книги из ГПНТБ / Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты

новой характеризуется наличием положительной температуры воздуха на всем протяжении вентиляционного пути. Годовые колебания температуры воздуха в выработках находятся в пре­ делах положительных температур, за исключением устья и ближайшей к нему (до калорифера) части штольни. Среднего­ довая температура, воздуха снижается по длине вентиляцион­ ного пути, но очень незначительно, темпы изменения темпера­ туры менее 0,5° на 100 м пути. В летнее время температура воздуха, поступающего в очистные забои, плюс б—8°, в зимний период плюс 3—4°. Существенное влияние на температуру воздуха в районе горных работ оказывают работающие меха­ низмы. В общей сложности они повышают здесь температуру воздуха на 2°. Влажность воздуха в зимнее время повышается от 35—45% в районе калориферов до 100% на расстоянии бо­ лее 2—2,5 км от устья штольни. В летний период влажность поступающего в шахту воздуха составляет около 70% и дости­ гает 100% на рассстоянии 1,2 км от устья штольни.

§ 3. Расчетный анализ теплового режима шахт

Тепловой режим шахт отражает взаимодействие различных по природе горнотехнических факторов. Поэтому существен­ ное значение приобретает рассмотрение вопросов удельного качественного и количественного влияния этих факторов на характер формирования теплового режима и его основные па­ раметры. Целесообразность такого анализа вытекает из необ­ ходимости направленного управления процессами формирова­ ния теплового режима, чем обеспечивается постоянство ком­ фортных и безопасных условий труда при минимальных эко­ номических затратах.

В основу анализа влияния различных факторов на средне­ годовую температуру шахтного воздуха и его температуру в заданный момент в любом конкретном пункте положена об­ щепринятая «Методика расчетного анализа теплового режима шахт и рудников области вечной мерзлоты», разработанная Ленинградским горным институтом им. Г. В. Плеханова на основе лабораторных и аналитических исследований с исполь­ зованием известных в горной теплофизике общих закономер­ ностей (Щербань, Кремнев, Журавленко, 1965). Однако, при­ нимая во внимание необходимость оценки изменения темпе­ ратуры воздуха при проветривании горных выработок в пере­ ходной зоне и на подмерзлотных горизонтах, где притоки воды значительны, мы дополнительно ввели в расчетные формулы коэффициенты, учитывающие теплообмен с водой. Тогда рас­ четная формула для определения среднегодовой температуры воздуха примет вид

0* = Тек + Ф' — (Ген — 0Я — Ф') g1, (Н.З)

20;

21

Значение коэффициента кф следующее: для бетонной кре­ пи —■1,0; сплошной деревянной — 1,2; при креплении враз­ бежку — 1,3; для незакрепленных выработок — 1,5.

Величина коэффициента нестационарного теплообмена для условия подогрева воздуха до tB^>Te рассчитывалась по форму­ ле

При выполнении расчетов соблюдалась следующая после­ довательность:

1) цепь выработок разбивалась на участки, в пределах которых геометрические и аэродинамические характеристики выработки, а также теплофизические свойства пород были постоянные или их можно было усреднить;

2)определялась среднегодовая температура воздуха по участкам;

3)при известной среднегодовой рассчитывалась темпера­ тура воздуха в любой текущий момент времени;

4) для тепловых расчетов в условиях £в> 0 , прежде чем определять температуру воздуха в любой текущий момент, рассчитывалась максимальная (июль) и минимальная (январь) температуры воздуха.

Сравнение расчетных результатов 0К и tBKв исследуемой цепи выработок по формулам (II. 3) и (II. 7) с данными шахт­ ных замеров (табл. 7) показало, что ошибка не превышает 1° С, а это вполне удовлетворяет требованиям практики.

Расчетный анализ теплового режима для шахты «Кайеркан» показывает, что при средних значениях его характеристик пони­

22

выработок Д 0=0Н—0Кпри 0Н=5° составляет 1,6° (табл. 8), a AtB= tBK—tBK при tBH=15° (июль) — 4,2° (табл. 9). При макси­ мальных и минимальных значениях характеристик теплового режима шахты интенсивность снижения температуры воздуха может существенно изменяться. Наибольшее влияние оказы­ вает температурный напор между воздухом и шахтной водой (qB= kBbBAtB) и скорость движения воздуха — они в 3—5 раз могут изменить значения Д0 и Д£в. Изменения коэффициента теплопроводности и времени вызывает отклонение (снижение или повышение) температуры воздуха от средних значений до 70%. Изменение влажности пород, разности отметок начала и конца расчетного пути обычно не изменяют температуру воз­ духа более чем на 20%, а изменение площади поперечного сечения выработок и производительности электровозной от­ катки не изменяет температуру воздуха более чем на 10%.

