CC BY
53
_________________________________ © М.В. Каймонов, Ю.А. Хохолов,
А.С. Курилко, 2010
УДК 622.45:536.244
М.В. Каймонов, Ю.А. Хохолов, А. С. Курилко
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СМЕРЗАНИЕ ОТБИТОЙ ПОРОДНОЙ МАССЫ
Отбитые горные породы при определенной (критической) влажности в условиях отрицательных температур смерзаются в прочный монолит. Случаи смерзания неоднократно наблюдались практически на всех рудниках зоны распространения многолетней мерзлоты, как правило, эксплуатируемых с естественным тепловым режимом.
При этом отмечается, что обрушенная руда охлаждается главным образом со стороны днищ блоков. Глубина промерзания зависит от температурных условий на горизонте выпуска и продолжительности охлаждения. Смёрзшаяся руда образует своды на высоте свыше 4-5 м от основания выпускных отверстий. Задача предотвращения смерзания руды может быть решена только на основе изучения законов и особенностей тепло- и массообмена в очистных блоках.
На процесс смерзания оказывает влияние целый ряд причин, каждая из которых требует специальных исследований. Тем не менее, можно выделить четыре механизма смерзания отбитой горной массы:
1. Слёживание отбитой горной массы и последующее её смерзание за счёт кондуктивных тепловых потоков с внешних границ блока.
2. Приток пресной воды в блок отбитой руды (со дна отработанного карьера, с водоносных горизонтов, технологической и др.) вызывает смачивание и смерзание за счёт холода аккумулированного в куске мёрзлой руды или внешнего охлаждения (воздушной струёй или окружающим массивом горных пород, имеющих отрицательную температуру).
3. Поверхностный разогрев кусков мёрзлой руды за счет теплоты взрыва и последующее её вторичное смерзание.
4. Конденсация влаги из рудничного воздуха, фильтрующегося сквозь блок отбитой руды, на поверхности кусков. При отрицательной температуре сконденсированная влага может превратиться в лед. Накопление льда на поверхности кусков отбитых мерзлых горных пород приводит к их смерзанию.
Два первых механизма смерзания отбитой горной массы в литературе освещены достаточно подробно и нами в данной работе не рассматриваются. Третий и четвёртый механизмы в литературе освещены весьма слабо. Сделаем оценку последним двум механизмам смерзания отбитой горной массы, а именно: влиянию теплоты взрыва и конденсационному влаго- и льдонакоплению.
В работе [1] рассматриваются тепловые потери при взрывной отбойке мёрзлых горных пород, показано, что возможен только разогрев тонкого поверхностного слоя кусков.
На основе разработанных программ были проведены численные расчеты вторичного промерзания оттаявшего верхнего слоя куска породы, за счет аккумулированного в этом куске холода. В расчётах варьировались естественная температура куска отбитой породы от минус 2 °С до минус 6 °С; влажность оттаявшего слоя куска от 0,05 до 0,3 долей единиц; начальная температура оттаявшего слоя куска от +70 °С до +1 °С; диаметр куска от 0,1 до 1,5 м. Толщина оттаявшего слоя принималась равной 5 мм. На рис. 1 в качестве примера приведена зависимость времени промерзания оттаявшего поверхностного слоя куска породы различной влажностях от его размера (диаметра).
Как видно из рисунка время вторичного промерзания оттаявшего слоя отбитой руды толщиной 5 мм изменяется от нескольких минут до нескольких десятков минут. Так при влажности 0,05 д.е. время промерзания составило 6 мин, при влажности 0,2 д.е. - полчаса. Наибольшая разница по времени промерзания оттаявшего слоя для различных влажностей наблюдается при диаметре куска 0,1 м. С увеличением диаметра куска отбитой породы время промерзания уменьшается.
Результаты расчета показали, что процесс обратного промерзания оттаившего слоя на поверхности кусков взорванной породы длится менее часа. Вопрос влияния теплоты взрыва на растепление взорванной многолетнемерзлой горной породы и ее последующее вторичное смерзание требует дальнейших
Диаметр, м
Рис. 1. Зависимость времени промерзания оттаявшего поверхностного слоя от диаметра куска при различной влажности породы. Температура пароды -4 °С, температура оттаявшего слоя +60 °С, толщина оттаявшего слоя 5 мм
специальных исследований. Возможно, что для льда и высокольдистых пород взорванных в зажатой среде процесс вторичного смерзания будет в какой-то мере обусловлен растепляющим действием взрыва.
Но как показывает практика, длительность вторичного смерзания взорванной горной массы колеблется от нескольких дней до нескольких месяцев, т.е. механизм смерзания отбитой руды не связан с растеплением породы при взрыве, поскольку этот процесс быстротечный, обратное смерзание происходит в течение максимум одного - двух часов.
