Содержание к диссертации
Перечень условных обозначений символов, единиц, терминов 6
Б в е д е н и е 10
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 18
1.1. Анализ производственного опыта замораживания пород при проходке стволов 18
1.2. Анализ теоретических исследований технологии замораживания пород при проходке стволов 22
1.3. Анализ методов определения оптимальных параметров технологии замораживания пород при проходке стволов 26
1.4. Методы решения проектных задач 28
Выводы по разделу I. Цель и задачи исследований 29
2. Разработка методики расчета процесса замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт 32
2.1. Расчет стационарного температурного поля ледо-породного ограждения при кольцевом равномерном одно- и двухрядном расположении замораживающих колонок 32
2.2. Расчет нестационарного температурного и прочностного поля ледопородного ограждения при произвольном расположении колонок 61
2.3. Расчет продолжительности замораживания пород 83
2.4. Расчет температур хладоносителя в многотрубной замораживающей колонке 93
2.5. Моделирование на ЭВМ процесса замораживания пород... 102
2.6. Методика расчета теплопередачи в трех конструкциях колонок при прямой и обратной циркуляциях хладоносителя 107
2.7. Расчет размеров ледопородного ограждения 120
2.8. Выбор оборудования и расчет режимов работы замораживающей станции 120
2.9. Продолжительность активного и пассивного замораживания пород 121
Краткое заключение по разделу 2 122
3. Разработка методики выбора оптимальных параметров технологии замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт 126
3.1. Основные положения 126
3.2. Разработка экономико-математической модели технологии замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт 127
3.3. Алгоритмизация 135
3.4. Разработка и апробирование программы для ЭВМ выбора оптимальных параметров технологии замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт 158
Краткое заключение по разделу 3 165
4. Стендовые исследования параметров процесса замора живания пород 166
4.1. Задачи и методика исследований 166
4.2. Исследование процесса замораживания колонками трех конструкций 179
Краткое заключение по разделу 4 193
5. Разработка новых средств замораживания. Технико- экономические показатели оптимального проектирования технологии замораживания пород при проходке верти кальных стволов шахт 195
5.1. Разработка новых средств замораживания 195
5.2. Технико-экономические показатели оптимального проектирования технологии замораживания пород . 201
5.3. Технико-экономический эффект от внедрения оптимальных параметров технологии замораживания пород 222
3 а к л ю ч е н и е 232
Список использованных источников 237
Приложение I 259
Приложение 2 277
Приложение 3 280
Приложение 4 284
Приложение 5 288
Приложение 6 294
Приложение 7 296
Приложение 8 297
Приложение 9 308
Приложение 10 313
Приложение II 323
Приложение 12 328
Приложение 13 330
Приложение 14 334
Приложение 15 338
Приложение 16 345
Приложение 17 347
Приложение 18 353
Приложение 19 360
Приложение 20 361
Приложение 21 363
Приложение 22 370
Приложение 23 371
Приложение 24 373
Введение к работе
Актуальность работы. Б соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г." главной задачей в капитальном строительстве является "повышение эффективности капитальных вложений, сокращение сроков и осуществление строительства по наиболее прогрессивным и экономичным проектам".
В настоящее время фактические сроки строительства шахт все еще превышают нормативные в 1,5-2,5 раза, что приводит к удорожанию строительства на 30-40$. Работы комплекса "замораживание пород" часто составляют 30-40$ нормативного времени подготовительного периода и оказываются на критическом пути строительства. Замораживание пород является наиболее надежным способом проходки вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях.Благодаря усилиям многих и, в первую очередь, советских ученых Вя-лова С.С, Дормана Я.А., Картозия Б.А., Зарецкого Ю.К., Маньков-ского Г.Н., Насонова И.Д., Пеховича А.И., Трупака Н.Г., Федюки-на В.А., Хакимова Х.Р., Афанасьева В.И., Бахолдина Б.В., Варены-шева В.М., Долгова О.А., Карасева Ф.А., Кокшенева Б.Г., Крастошевского Г.М., Литвина А.З., Мишедченко А.Д., Сильвестрова Д.К., Степановой Е.М., Тютюнника II.М., Съедина С.А., Селезнева Н.А., Шпарбера П.А., Шушшка М.Е. и др. способ замораживания пород имеет основательную научную базу и его применение постоянно расширяется. Ежегодно в Советском Союзе проходят 1-1,2 км стволов способом замораживания. Способ является универсальным, однако остается относительно дорогим. Стоимость специальных работ на одном стволе изменяется от 250 тыс. до 6 млн руб., а продолжительность от девяти до 53 месяцев при глубине замораживания соответственно 100 и 600 метров.
