Прогноз температурного режима массива горных пород борта карьера «Удачный» в районе расположения вентиляционных скважин

Приводятся результаты исследований температурного режима массива горных пород вокруг вентиляционных скважин, пройденных с уступа борта карьера на горизонте +115 строящегося рудника "Удачный".

В настоящее время месторождение "Удачная" отрабатывается открытым способом и одновременно ведется его подготовка к подземной отработке. Для проветривания наклонного съезда с уступа борта карьера на горизонте +115 строящегося рудника были пройдены вентиляционные скважины. Специальным проектом предусматривалось бурение двух скважин диаметром 1020 мм с горизонта +115 на отметку -188 м длиной 303 м каждая, что обеспечит выработки необходимым количеством свежего воздуха. Наклонный съезд предусматривается проветривать комбинированным способом, при этом вентиляторы располагают на отметке -188 м в устье вентиляционных скважин. При проходке свежий воздух поступает с отметки +115 м до отметки -180 м по вентиляционной скважине и далее с помощью вентиляторов местного проветривания по наклонному съезду поступает в забой. В проекте сделан расчет количества воздуха, необходимого для проветривания наклонного съезда, которое составило 49 м³/с, т.е. на одну скважину приходится примерно 25 м³/с. Также предусматривался подогрев подаваемого воздуха в зимний период до -10 ⁰С с помощью электрокалориферов. Расстояние между скважинами составляет 5 м, а крайняя скважина пройдена на расстоянии 12 м от кромки уступа борта карьера. Угол откоса равен 70º.

Поскольку вентиляционные скважины расположены близко к откосу уступа, их тепловое влияние в летний период может негативно сказаться на его устойчивости. Для прогноза температурного режима была разработана трехмерная математическая модель [1]. Схема расчетной области приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема расчета теплового взаимодействия вентиляционных скважин и откоса борта карьера.

Математическая модель описывается трехмерным уравнением теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги в породах, уравнениями сохранения энергии в выработках, граничными и начальными условиями:

                     (1)

где T – температура горных пород, °С; С, l – соответственно объемная теплоемкость (Дж/(м³×К)) и коэффициент теплопроводности (Вт/(м×К)) горных пород; L_ф – скрытая теплота фазовых переходов, Дж/кг; w – весовая влажность пород, д.е.; ρ - плотность пород, кг/м³; Т* – температура фазовых переходов, °С; d(T-T*) – дельта-функция Дирака.

На границах теплового влияния области W потоки тепла отсутствуют. На дневной поверхности теплообмен происходит по закону Ньютона:

                                                (2)

где a₁- коэффициент теплообмена поверхности земли с атмосферным воздухом, Вт/(м²×К); T₂ - температура наружного воздуха, °С.

Уравнение сохранения энергии для воздуха в первой выработке имеет вид:

                       (3)

где T₃ – температура воздуха в первой выработке, °С; S – площадь сечения  выработки, м².

Аналогичный вид имеет уравнение сохранения энергии для воздуха во второй выработке.

Начальные распределения температур в окружающем массиве пород и в выработках, а также значения температуры воздуха на входе в выработку – задаются.

Коэффициент конвективного теплообмена поверхности грунта с атмосферным воздухом рассчитаем по формуле [2]:

                                              (4)

где v_в - скорость ветра, м/с.

Численная реализация математической модели осуществлялась конечно-разностным методом суммарной аппроксимации, который сводит многомерную задачу к последовательному решению одномерных задач. Одномерные задачи аппроксимировались неявными разностными схемами сквозного счета, при этом учет теплового взаимовлияния соседних выработок осуществляется методом итераций.

Были проведены численные расчеты на период до 10 лет эксплуатации скважин при естественном тепловом режиме и подогреве поступающего в скважины воздуха в зимний период до -10 ⁰С. Параметры горных пород следующие: естественная температура –4 ⁰С; теплопроводность талых и мерзлых пород соответственно 1,5 и 1,52 Вт/(м×К); теплоемкость сухой породы 980 Дж/(кг×К); плотность 2525 кг/м³; влажность 2%.

В качестве примера на рисунке 2 показаны температурные изолинии на конец лета 10-го года эксплуатации вентиляционных скважин при естественном тепловом режиме. Как видно из графиков, к концу лета происходит протаивание пород со стороны склона борта и вокруг вентиляционных скважин на глубину до 3 м, а ореолы протаивания вокруг скважин смыкаются и температура пород в средней части составляет примерно 0 - +1 ºС. Горные породы между I-й скважиной и бортом карьера находятся в мерзлом состоянии с температурой -5 ºС.

При подогреве поступающего воздуха до -10 ºС температура горных пород между скважиной и склоном борта карьера на этот же момент времени будет -3ºС.

В 2007-2008 гг. проведены натурные наблюдения за тепловым режимом на строящемся руднике «Удачный», в том числе за температурным состоянием пород вокруг вентиляционных скважин, расположенных на уступе северного борта карьера. Были пробурены 4 геотермические скважины глубиной 20-40 м, в которых размещались термогирлянды. Замеры температур производились с периодичностью две недели в течение с апреля по декабрь 2008 г. Полученные результаты замеров были использованы для проверки адекватности разработанной математической модели.

Совпадение расчетных и измеренных значений температур было удовлетворительным. В качестве примера на рисунке 3 приведены распределения температуры горных пород по глубине на 01.09.2008, полученные по результатам наблюдений на замерной станции ТС-3-40 (расположена посередине между вентиляционными скважинами) и значений, полученных расчетным путем.

Отклонение расчетных и измеренных температур горных пород на глубине свыше 10 метров находилось в пределах точности измерений температуры. На глубине до 4 метров в зоне интенсивного влияния поверхности отклонение измеренных и расчетных температур не превышало 2 ºС.

Рисунок 3 – Температура горных пород на измерительной станции ТС-3-40, расположенной между вентиляционными скважинами по данным замеров и результатам расчетов (01.09.2008).

Расхождения между измеренными и расчетными значениями температур объясняются прежде всего тем, что при расчетах годовые изменения температуры атмосферного воздуха задавались по гармоническому закону с усредненными параметрами многолетних наблюдений. В действительности имеют место суточные и месячные отклонения температур от усредненных значений. Поэтому максимальные отклонения на 1-2 ⁰С являются удовлетворительными.

Таким образом, как показали проведенные расчеты на период до 10 лет горные породы между вентиляционными скважинами и бортом карьера сохраняются в мерзлом состоянии круглый год, и наличие скважин в данном случае не оказывает отрицательного влияния на устойчивость уступа, происходит лишь сезонное оттаивание пород.

литература:

1.                  Хохолов, Ю.А. Тепловое взаимодействие мерзлого массива пород и центрально-сближенных скважин, пройденных с уступа глубокого карьера [Текст] / Ю.А. Хохолов, А.С. Курилко, Д.Е. Соловьев // Горн. информ.-аналит. бюллетень. -2008.-№7. - С.234-239.

2.                  Куртенер, Д.А., Чудновский А.Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте [Текст] / Д.А. Куртнер, А.Ф. Чудновский. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 299 с.