При фильтрации рудничного воздуха через блок отбитой руды происходит конденсация влаги на поверхности кусков горных пород. Интенсивность этого процесса определяется в основном разностью температур воздуха и кусков пород. При отрицательной температуре сконденсированная на поверхности отдельных кусков влага может превратиться в лед, что является причиной смерзания мерзлых горных пород в блоке.
Блок отбитой руды можно рассматривать как систему, состоящую из полых цилиндров, у которых диаметр канала определяется по формуле И.И. Вахромеева:
d = 0,64m0dср + 0,38 -10 3, м, где йср - средний диаметр кусков
породы, м; т0 - коэффициент пустотности, доли ед.
Математическая модель тепломассообмена воздуха с отбитой рудой с учётом фазовых переходов влаги описывается уравнениями сохранения энергии, массы, движения и критериальными зависимости для различных коэффициентов:
(С (Т) + - т-))| = I ± ( Я(Т) Я | ) + | ( Я(Т )|
Г - ё < Я < г2, 0 < х < Н, t > 0, (1)
Гср, Т(Т*; Гя, Т(Т*;
С(Т) = ^ 1Р1’ 4 Я(Т) = Г 4 г. < Я < г2,
[С2Р2, Т)Т*; Я Т)Т*,
\ср, Т(Т*; Я, Т(Т*;
С (Т) = ^ Я(Т) = ^ _ г- d < Я < г,
кр2, Т)Т*; [Я2, Т)Т*,
(сПРи + СеРе )- ^+ V ^ = (г2_^) (Г^ - в) + ^2 • J,
0 < х < Н, t > 0; (2)
= 600,36 • ехр(0,0777 -0) -[0,0777 • (в + 273,15) - 1]Г 50 + ^ дв' = Яп (в + 273,15)2 {дt У дх,
(3)
«(Т^-в) = ЯЦ , 0 < х < H, t > 0; (4)
дЯ к^г-а
ЛФ
— = 0, Я = г,, 0 < х < Н, t > 0; (5)
дЯ 2
в = f ^) , х = 0, t > 0; (6)
др^ = - д(р„у) - J 0 < х < Н, t > 0; (7)
дt дх
V = — ; 0 < х < Н, t > 0; (8)
^1
— = л^, t > 0; (9)
\1 Я_
Я° = ^ (10)
где Я - радиальная координата, м; х - координата по длине, м; Н - высота блока отбитой руды, м; г1 - радиус канала, м; г2 -внешний радиус полого цилиндра, м; S1 - площадь поперечного сечения канала, моделирующего пустоты, м2; й - толщина слоя конденсата, м; Т - температура руды, °С; L1 - теплота плавления (замерзания) воды, Дж/кг; со - внутренняя (естественная) влажность руды, доли единицы; Т - температура плавления (замерзания) воды, °С; С1, р1, Я1 (с2, Р2, Я2), с1, р1, Я (с2, р2, Я2) - удельная теплоемкость (Дж/(кг-К)), плотность (кг/м3) и коэффициент теплопроводности (Вт/(м-К)) соответственно для мерзлой (талой) руды и льда (воды); 8(Т- Т) - функция Дирака; в - температура воздуха, °С; Тст - температура стенки канала, °С; а - коэффициент теплообмена воздуха со стенкой канала, Вт/(м2-К); сп, св -соответственно удельные теплоемкости пара и сухого воздуха, Дж/(кг-К); рп, рв - соответственно удельный вес пара и сухого воздуха, кг/м3; V - скорость движения воздуха, м/с; L2 - теплота фазового перехода пар-вода, Дж/кг; J - интенсивность фазового перехода пар-вода, кг/(м3 с); Яп - газовая постоянная пара, Дж/(кг-К); — - расход воздуха, м3/с; к - депрессия, Па; Яа -аэродинамическое сопротивление трения, Нс2/м8.
Для численной реализации систем уравнений (1)-(10) применялся метод конечных разностей. Полученные системы разностных уравнений решались методом итераций в сочетании с методом прогонки. Разработаны компьютерные программы для расчета температурно-влажностного состояния блока отбитой руды.
Расчеты проведены при следующих исходных данных: высота блока Н = 20 м; депрессия блока к = 400 Па; пустотность блока отбитой руды т0 = 0,1 и 0,2; температура входящего воздуха в0 = +1, +3, +5°С; влажность пород w = 5, 10, 15%; начальная температура отбитых горных пород Т0 = -5°С. Как показали расчеты, интенсивность влаго- и льдонакопления зависит от многих параметров и носит сложный характер, поэтому рассмотрим наиболее значимые факторы, которые влияют на эти процессы.
Рис. 2. Динамика суммарного влагонакопления (вода+лёд) в блоке отбитой руды (в0=+3°С; Tg = -4°С; m0=0,2; h = 400Па; м = 0,1 д.е)
На рис. 2, 3 приведены графики суммарного влаго- и льдонакопления в блоке отбитой мёрзлой руды. Динамика изменения накопленной влаги приведена на рис. 2.
