Рентабельная разработка глубокопогребенных мерзлых золотороссыпных месторождений Северо-Востока России требует строительства крупных высокомеханизированных шахт, эксплуатирующихся в круглогодичном режиме. Специалистами в области горной теплофизики подчеркивается неоспоримость утверждения о необходимости регулирования теплового режима (ТР) таких шахт [1, 2]. Известно, что ТР является одним из основных факторов, определяющих физико-механические свойства мерзлых дисперсных горных пород, устойчивость подземных сооружений и горных выработок в условиях криолитозоны, и в значительной степени предопределяет технологию ведения подземных горных работ, их эффективность и безопасность в значительной степени зависит от его правильного физико-технического обоснования.
Оценка криогенного состояния, физико-механических свойств горных пород и т.д. при различных аспектах ведения подземных горных работ в криолитозоне в настоящее время предопределяет необходимость математического моделирования тепловых процессов, происходящих в выработках и вмещающем их массиве мерзлых горных пород. Стремительное развитие вычислительной техники, позволяющей решать широкий класс тепловых задач с фазовыми переходами влаги в горных породах, характерных для криолитозоны, несомненно, способствует этому. Кроме того, во многих случаях математическое моделирование является наименее затратным и достаточно точным методом оценки как динамики формирования температурного поля мерзлого массива, вмещающего горные выработки, так и прогноза ТР [3].
Подземная разработка россыпных месторождений в криолитозоне характеризуется тесной взаимосвязью технологических процессов (система разработки, управление кровлей и др.) при ведении горных работ от температурного фактора [4]. В мерзлом состоянии дисперсные четвертичные отложения, слагающие россыпь, представляют собой монолитный массив за счет наличия в них льда-цемента. Прочность монолита зависит от температуры и повышается с ее понижением (возрастает более чем в три раза при понижении температуры от -1 до -18°С) [5]. При таянии содержащегося в песчано-глинистом заполнителе льда происходит обратный процесс – потеря цементирующих связей между минеральными частицами дисперсной породы и превращение ее в сыпучую или пластичную массу.
Одним из эффективных способов защиты подземных горных выработок шахт и рудников Севера, эксплуатирующихся в знакопеременном или положительном ТР, от протаивания в летний период за счет поступления атмосферного тепла, вносимого вентиляционным потоком, является применение, в частности, теплозащитных набрызгбетонных покрытий с легким наполнителем [6, 7]. Их применение обеспечивает устойчивость горных выработок, пройденных в мерзлых дисперсных породах, не допускающих протаивания или допускающих его на определенную глубину, тем самым снижая нагрузки на возведенную крепь (анкерную, рамную и др.). Помимо этого набрызгбетонная крепь защищает пристеночные горные породы выработок от морозного выветривания, тем самым повышая их устойчивость и срок службы.
Поддержание горных выработок на шахтах и рудниках Севера зачастую осуществляется с использованием анкеров или металлических рамных крепей из спецпрофиля СВП с затяжкой кровли и бортов деревом [6]. Анкерная крепь в комбинации с прочным набрызгбетонным покрытием обладает высокой несущей способностью (основную механическую нагрузку воспринимают анкера), податливостью и ремонтопригодностью. В комбинации с рамной крепью набрызгбетон помимо упрочнения приконтурных пород также играет роль затяжки и предохраняет металл от коррозии.
В работе представлены результаты исследований, посвященных выявлению особенностей влияния набрызгбетонной теплозащитной крепи на формирование теплового режима в горных выработках и вмещающем их массиве мерзлых пород глубокой высокомеханизированной золотороссыпной шахты Севера «Ручей Раковский».
Материалы и методы исследования
Наибольшее влияние на формирование температурного режима шахт и рудников Севера оказывают ряд таких факторов, как природные климатические условия района, вентиляционный режим и наличие многолетнемерзлых горных пород.
Математическое моделирование тепловых и вентиляционных процессов, протекающих в подземных горных выработках, и создание на их основе компьютерных программ позволяет решать сложные задачи, связанные с прогнозом ТР шахт и рудников Севера с учетом указанных выше факторов, а также динамики развития горных работ, технологических процессов и др. В лаборатории горной теплофизики ИГДС СО РАН разработан программный комплекс, позволяющий рассчитать воздухораспределение и ТР сети горных выработок криолитозоны с учетом интенсивности теплообмена воздушной струи с окружающим массивом пород и фазовых переходов влаги в них [3].
