Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из стратегических видов минерального сырья является пьезокварц (горный хрусталь), который, благодаря своим замечательным пьезоэлектрическим и оптическим свойствам, нашел широкое применение в радиоэлектронике и оптике. Потребность в этом ценном сырье продолжает неуклонно возрастать.
Традиционными хрусталедобывающими районами России в настоящее время являются Саха-Якутия и Приполярный Урал (месторождения «Перекатное», «Додо», «Пуйва», «Желанное»). Однако горнопромышленное освоение месторождений горного хрусталя в районах Севера связано с проблемой эффективности и безопасности горных работ, на которые огромное влияние оказывает многолетняя мерзлота и суровые природно-климатические условия.
Отрицательные и знакопеременные температуры горных пород и шахтного воздуха порождают на рудниках по добыче горного хрусталя комплекс криогенно-технологических осложнений. При разработке месторождений горного хрусталя особое значение также приобретает применение кристаллосберегающих технологий, обеспечивающих сохранность пьезооп-тического сырья.
В связи с этим, исследования по снижению негативного влияния природных условий вечной мерзлоты и взрывных работ на эффективность и безопасность кристаллосберегающих геотехнологий добычи горного хрусталя являются весьма актуальными, т.к. открывают возможности многостороннего совершенствования и интенсификации подземных горных работ в криолитозоне и повышения качества пьезооптического сырья.
Идея работы заключается в максимальном снижении негативного влияния природных условий вечной мерзлоты на основные и вспомогательные технологические процессы при подземной добыче горного хрусталя на базе более точного учета температурного фактора и управления криогенными процессами в горном массиве и в рудничной атмосфере.
Цель работы - инженерно-физическое обоснование технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя в условиях Севера и необходимую сохранность кристаллического пьезооптического сырья.
Объектом исследований являются месторождения горного хрусталя Южной Якутии и Приполярного Урала.
Предмет исследований — основные и вспомогательные технологические процессы горного производства в сложных геокриологических условиях.
На разрешение были поставлены следующие основные задачи:
1. Выявить и дать анализ основных факторов, негативно влияющих на основные и вспомогательные процессы при подземной разработке хруста-
леносных месторождений в сложных геокриологических условиях Южной Якутии и Приполярного Урала.
2. Установить закономерности влияния отрицательной температуры
на физико-технологические свойства многолетнемерзлых горных пород
(динамическую прочность, хрупкость, абразивность, пылеобразующую спо
собность) и обосновать возможность и эффективность использования теп
ловых методов интенсификации технологических процессов горного произ
водства в криолитозоне (использование горячей воды; локальный подогрев
шахтного воздуха).
-
Обосновать, исследовать и разработать технологические мероприятия по предотвращению смерзаемости отбитой горной массы и нормализации производственных процессов при подземной разработке месторождений горного хрусталя.
-
Исследовать процессы обледенения откаточных и вентиляционных выработок (штолен) и разработать технологические решения по регулированию теплового режима на базе использования теплообменных горнотехнических систем.
-
Обосновать и разработать безопасную кристаллосберегающую технологию очистной выемки крупнообъемных хрусталеносных «гнезд» на месторождениях пьезокварца.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы аналитические исследования, лабораторные и производственные испытания, теоретическое обобщение и математическая обработка экспериментальных данных. Оценка эффективности результатов работ проводилась путем практического внедрения разработок, осуществленных на подземных разведочно-эксплуатационных объектах производственных объединений «Востоккварсамоцветы», «Северкварцсамоцветы» и ЗАО «Тур-малхан».
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Интенсификация основных процессов горного производства в криолитозоне (бурение шпуров, погрузка руды, нормализация работы горного оборудования) достигается путем теплового воздействия на разрушаемый многолетнемерзлый массив горячей водой и локального подогрева шахтного воздуха в рабочих забоях.
-
Горно-технологические осложнения криогенного характера (смер-заемость отбитой рудной массы в «магазинах», обледенение систем водоснабжения, откаточных и вентиляционных выработок) на рудниках по добыче горного хрусталя предотвращаются путем использования незамерзающих растворов хлористого натрия, воздушно-тепловой обработки очистных блоков, использования теплоаккумулирующих выработок и периодического реверсирования общештольневой вентиляции в зимний период для формирования и стабилизации положительного теплового режима в подземных горных выработках.