Таким образом, на изменение температуры воздуха в горных выработках шахт, разрабатывающих одновременно различные геокриологические зоны угольных месторождений, наиболее существенно влияет расход воздуха и теплообмен с шахтной водой, регулирование которыми не представляет технической сложности.

§ 4. Прогноз теплового режима шахт при переходе на подмерзлотные горизонты

Один из основных вопросов при совместной разработке различных геокриологических зон угольных месторождений— определение параметров теплового режима горных выработок при переходе на подмерзлотные горизонты, потому что условия разработки и эксплуатации горных выработок в таких гори­ зонтах существенно отличаются от вышележащих зон. Рас­ смотрим изменение теплового режима выработок при трех вариантах: I — глубина горных работ 200 м, основные работы ведутся в мерзлоте и частично на подмерзлотных горизонтах; II — глубина горных работ 300 м, основные работы ведутся на подмерзлотных горизонтах и частично в мерзлоте; III — глубина горных работ 400 м, работы ведутся на подмерзлотных горизонтах, а вскрывающие и часть подготовительных вырабо­ ток пройдены в мерзлоте.

Тепловой режим прогнозируется по формулам (II.3) и (II.7), правомерность которых оценена в § 3. Для упрощения рас­ чета принимаются следующие допущения:

1)углубление горных работ на 10 м приводит к увеличению метанообильности на 1 м3/т суточной добычи. Необходимый расход воздуха на участке определяется в соответствии с тре­ бованиями техники безопасности для сверхкатегорных шахт;

2)теплофизические свойства окружающего выработки породного массива, тип крепи выработок и их пространствен-

23

ное расположение относительно пласта угля полагаются оди­ наковыми;

3)естественная температура породного массива выбирается на основе геологических данных и проведенных геотермических исследований;

4)углубление горных работ на 100 м производится за 5 лет;

5)температура поступающего в шахту воздуха в зимний период 2°, а в летний период — естественная.

Анализ расчетных данных (табл. 10) показывает, что при углублении горных работ наблюдается повышение температуры воздуха по всей цепи выработок. Однако эти изменения незна­ чительны. Так, при увеличении глубины работ с 200 до 300 м температура поступающего в очистные забои воздуха увеличи­ вается на 0,5° в зимний и на 0,8° в летний период, а на глубине 400 м — соответственно на 1,1 и 1,6°. Следовательно, ожидать существенного ухудшения состояния подготовительных выра­ боток в результате изменения их теплового режима не следует.

25

установки) по сравнению с ее значением на поверхности в 2 ра­ за из-за подсоса теплого воздуха из зданий и сооружений шахт­ ной поверхности;

г) существенное влияние вентиляторов частичного провет­ ривания и механизмов на температурный режим в горных вы­ работках.

2.Расчетный анализ теплового режима шахт, производящих одновременную разработку различных температурных зон угольных месторождений, показал, что на изменение темпера­ туры шахтного воздуха наибольшее влияние оказывает расход воздуха и теплообмен с шахтной водой. Количество проходя­ щего по выработке воздуха регламентируется правилами безо­ пасности, и его перераспределение, как правило, связано со значительными затратами на проведение дополнительных вен­ тиляционных путей. Теплообмен с шахтной водой наиболее «управляем» в рассмотренных условиях.

3.Прогноз тепловых условий на подмерзлотных горизон­ тах при подогреве воздуха в зимнее время до положительной температуры указывает на незначительное изменение темпера­ туры воздуха по длине вентиляционного пути. Воздух следует подогревать до +2° С, не допуская неоправданно высоких значений температуры, чтобы максимально исключать его вред­ ное влияние на устойчивость выработок.