Анализ производственного опыта показал, что при разработке проектов и на строительстве недостаточно внимания уделяется вопросам оптимизации параметров замораживания пород. Из года в год применяют в основном одни и те же решения: расстояния между колонками 1-1,3 м, температура замораживания при наличии пресной воды минус 20 градусов, одноступенчатые аммиачные компрессоры, двухтрубные колонки, расход хладоносителя 6-8 м3/ч и т.д. Холо-допроизводительность замораживающих станций, толщина ледопород-ного ограждения и производительность замораживания принимаются с большим запасом. Подбор экономичного оборудования не производится. Не используются возможности сокращения критического пути строительства ствола за счет изменения параметров замораживания. В расчетах применяются приближенные зависимости, при проектировании редко выполняется сравнение более двух-трех вариантов, параметры принимаются, как правило, по аналогам, что не может обеспечить получение наилучшего варианта.
Отставание уровня проектных разработок от требований времени объясняется в частности тем, что отсутствуют комплексные исследования по выбору оптимальных параметров технологии замораживания пород, в которых технические решения по замораживанию увязывались бы с экономическими критериями строительства шахты. Существующие методики выбора оптимальных параметров замораживания пород основаны на рассмотрении частных вопросов (например, расстояния между колонками, расхода хладоносителя и др.), имеют ограниченную область применения, не увязывают длительность процесса замораживания с остальными работами подготовительного периода строительства шахты, не приспособлены для использования ЭВМ. Оптимизация отдельных параметров замораживания пород является малоэффективной и недостаточной. Поэтому вопросы оптимального проектирования технологии замораживания пород, которым посвящена данная диссертационная работа, представляются достаточно ак туальными. Цель работы - сокращение капитальных вложений и продолжительности строительства шахт за счет оптимизации технологии замораживания пород при проходке стволов в сложных горно-геологических условиях.
Основная идея работы заключается Б том, что комплекс "замораживание пород" при проходке стволов в сложных горно-геологических условиях рассматривается как подсистема общей системы строительства шахты и оптимальное проектирование технологии замораживания пород выполняется с учетом ограничений, накладываемых проектом организации строительства шахты.
Задачи исследований: для определения оптимальных температур замораживания пород установить закономерности их изменения в системе "породы-колонки-компрессоры" в стационарном и нестационарном состояниях при двухрядном и L:E / однорядном расположении колонок, при наличии трехтрубных колонок с переменной толщиной стенок питакщих труб, с учетом изменяющегося по глубине теп-лопритока к колонкам и различных схем циркуляции хладоносителя; определить коэффициент теплоотдачи на колонках с натурными диаметрами; выявить закономерности изменения технико-экономических показателей и разработать локальную экономико-математическую модель комплекса "замораживание пород" в увязке с моделью строительства шахты, алгоритм и программу для ЭВМ проектирования оптимальной технологии замораживания пород; определить влияние основных параметров замораживания пород на продолжительность и стоимость работ.
Методы исследования. Б работе использовались методы теории теплопроводности, планирования оптимальных экспериментов, математической статистики, экономико-математического моделирования с использованием ЭВМ, а также методы физического моделирования и натурных измерений.
Научная новизна:
1. Установлены аналитические зависимости, описывающие закономерности изменения температурного поля и теплопритока к колонкам в ледопородном ограждении при двухрядном кольцевом расположении колонок вокруг ствола.
2. Разработана математическая модель, описывающая закономерности нестационарного теплообмена в системе " ГП, пластов пород - колонки - компрессоры" и изменения прочностных характеристик ледопородного ограждения вертикального ствола при различных схемах циркуляции хладоносителя и конструкциях колонок.
3. Разработаны корреляционные зависимости продолжительности замораживания от теплофизических и механических характеристик пород, толщины ледопородного ограждения, расстояния между колонками, температуры хладоносителя и других факторов.
4. На натурных колонках получены фактические величины и установлены корреляционные зависимости коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности хладоносителя от определяющих факторов.
5. Установлены зависимости продолжительности работ и приведенных затрат комплекса "замораживание пород" при проходке стволов от расстояния между колонками, температуры хладоносителя и других факторов.
6. Указанные выше результаты объединены в разработанной впервые локальной экономико-математической модели комплекса "замораживание пород" при проходке стволов и информационной базе для выполнения расчетов на ЭВМ, увязанной с общей моделью строительства шахты. Выявлены закономерности комплексной оптимизации воех параметров технологии замораживания пород с учетом ограничений, накладываемых проектом организации строительства шахты. Установлено, что различным производственным ситуациям удовлетворяют четыре оптимальных варианта, сформулированы и об основаны критерии для их выбора.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
1) применением апробированных аналитических и конечно- разностных методов теории теплопроводности, предусматривающих проверку правильности решения задачи;
2) сопоставлением полученного в работе общего решения с ранее опубликованными частными решениями других авторов;
3) сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований на моделях (погрешность не превышает 8,5$);
4) сходимостью результатов теоретических исследовании и натурных наблюдений процесса замораживания на стволах Яковлев-ского рудника КМА и шахты им. А.А. Скочинского (погрешность в определении границ ледопородного ограждения не превышает 0,3 м).
