопросом, определяющим безопасность работы и производительность шахтного подъема. Недооценка протаивания мерзлых рыхлых пород при расчете крепления стволов приводит к аварийным последствиям.
Аварийные состояния стволов на прииске «Аллах-Юнь», возникающие в результате протаивания покрывающих сверху ледниково-склоновых отложений, имели место при отработке ряда шахт, как правило, в июле-августе, когда в воздухоподающих выработках устанавливались максимальные температуры воздуха. Результаты визуальных наблюдений позволили установить характер проявлений горного давления в наклонных стволах и увязать его с параметрами температурного режима. При скорости движения воздуха 0,3 м/с и больше и температуре выше 6°С в средней, незакрепленной, части стволов на участке длиной 20-40 м от устья происходит отделение мелких частиц породы (песка, гальки, щебня и т.д.) от бортов и кровли. В дальнейшем протаявшие валунно-галечные отложения с песчаным или суглинистым заполнителем сползают с бортов в виде осыпи, представленной вязкой песчано-глинистой массой, которая заваливала лестничное отделение людского ходка и частично рельсовый путь.
Для пород кровли характерны местные обрушения - просыпи, небольшие отслоения (наклонные стволы были оборудованы двухскиповым подъемом).
Эти особенности проявлений горного давления характерны для основных наклонных воздухоподающих стволов, эксплуатируемых в теплый период года без крепления. Аналогичные проявления горного давления отмечались и в стволах, закрепленных дверными окладами вразбежку с интервалом 1-1,5 м с затяжкой кровли горбылями. Постоянные просыпи с кровли и бортов приводят к образованию пустот над верхняками и увеличению сечения ствола, в результате чего теряется устойчивость крепления (дверных окладов), возникает опасность разрушения стволов. Необходимы своевременные меры по ликвидации аварийного состояния, предупреждающие завалы стволов. Так, в основном стволе шахты 5 вследствие значительной глубины протаивания пород на 0,6 м и нагрузки на крепь, а также потери устойчивости дверных окладов в начале августа обрушилась кровля с разрушением крепления на участке длиной 22 м в 20 м от устья ствола. Ликвидация последствий обрушения потребовала значительных трудовых и материальных затрат.
Наиболее часто аварийные ситуации и обрушения пород наблюдаются в устьевой части, где нагрузки на крепь достигают критических значений. Так, в основном стволе шахты 9 в результате относительно продолжительного по времени усиленного режима проветривания (10-12 ч в сутки) устьевая часть ствола, закрепленная дверными окладами всплошную с диаметром леса 15-18 см, в августе обрушилась; при этом на поверхности образовалась эллипсообразная воронка длиной 10-12 м и шириной 6-7 м.
Аналогичные случаи наблюдались и при подземной разработке многолетнемерзлых россыпей Заполярья (ГОК «Куларзолото»). При отработке оловоносной россыпи в Заполярье также имел место случай обрушения устьевой части пологого ствола на протяжении 20 м от зеркальной рамы. Эта часть была закреплена деревянной крепью (дверными окладами) всплошную. Крепежный материал -жерди диаметром 6-10 см. При перекреплении ствола были использованы металлические рамы, сваренные из труб, сверху и по бортам ствола. Осуществлена 3-хслойная затяжка из жердей.
Таким образом, в результате проведенных наблюдений установлено, что устойчивость воздухоподающих наклонных стволов в летний период резко снижается, наиболее неблагоприятные условия поддержания выработок отмечались на расстоянии 40-80 м от поверхности.
Характерной особенностью россыпных шахт, эксплуатирующихся в летний период, является поступление воды в действующие и заходящиеся в проходке стволы. Появление воды в устьевой части стволов на расстоянии 3-5 и более метров от устья и просачивание ее через верхняки и стойки дверных окладов на участке со сплошным креплением приводят к образованию на кровле сосулек и ледяных жил, напоминающих по форме треугольные призмы в бортах.