И МЕРЗЛЫХ ПОРОД, ОКРУЖАЮЩИХ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

§ 1. Экспериментальные исследования температурного режима пород

вокруг горных выработок

В горных выработках, расположенных в зоне многолетней мерзлоты, при перемещении воздуха с положительной темпе­ ратурой окружающие породы оттаивают. Это явление зафикси­ ровано исследователями, наблюдавшими изменение температу­ ры пород в летние месяцы при поступлении в шахты воздуха с естественной положительной температурой (Бакакин, 1958; Вепров, 1965; Зильберборд, 1963). При проветривании вырабо­ ток без подогрева воздуха в зимний период оттаивание пород

26

происходит только в летние месяцы и носит временный ха­ рактер, глубина оттаивания, как правило, не превышает 1,5—2 м; за более длительный зимний период породы вокруг горных выработок восстанавливают свою естественную тем­ пературу, иногда же температура их еще более понижается.

Считают (Дядькин, 1968), что при подогреве в зимний пе­ риод поступающего в шахту воздуха до положительной тем­ пературы оттаивание мерзлых пород вокруг выработок стано­ вится непрерывным и прогрессирующим. Относительно полные сведения о количественной и качественной сторонах этого про­ цесса получены только по результатам исследований оттаива­ ния пород вокруг устьевой части стволов шахт Воркуты (Бойко, 1964; Новиков, 1959), где мерзлота имеет небольшую мощность (до 40 м) и процессы протекают вблизи земной поверхности.

Отдельные данные об оттаивании пород вокруг горных выработок при поступлении в шахту воздуха с положительной температурой в течение всего года (Дядькин, 1968; Дядькин,

Для изучения динамики оттаивания пород в горных выра­ ботках при положительном тепловом режиме мы организовали на шахтах Норильска в 1965 г. тепловые стационары, на которых в течение 6 лет регистрировалась температура горных пород. Большой объем систематических измерений температуры пород (около 7 тыс. замеров) в шпурах геотермических станций, расположенных по вентиляционным путям шахт на различных температурных горизонтах, позволяет достаточно полно оха­ рактеризовать температурный режим породного массива и не­ которые закономерности его формирования. Установлено (Скуба, 1970), что в горных выработках по всему вентиляцион­ ному пути в течение календарного года температура пород непосредственно на стенках выработок положительная (рис. 8).

Положительные значения температуры шахтного воздуха обусловили образование прогретой зоны пород вокруг выра­ боток. Для шахт характерно наличие ореолов оттаивания окружающего выработки породного массива по всему вентиля­ ционному пути. Величина радиусов ореолов оттаивания пород кровли R T колеблется от 1,5 до 5,3 м (рис. 9). Максимальная величина ореолов оттаивания соответствует местам с наиболее высокой естественной температурой пород (табл. 11)—станции 3, 5 и 6. Указанные станции расположены в уклонных выработ­ ках, имеют одинаковый вентиляционный режим и равные зна­ чения среднегодовой температуры воздуха, но на станции 3 при естественной температуре пород —3,4° величина ореола оттаивания пород кровли составила 4,2 м, в то время как при температуре массива Те = —2,5° (станция 5) значение Rr до-

27

29

б

Расстояние от стенки выработки, м

Рис. 9. Изменение глубины оттаивания пород вокруг горных выработок, расположенных в различных геокриологических зонах, в летний и зимний периоды при положительном тепловом режиме шахт и естественной тем­ пературе Т е пород:

а — при —3,9°; б — при —4°; в — при ^3,4°; г — при —2,5°; д — при —2,5°; в -* при —1,2°.

до очистных работ и до 2,5—3 м на участке от очистных работ до канала вентилятора. В зимнее время глубина оттаивания на тех же участках снижается и составляет соответственно 2.5— 3 и 1,2—1,5 м. Интенсивное колебание температуры по­ род зимой и летом (но в пределах положительных значений) наблюдается до глубины 0,8—1,0 м. Температура пород здесь имеет практически то же значение, что и температура прохо­ дящего по выработкам воздуха. Фазовое отставание максимума прогрева пород от максимума температуры воздуха около месяца. Колебание температуры породного массива вокруг выработок на глубине более 1 м незначительное и не превышает

1 . 5 - 2°.

Интенсивность распространения положительных темпера­ тур в глубине массива различна. После обнажения пород с от­ рицательной температурой оттаивание их на 0,5 м происходит не более чем за 7—8 суток, 1 м — за 40—45 суток. Распростра­ нение положительных температур в глубь массива более чем на 1—2 м протекает медленно — через 2—2,5 года зона отта-

30