Поскольку шахтную вентиляционную сеть можно рассматривать как взаимосвязанную систему, то изменение отдельных параметров в одном из элементов вызовет их изменение в ее остальных частях. Воздухораспределение в вентиляционной сети шахты зависит и одновременно определяет динамику теплового режима в горных выработках. Поэтому необходимо задачу воздухораспределения в выработках россыпной шахты решать совместно с задачей теплообмена вентиляционного воздуха с вмещающим мерзлым горным массивом [3].
Алгоритм совместного решения такой задачи заключается в следующем. Сначала задается начальное распределение температур воздуха и массива горных пород вокруг выработок во всех ветвях вентиляционной системы шахты. При заданных температурах воздуха решается задача воздухораспределения, т.е. определяются расходы воздуха в каждой выработке сети. Далее, исходя из топологической информации, определяется порядок расчета температуры воздуха по ветвям. Расчет начинается с воздухоподающих выработок сети. Температура воздуха на входе в выработку является уже известной величиной (т.е. входящие ветви в узел, с которого начинается выработка, уже прошли через процедуру расчета температуры воздуха). Согласно установленному порядку проводится процедура расчета температуры воздуха во всех выработках сети [3].
Далее, используя рассчитанное распределение температур воздуха в сети, уточняется перераспределение расхода воздуха в ней путем решения задачи воздухораспределения. Таким образом, на каждом шаге по времени решаются последовательно две задачи: воздухораспределения и тепловая.
Результаты исследования и их обсуждение
Прогноз и выявления особенностей формирования ТР выработок строящейся золоторассыпной шахты «Ручей Раковский» осуществлялись на основе разработанного программного комплекса с учетом параметров вентиляционной струи, крепления горных горных выработок, теплофизических свойств пород и др. Эта шахта, относящаяся к глубоким (пласт золотоносных песков залегает на глубине 200 м), разрабатывает глубокопогребенное золотороссыпное месторождение ручья Раковский, которое находится в Сусуманском районе Магаданской области. Необходимо отметить, что данное месторождение находится в зоне распространения «вялой» мерзлоты с высокими температурами пород -1,5°С (в пределах продуктивного пласта) и в связи с этим низкими прочностными характеристиками песков и торфов, во многом затрудняющими его разработку.
Схема горных выработок шахты на первый период строительства приведена на рис. 1. Свежий воздух подается с поверхности в шахту через наклонный вентиляционный съезд (ВНС), а исходящая струя выдается через наклонный транспортный съезд (НТС).
В период с июня 2020 г. по июль 2021 г. сотрудниками института в строящейся россыпной шахте проводились натурные наблюдения за динамикой формируемого температурного режима. Для этого были оборудованы стационарные термостанции, в которые были установлены термогирлянды с терморезисторами типа ММТ-4.
В ходе проведенных наблюдений было установлено:
− естественная температура покрывающих дисперсных горных пород над продуктивным пластом не превышает -2°С, что подтверждает ранее проведенные сторонними организациями геотермические наблюдения;
− температура продуктивного пласта золотоносных песков месторождения на глубине 200 м находится в интервале от -1,2 до -1,5°С.
На основе имеющихся горнотехнических и горно-геологических параметров, а также данных о физико-механических свойствах, полученных в процессе лабораторных исследований образцов горных пород (отобранных с золотороссыпного месторождения «Ручей Раковский»), задавались исходные значения для проведения численных расчетов. Исходные значения температур горного массива приняты по данным натурных наблюдений. В соответствии с требованиями ведомственных строительных норм (ВНС 126-90) толщина набрызгбетонного покрытия применяемого в качестве расчетной несущей конструкции самостоятельно или в сочетании с анкерами или арками, должна быть не менее 5 см.
Рис. 1. Схема горных выработок россыпной шахты руч. Раковский (цифрами обозначены номера ветвей)
При численных расчетах теплозащитная набрызгбетонная крепь учитывается как термическое сопротивление при теплообмене шахтного воздуха с породным массивом, вмещающим горные выработки. В расчетах была принята толщина крепи равная 0,05 м, с коэффициентом теплопроводности 0,25 Вт/(м∙К) при плотности вермикулитобетона 1086 кг/м3 [7].
При проведении прогнозных расчетов параметров ТР россыпной шахты рассмотрен вариант ее эксплуатации в круглогодичном режиме (в зимний период воздух, подаваемый в шахту, подогревается до температуры не ниже -20 °С) и с наличием двух видов крепи горных выработок:
I. металлических рамных крепей из спецпрофиля СВП и анкерной крепи;
II. металлических рамных крепей из спецпрофиля СВП и анкеров в комбинации с теплозащитной набрызгбетонной крепью.
Кроме улучшения санитарно-гигиенических условий горнорабочих необходимость подогрева вентиляционной струи в зимний период связана с тем, что в качестве индивидуальных средств защиты предполагается использование шахтных самоспасателей ШСС-1М, которые согласно инструкции эксплуатируются при температуре не ниже -20°С.