В дальнейшем при повышении температуры воздуха на этом участке до положительных значений ледяные жилы тают и, возникшая при этом вода поступает в ствол. На участке ствола, где температура воздуха отрицательная, движение воды приостанавливается вследствие постепенного замерзания ее на почве выработки.
При значительном водопритоке вода достигает скиповой ямы и, накапливаясь в ней, вызывает большие технические трудности в организации водоотлива, а в случае ее замерзания требуются значительные трудовые и материальные затраты, связанные с уборкой льда.
Следует отметить, что значительное влияние на интенсивность водопритока оказывает влажность окружающих ствол пород. Наблюдения авторов показали, что в стволах, пройденных в рыхлых мерзлых отложениях с влажностью до 7-9 %, водоприток в июле относительно небольшой и составлял 20-30 л/ч, в то время как в стволах, пересекающих льдистые, ледниково-склоновые отложения с влажностью 20-30 % ч, водоприток сравнительно высок и достигал 80-100 л/ч. При этом ориентировочно объем льда, подлежащий сколке и уборке за летний период, составлял 50-80 м3.
Наличие льда на почве ствола затрудняло работу скипового подъема (часты "сходы" скипа с рельсовых путей, в случае обрыва каната не срабатывают стопорные башмаки), покрытые льдом ступенек людского ходка делает опасным передвижение рабочих. Таблица2
Производительность шахт в летний период
Шахты Ал-лах-Юня и Индигирки Производительность шахт (%) в сравнении с апрелем Примечание
Июнь Июль Август
27 -8* -40 -22 Стволы не закреплены
28 -11 -35 -37 Средняя часть стволов
31 -7 -10 -30 закреплена дверными окладами с затяжкой кровли досками
5 -5 -7 -40
43 -4 -10 -13 Стволы не закреплены
47 -6 -19 -12
36 -8 -5 -
* Минус (-) означает снижение.
Таким образом, водоприток в устьевой части стволов значительно осложняет работу шахтного подъема, создает опасные условия для передвижения людей. Неблагоприятные условия эксплуатации выработок в летний период отрицательно влияют на эффективность подземных горных работ, вызывают значительные трудовые и материальные затраты, не связанные с основным производством.
В результате хронометражных наблюдений за работой скипового подъема в незакрепленных иди частично закрепленных воздухоподающих транспортных стволах установлено, что в течение июля-августа теряется до 1-1,5 ч в сутки на очистку рельсовых путей лестничного отделения, скалывание и погрузку льда и породы в скип, откачку воды из зумпфа. В отдельных случаях вследствие интенсивного водопритока в скиповую яму или вследствие обрушения кровли в стволе или близлежащих к нему лавах шахты простаивали неделями или были временно законсервированы.
Для количественной оценки влияния отмеченных явлений на производительность шахт проанализированы объемы подземной добычи песков на объектах исследований в летние месяцы (табл. 2).
Снижение производительности шахт летом объясняется отрицательными последствиями влияния теплового режима на устойчивость транспортных воздухоподающих стволов.
Результаты проведенных исследований и натурных наблюдений показали, что эксплуатация этих стволов без крепления
Рис. 1. План экспериментальной выработки и схема установки измерительных приборов
и теплоизоляция осложняет ведение горных работ в летний период и снижает их эффективность.
Для оценки влияния теплого воздуха на устойчивость выработок в лавах одной из россыпных шахт Заполярья, оборудованной механизированной крепью, были проведены наблюдения с целью изучения динамики протаивания горных пород в призабойном пространстве и установления характера обрушения пород кровли очистной выработки [3].
Экспериментальная выработка длиной 147 м имела ширину 811 м и высоту 2-2,5 м (рис. 1).
Породы кровли выработки представлены галькой глинистых сланцев с включениями кварца, сцементированными песчаноглинистым материалом. Температура пород минус 4,5-6 °С, влажность массива 20-25 %. Галька крупностью 10 мм составляет 38 %, в том числе валуны 3 %.