Драктическая ценность:
1) разработана методика и программа для ЕС ЭВМ проектирования оптимальной технологии замораживания пород, обеспечивающая сокращение времени и стоимости строительства шахты;
2) разработана методика и программа для ЕС ЭВМ моделирования нестационарного процесса замораживания пород колонками, произвольно расположенными вокруг ствола, которая позволяет значительно сократить цикл проведения научных исследовании при разработке новых технологических схем и прогнозировать развитие ледопородного ограждения в период проходки ствола;
3) предложены новые конструкции замораживающих колонок и холодильная установка, защищенные авторскими свидетельствами, применение которых повышает эффективность и надежность способа замораживания пород.
Реализация работы. Результаты работы вошли составной частью в нормативный документ "Методика выбора оптимальных параметров процесса замораживания горных пород при проходке вертикальных стволов шахт", согласованный Минутлепромом СССР, который совместно с программой "Мороз" применяется при проектировании в Донгипрошахте, Днепрогипрошахте, Южгипрошахте и внедряется в проектной конторе треста Шахтспецстрой.
Использование результатов работы при проходке трех стволов Яковлевского рудника КМА. и воздухоподающего ствола шахты им. А.А. Скочинского дало экономический эффект в сумме 740 тыс.
рус Апробация работы. Основные положения работы докладывались на технических советах Донгипрошахта (г. Донецк, 1975) и проектной конторы треста Шахтспецстрой (г. Москва, 1976,1981), на научно-техническом совете Госстроя СССР - секции строительства в условиях сурового климата и на вечномерзлых грунтах (г. Белгород, 1980), на технических совещаниях в производственном горнорудном объединении "Центроруда" (г. Белгород, 1980) и Укрний-проекте (г. Киев, 1980).
На "Методику выбора оптимальных параметров процесса замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт" получены положительные отзывы от проектной конторы треста Шахтспецстрой, Донгипрошахта, Днепрогипрошахта, Южгипрошахта и других организаций.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе шесть изобретений.
Диссертационная работа связана с выполнением следующих НИР:
I. Исследование и разработка технологии замораживания пород на большие глубины применительно к условиям Яковлевского железорудного месторождения. Период выполнения 1973-1975 гг. № ГР 74032802. Работа выполнялась по Постановлению ГКНТ Совета Министров СССР от 27.05.72 № 203 (автор - ответственный испол ните ль),
2. Разработка и внедрение методики выбора оптимальных параметров процесса замораживания горных пород при проходке вертикальных стволов шахт. Работа 1503060000-010 головной темы 1503 "Исследование и разработка научных основ организации строительства шахт". Период выполнения I976-I98C гг. № ГР 79063323 (автор - руководитель работы).
3. Совершенствование организации системы комплексной подготовки строительного производства, нормативного и экономического обеспечения. Целевая комплексная отраслевая программа Минугле-прома СССР. Шифр 10(4). Период выполнения I98I-I985 гг. (автор -ответственный исполнитель).
4. Разработка технологии, создание и внедрение средств комплексной механизации для сооружения капитальных горных выработок при строительстве и реконструкции шахт и разрезов, обеспечивающих снижение трудоемкости работ и повышение темпов проходки. Целевая комплексная отраслевая программа Минуглепрома СССР. Шифр 8(2). Период выполнения І98І-І985 гг. (автор - ответственный исполнитель).
5. Разработка и внедрение технологии замораживания горных пород при проходке шахтных стволов на глубину до 1500 м, обеспечивающей сокращение сроков замораживания на 15-20%, снижение стоимости на 10-15$ и повышение надежности способа. Шифр 1500120000-010, & проблемы Ц-2С. Период выполнения І98І-І985 гг. № ГР 01820072660 (автор - ответственный исполнитель).
6. Разработка программного обеспечения выбора оптимальных технических решений организации строительства шахт в ОС ЕС ЭВМ и внедрение его и локальных методик при конкретном проектировании. № проблемы Ц-20. Шифр 1500401000-ОЮ. Период выполнения І98І-І985 гг. № ГР 01820072663 (автор - ответственный исполни нитель).
7. Создание и ввод в эксплуатацию унифицированных подсистем и компонентов для применения в САПР проектных организаций Минугле-прома СССР. Шифр 2500404000-042. Работа программы 0.Ц.027, утвержденной ГКНТ СССР 10.12.80. Период выполнения I98I-I985 гг. (автор - ответственный исполнитель).
Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории замораживания горных пород и ВЦ ВНИИОМШС, работникам треста Шахтспец-строй, Донгипрошахта, треста Донецкшахтопроходка за большую помощь в проведении лабораторных, численных и натурных исследований, а также во внедрении полученных результатов.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, содержащих 139 страниц машинописного текста, 63 рисунка и 34 таблицы, списка использованных источников, включающего 220 названий, и 24 приложений.
Похожие диссертации на Оптимальное проектирование технологии замораживания пород при проходке вертикальных стволов шахт