3. Сохранность пьезооптического кристаллического сырья и безопасность очистных работ при отработке крупнообъемных хрусталеносных полостей («гнезд») достигается путем использования щадящей технологии вскрытия полостей, ручной выборки кристаллического сырья и разработанного технологического регламента по обеспечению безопасности очистных работ.
Достоверность научных положений подтверждена достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и результатами внедрения эффективной технологии ведения подземных горных работ на месторождениях горного хрусталя в криолитозоне.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Применительно к условиям подземной разработки хрусталеносных
месторождений разработаны технологические основы производственных
процессов, базирующихся на выявленных закономерностях и учете ком
плексного влияния температурного фактора горного массива и рудничной
атмосферы на физико-технические свойства мерзлых пород, тепловой ре
жим горных выработок, неледеобразование, смерзаемость горной массы и
другие технологические осложнения и негативные явления, характерные
для условий многолетней мерзлоты.
-
Установлены количественные зависимости физико-технологических свойств пород (прочность, хрупкость, абразивность, пылеобразующая способность) от температуры многолетнемерзлого горного массива.
-
Дано теплофизическое обоснование технологических решений по адаптации (изменению) вспомогательных производственных процессов эффективной разработки месторождений горного хрусталя для различных геокриологических условий (тепловые методы интенсификации горных работ, незамерзающие системы водоснабжения, энергосберегающие горнотехнические системы естественного регулирования теплового режима рудников, защита от обмерзания откаточных выработок, локальный подогрев шахтного воздуха в рабочих забоях и т.д.).
-
Разработана технология предотвращения смерзаемости горной массы на базе применения антифризных добавок и использования воздушно-тепловой обработки очистных блоков с магазинированием руды.
-
Предложена кристаллосберегающая технология и определены рациональные параметры буровзрывных работ для «щадящего» вскрытия хрусталеносных полостей большого объема с пьезооптическим сырьем.
Личный вклад автора заключается в: проведении экспериментальных исследований физико-технологических свойств мерзлых пород в зависимости от температуры; разработке инженерных методов расчета оптимальных режимов локального подогрева шахтного воздуха; обосновании энергосберегающих горнотехнических систем регулирования естественного теплового режима нагорных рудников по добыче горного хрусталя; тепло-физическом обосновании технических и технологических решений по предотвращению обледенения откаточных штолен в зимний период; обоснова-
ний безопасной технологии подземной отработки крупнообъемных полостей (объемом 500...1500 м3), заполненных рыхлым хрусталеносным материалом.
Практическое значение работы заключается в: разработке надежных систем горячего водоснабжения рабочих забоев в условиях отрицательных температур; в разработке комплекса мероприятий по предотвращению смерзаемости отбитой горной массы и регулированию температурного режима рудников по добыче горного хрусталя в зависимости от времени года; в обосновании и внедрении ресурсосберегающего способа предотвращения обледенения воздухоподающих, водоотливных и откаточных выработок (штолен); в обосновании рациональной кристаллосберегающей технологии ведения очистных работ при отработке хрусталеносных полостей («гнезд») большого объема.
Реализация работы.
Результаты исследований (комплекс рекомендаций по предотвращению криогенно-технологических осложнений для подземных горно-добычных работ; ресурсосберегающие горнотехнические системы по регулированию теплового режима; рациональные технологические схемы водоснабжения; безопасная кристаллосберегающая технология очистных работ при отработке крупно-объемных хрусталесодержащих полостей) внедрены на подземных разведочно-эксплуатационных объектах ГГП «Востоккварц-самоцветы», «Северкварцсамоцветы» и ЗАО «Турмалхан». Экономический эффект от внедрения рекомендаций составляет около 2,5 млн. руб./год.
Результаты исследований использованы при разработке Методических рекомендаций по предотвращению криогенно-технологических осложнений при проведении подземных разведочно-эксплуатационных работ в условиях Севера.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
V Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения», г. Чита, 2005 г.; Международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», г. Тюмень, 2006 г.; Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна 2006», г. Комсомольск-на-Амуре, 2006 г.; расширенном семинаре кафедр подземной разработки МПИ, открытых горных работ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ, 2006 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 13 работах, в том числе 1 монографии, 10 статьях и отраслевых методических рекомендациях.
Структура и объем работы.