Для подогрева воздуха в устье выработки на высоте 0, 5 м от подошвы был установлен электрокалорифер ЯФО-40. На расстояниях 3; 3,5 и 92 м от калорифера были смонтированы геотермические станции, оборудованные гирляндами терморезисторных датчиков ММТ-4. Каждая гирлянда состояла из четырех датчиков: трех заложенных в шпуры на глубинах 1; 0,5 и 0,03 м и четвертого
термистора для регистрации изменения температуры воздуха в выработке. На каждой станции устанавливались СР-2 стойки для регистрации смещения пород кровли.
Средний расход воздуха, проходящего штрек, составил 360 м3/мин. Средняя скорость движения воздуха по выработке при этом не превышала 0,3 м/с. Начальная температура в исследуемой выработке была минус 4,5 °С. Температура воздуха на расстоянии 0,2 м от выхода калорифера - плюс 15 °С.
Прогрев воздуха резко изменил тепловой режим выработки. Изменение температуры воздуха происходило интенсивно за первые сутки прогрева. Так, у первой геотермической станции температура изменилась от минус 4,5 °С до плюс 5,6 °С, у второй - до плюс 2,2 °С, у третьей — до минус 1,7 °С. В последующие сутки интенсивность повышения температуры воздуха заметно снизилась. В течение девяти суток прогрева на третьей геотермической станции температура воздуха осталась отрицательной и повысилась только до минус 0,6 °С.
С целью интенсификации прогрева воздуха был подключен второй электрокалорифер СФ0-40. Температура воздуха на выходе электрокалориферов составила плюс 42 °С. С подачей теплого воздуха в выработку поверхности окружающих пород начали освобождаться от инея и оттаивать. По истечении суток в устье выработки зафиксированы отдельные мелкие вывалы кусков породы. В дальнейшем процесс осыпания пород интенсифицировался, особенно после включения второго электрокалорифера, что привело к образованию куполообразной поверхности кровли выработки. За период наблюдения максимальная глубина отслоения (0,9 м) зафиксирована на расстоянии 5 м от электрокалориферов. Зона интенсивного отслоения пород кровли и боков выработки установлена в интервале 10-15 м от устья выработки. Это можно объяснить наличием направленной струи воздуха с повышенной скоростью на выходе из электрокалориферов.
За пределы этой зоны распространение теплого потока воздуха по длине выработки снижается. Так, на третьей геотермической станции положительная температура была достигнута лишь спустя 10 суток (через сутки после включения второго электрокалорифера).
Породы вокруг выработки за период эксперимента полностью освободились от инея. За пределом зоны активного от-
Рис. 2. Конфигурация выработки после проведения эксперимента
слоения пород кровли и боков выработки наблюдалось менее интенсивное отслоение пород кровли. За второй геотермической станцией отслоение пород отсутствовало, зафиксированы единичные заколообразования. В этих участках первоначальные размеры выработки сохранились.
Конфигурация выработки на экспериментальном участке после проведения эксперимента показана на рис. 2.
По данным экспериментальных наблюдений, смещения пород кровли не обнаружено.
В зонах первой, второй и третьей геотермических станций максимальная температура воздуха достигла соответственно плюс 12,2; 9,8 и 1,3 °С.
В период наладки и пуска механизированной крепи подача теплого (15-20 °С) воздуха в монтажную камеру в течение 10-12 суток не вызывала серьезных осложнений с точки зрения управления кровлей и формирования опасных нагрузок на крепь.
Рассматривая влияние теплого воздуха на устойчивость кровли очистных выработок, прежде всего, необходимо обращать внимание на удаленность лав от устья воздухоподающего ствола. Практикой установлено, что ведение очистных работ
Таблица 3
Количество обрушений и их площадь в зависимости от месяца года
Месяц
Количество обрушений с площадью
до 2000 м3 2000-4000 м3 более 4000 м3
Январь 3 2
Февраль 2 3 —
Март 3 4 1
Апрель 5 7 2
Май 6 2 —
Июнь 3 5 2
Июль 2 3 2
Август 6 4 2
Сентябрь 5 1 1
Октябрь 5 3 —
Ноябрь 2 4 —
Декабрь 2 2 —
вблизи воздухоподающих стволов в летние месяцы характеризуется повышенной интенсивностью заколообразования и снижением устойчивости кровли по сравнению с лавами, более отдаленными от ствола и имеющими естественную отрицательную температуру воздуха. Очевидно, помимо основной причины, вызывающей образование местных отслоений (сотрясение пород от удара воздушной волны при взрывных работах) в лавах, находящихся вблизи воздухоподающих стволов, на интенсивность заколообразования влияет и изменение температурного режима.
