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:
-
Выявить закономерности поведения многолетнемерзлого массива горных пород (ММГП) при разработке месторождений полезных ископаемых.
-
Провести анализ применения мониторинговых систем в геомеханике и, на этой основе, разработать концепцию мониторинга термомеханического состояния массива.
-
Разработать алгоритм и универсальную программу получения тепловых и механических параметров массива, в основу которых положены экспериментальные данные о его состоянии.
-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.