Как видно из графиков, уже через 48 часов в блоке отбитой руды в нижней его части происходит накопление влаги до 1,5%. Распределение конденсата имеет характерный «горб», который в течение времени сдвигается вглубь блока. В зоне с положительной температурой руды влага находится в жидком состоянии, а в зоне с отрицательной температурой - в твёрдом в виде льда (инея). Изменение содержания льда по высоте блока отбитой руды для этого примера показано на рис. 3.
аг 4 5
р 3.5 ё 3 | 2.5 £ 2 I 1.5
(Б § 1
I 0-5 х 0
12 час 24 час 48 час — — 72 час — • ••120 час 240 час
\ 1 1
. 1 ■
I 1 ■
■ : 360 час 720 час
1 -1
*
.... г- Л 1 , р “| 1 —
10
Высота, м
12
14
16
20
Рис. 3. Динамика суммарного льдонакопления в блоке отбитой руды (в0=+3 °С; Т0 = -4°С; т0=0,2; А = 400Па; и’ = 0,1 д.е.)
0 25
0.2
О
* 0.15 &
О
О
@ 0.1
о
0 05 0
Рис. 4. Динамика скорости фильтрации при различной внутренней влажности руды и пустотности блока
Проведённые экспериментальные исследования показали, что смерзание отдельных частиц геоматериалов в образцах происходит при минимальной весовой влажности « 1,5-2% и при этом прочность на одноосное сжатие смерзшихся образцов может достигать 0,5 МПа [2, 3]. При повышении влажности
сопротивление смерзшихся крупнодисперсных горных пород одноосному сжатию увеличивается линейно, а при уплотнении материала за счет его более плотной упаковки (увеличении числа контактов между частицами материала) прочность возрастает не менее, чем на 10%.
На интенсивность накопления влаги в большой степени влияет теплоёмкость руды. Чем она выше, тем интенсивнее и ближе к границе происходит процесс конденсации влаги (льда) из воздуха. Основным фактором, определяющим теплоёмкость горной породы, является её естественная влажность, т.е. влажность, содержащаяся внутри куска отбитой породы.
Влияние на характер распределения накопленной влаги в блоке также оказывает средний диаметр куска отбитой руды. В случае преобладания в навале мелких кусков влага накапливается в
Время .час
нижних слоях блока. При больших кусках распределение влаги более равномерное.
Рис. 5. Рекомендуемые мероприятия по предотвращению смерзания отбитой руды при отработке мерзлотных горизонтов рудников криолитозоны
Расчеты показали, что, чем меньше начальная пустотность m0 блока отбитой мерзлой руды, тем ниже по высоте блока зона накопления конденсата. При высоких значениях пустотности (m0>0,3) закупорка каналов инеем (при высоте блока 20 м) не происходит, отбитая руда растепляется на всю высоту блока.
На рис. 4 приведены скорости фильтрации для различных значений внутренней влажности руды при пустотности m0=0,1 и m0=0,2. Как видно из графиков, не во всех случаях происходит закупорка каналов инеем. Видно, что при малых значениях внутренней влажности руды она происходит намного позже, а с увеличением пустотности и уменьшением теплоёмкости закупорка каналов инеем не происходит.
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, температура и влагосодержание воздуха и др. ) выбор технологических параметров должен производиться для каждого конкретного случая индивидуально с учётом всех вышеперечисленных параметров.
По результатам проведённых исследований, могут быть рекомендованы следующие основные мероприятия (рис. 5) для снижения риска смерзания отбитой мёрзлой руды в очистных блоках рудников криолитозоны:
- управление депрессией вентиляционного воздуха, поступающего в блок отбитой руды;
- направленное регулирование температуры и влагосодержания рудничного 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).
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курилко А.С., Каймонов М.В. К вопросу вторичного смерзания минерального сырья в процессе его добычи на рудниках Севера // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005. - Региональное приложение «Якутия». Вып. 3. - С. 290-297.
2. Курилко А.С., Каймонов М.В. Экспериментальные исследования прочности смёрзшихся сыпучих горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 12. - С. 69-71.
3. Курилко А.С., Каймонов М.В. Экспериментальное определение предела прочности при сжатии мёрзлых крупнообломочных горных пород // Проблемы и перспективы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых криолитозоны: тр. Междунар. науч.-практ. конф., г. Якутск, 14-17 июня 2005 г. - Якутск: Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2005. - Т. 1. - С. 127-131. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Каймонов М.В. - кандидат технических наук, научный сотрудник, Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ведущий, научный сотрудник,
КурилкоА.С. - доктор технических наук, зав. лабораторией,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН,
г. Якутск, [email protected],