Повышение температуры в поверхностных слоях пород кровли в результате проветривания теплым воздухом приводит к пластическим деформациям и прогибам пород по ледяным прослойкам. Нередко при работе вентиляторов в лавах наблюдаются отслоения мелких кусков породы. Отмеченные явления имели место в ряде шахт при отработке лав, находившихся в период летней эксплуатации на расстоянии 30-50 м от рудничного двора и имевших температуру воздуха 3-5°С. Сравнивая частоту отслоений кровли в этих лавах с лавами, расположенными на значительном расстоянии от ствола, следует отметить в них повышенную интенсивность местных обрушений. Данные по обрушению в отработанных и действующих шахтах показывают, что обрушение кровли происходит при значительных ее обнажениях (табл. 3), обычно за при-
забойным пространством, и захватывает без расслоения вышележащие породы мощностью 2-6 м.
Отмечено, что при небольшой мощности нижнего слоя кровли обрушения обычно также незначительны. Например, при мощности нижнего слоя до 2—3 м критические площади обрушений не превышают 2000 м2. Именно отслоения небольшой толщины могут характеризовать влияние теплового режима шахты. Сравнение данных, приведенных в табл. 3, позволяет предположить, что летом посадка кровли в лавах, находящихся вблизи воздухоподающих стволов, происходит более интенсивно вследствие влияния теплового режима.
В связи с отмеченными явлениями отработку лав, близлежащих к воздухоподающим стволам, вести в летний период при естественном тепловом режиме нецелесообразно: увеличенная интенсивность заколообразования представляет значительную опасность для работающих, а повышенная частота обрушений и посадок кровли в лавах приводит к непредвиденным простоям отдельных участков.
Влияние теплового режима на гигиенические условия труда горнорабочих.
Для оценки микроклимата рабочих мест горнорабочих, занятых на подземной разработке мерзлых россыпей, были использованы результаты исследований теплового режима россыпных шахт комбината «Индигирзолото», климатические условия эксплуатации которых характеризуются более жесткими параметрами, чем климатические условия других районов Северо-востока. Основное внимание при изучении шахтного микроклимата было уделено местам постоянного пребывания рабочих — районам околостволь-ных дворов и транспортным штрекам. Результаты исследований шахтного микроклимата на рабочих местах показали, что весьма неблагоприятные климатические условия труда наблюдаются зимой на рабочих местах, расположенных в районе околоствольного двора и транспортных штреках на расстоянии 60-150 м от поверхности, где температура воздуха в декабре-январе достигает минус 40-35°С при скорости воздушного потока 1-0,6 м/с.
Отмеченные неблагоприятные условия шахтного микроклимата усугубляется отсутствием солнечной радиации, большими теп-лопотерями и в связи с окружающими холодными поверхностями горных пород, недостаточным освещением, а также применяемой
спецодеждой, не обладающей достаточными теплозащитными свойствами. Совместное действие этих факторов приводит к перенапряжению системы терморегуляции организма подземных горнорабочих, вызывает ослабление его защитных свойств.
Об отрицательном действии нерегулируемого теплового режима на гигиенические условия труда подземных горнорабочих за холодный период.
Анализ простудной заболеваемости подземных горнорабочих по прииску «Маршальский» показал закономерность изменения числа простудных заболеваний в зависимости от сезонных колебаний температуры воздуха. Наиболее высок уровень простудных заболеваний в декабре, январе, феврале; особенно подвержены простудным заболеваниям забойщики, в меньшей степени — бурильщики, взрывники, слесари. Вследствие неблагоприятных климатических условий на рабочих местах забойщиков количество простудных заболеваний среди них почти в 2,5 раза больше, чем среди бурильщиков.
Анализом выявлена также структура простудной заболеваемости горнорабочих. Наиболее распространенными болезнями являются: грипп (около 30 %), который носит как простудный, так и эпидемический характер; острые респираторные заболевания и катар верхних дыхательных путей (22 %) - болезни чисто простудного характера, зависящие целиком от температурных условий на рабочих местах. Удельный вес заболеваемости ангиной, легочными болезнями (алеврит, пневмония, бронхит) и радикулитом в общем числе простудных заболеваний незначителен и составляет 11-12 % по каждому из заболеваний; еще реже у подземных горнорабочих встречается фурункулез.
Наибольшее число дней нетрудоспособности падает на легочные заболевания и радикулиты, при этих заболеваниях средняя продолжительность нетрудоспособности составляет 10-13 дней.
Большое количество простудных заболеваний у подземных горнорабочих россыпных шахт в зимний период отрицательно сказывается на организации труда рабочих, вызывает их перестановку и дополнительные трудовые затраты. Анализ производительности шахт по месяцам показал, что в наиболее холодные зимние месяцы наблюдается снижение производительности на 10-20 %, что объясняется потерями рабочего времени, связанными с периодическим обогревом рабочих в тепляках.
Результаты выполненных исследований климатических условий труда горнорабочих и статистического анализа простудной заболеваемости свидетельствуют о необходимости нормализации шахтной атмосферы в зимний период для снижения простудных заболеваний подземных горнорабочих и повышения эффективности производства.
Отмеченные негативные последствия влияния нерегулируемого теплового режима на условия, эффективность и безопасность ведения горных работ при эксплуатации россыпных шахт в теплый и холодный период года следует учитывать при проектировании шахт, предназначенных для подземной разработки алмазоносных россыпей, т.е. выполнить предварительный прогноз температурных условий выработок при летней и зимней эксплуатации шахт и выбрать рациональный режим работы шахт (круглогодичный или сезонный).
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шерстов В.А. Влияние теплового режима на устойчивость выработок россыпных шахт. В сб. «Повышение эффективности горной промышленности Якутии»: Новосибирск, «Наука». - 1974. - С.28-32.
2. Шерстов В.А., Скуба В.Н., Лубий К.И., Косторомитинов К.Н. Подземная разработка россыпных месторождений Якутии. - Якутск, ЯФ СО АН СССР, 1981.
- 182 с.
3. Слепцов А.Е., Марков В.С., Елшин В.К., Шевелев Р.К. Результаты наблюдений за устойчивостью горных выработок при подаче теплого воздуха// Колыма.
- 1979. - №4. - С.10-11.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Шерстов В.А. - доктор технических наук, ИГДС СО РАН,
Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИГДС СО РАН,
Ушницкий И.М. - младший научный сотрудник, ИГДС СО РАН,
Елшин В.К. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИГДС СО РАН,
Киселев В.В. - кандидат технических наук, ИГДС СО РАН.
--------------------------------------------- © Е.Т. Воронов, Д.Е. Воронов,
И.А. Бондарь,2007
УДК 622.413.3:536.244
Таблица 1
Данные о температурном режиме в условиях летней эксплуатации
Места замера (шахта №28) Расстояние от поверхности, м Температура воздуха, оС Температура пород (оС) на расстоянии от стенки ствола, м
при естественной тяге при искусственном проветривании 0,2 0,5 1 2
Устье ствола 0 17,1 16,8
10 10,0 13,5 — — — —
Ствол 30 3,4 9,0 0,5 -2,2 -4,2 -5,3
50 1,2 7,0 -1,3 -3,4 -5,1 7 1
Рудничный двор 70 -0,2 5,0 -2,1 -5,1 -7,9 -8,0
Штрек 80 -1,3 3,0
100 -3,4 1,2 -5,1 -5,3 -6,3
Лава 130 -5,1 -1,3
200 -5,2 -5,1 — -6,3 -6,5 —7,2
Вентиляционный ствол 240 -5,3 -5,2 — — — —