В соответствии с проектом, требуемый объем воздуха для вентиляции шахты довольно значителен и составляет 130 м3/с, из-за необходимости разжижения выхлопных газов, выделяемых высокопроизводительным горным оборудованием с дизельным приводом.
Прогнозные расчеты параметров ТР горных выработок и вмещающего их горного массива рассыпной шахты проводились на двухгодичный период эксплуатации, с марта 2022 г. по март 2024 г.
Результаты расчетов для первого варианта крепления горных выработок (без наличия теплозащитного набрызгбетона) показаны на рис. 2 и 3 в виде графиков динамики изменения температуры массива горных пород (на глубине 0,25; 0,5 и 1 м от стенки выработки) и шахтного воздуха в летний и зимний периоды эксплуатации шахты.
Как видно из рис. 2, по мере движения по горным выработкам теплый воздух, поступающий в шахту в летний период с поверхности для вентиляции, постепенно охлаждается, при этом сохраняя положительные значения на всем пути вплоть до устья воздуховыдающей выработки. Наиболее интенсивные процессы теплообмена происходят в воздухоподающих выработках, по которым проходит наибольший объем воздуха для проветривания. Далее по мере движения воздушного потока интенсивность теплообменных процессов снижается.
Рис. 2. Динамика температур массива горных пород и шахтного воздуха на дату 24 июля второго расчетного года эксплуатации РШ по пути вентиляционной струи. Для I варианта расчетов (металлическая крепь и анкера)
Рис. 3. Динамика температур массива горных пород и шахтного воздуха на дату 23 января второго расчетного года эксплуатации РШ по пути вентиляционной струи. Для I варианта расчетов (металлическая крепь и анкера)
Подача в шахту теплого воздуха объемом около 130 м3/с при относительно небольших ее размерах, приводит к интенсивному протаиванию мерзлых горных пород во всех выработках вентиляционной сети, в том числе и в наклонном транспортном съезде, через который отработанный воздух выдается из шахты. Максимальные размеры ореолов протаивания вмещающих пород, соответственно, также будут приходиться на воздухоподающие выработки. Так, в вентиляционном канале, вентиляционном наклонном съезде, западном штреке их размеры в летний период могут достигать 1,5 м вглубь горного массива. В очистных выработках, где естественные температуры продуктивного пласта песков относительно высокие (по данным натурных замеров составляют в среднем -1,5 оС), также происходит подогрев шахтного воздуха от тепла, выделяемого работающей дизельной техникой. Это приводит к тому, что в данной области шахты (восточный штрек) также происходит существенное растепление вмещающих пород (размеры ореолов протаивания превышают 1 м). В наклонном транспортном съезде фиксируется самая низкая температура исходящей вентиляционной струи, которая понижается в два раза по сравнению с температурой в воздухоподающих выработках и это сказывается на размерах ореолов протаивания вмещающего массива горных пород, который не превышает 1 м.
Как видно из рис. 3, в зимний период за счет подогрева атмосферного воздуха, подаваемого в шахту, температура в горных выработках в соответствии с требованиями не опускается ниже -20°С. В зоне ведения очистных работ (восточный штрек) за счет теплообмена с горными породами, имеющими относительно высокие отрицательные значения, а также поступления тепловыделений от работающей дизельной техники приводят к локальному прогреву шахтного воздуха до -8°С, что создает относительно благоприятные условия труда для горнорабочих. Дальнейшее понижение температуры воздуха (как видно из приведенных графиков) обусловлено его смешиванием с более холодными вентиляционными струями, поступающими из других участков шахты.
В зимний период холодный атмосферный воздух, поступающий в шахту, приводит к обратному процессу повсеместного промораживания слоя оттаявших в теплый период года мерзлых горных пород. По результатам численных расчетов, которые отражены на рис. 3, температура горных пород, вмещающих капитальные и подготовительные выработки, на конец января второго расчетного года будет иметь значения ниже – 6°С, тем самым снижая риск обрушения кровли и бортов выработок и, соответственно, повышая безопасность ведения горных работ.
Основываясь на результатах проведенных исследований, можно сделать вывод, что применение теплозащитной набрызгбетонной крепи, при столь относительно большом расходе воздуха (130 м3/с), подаваемого в шахту, хотя и замедляет, но не обеспечивает защиту массива горных пород от протаивания в летний период (рис. 4). Как показали численные расчеты, толщина оттайки составляет немногим более одного метра, что создает дополнительную нагрузку (помимо горного давления) на основную несущую крепь и может привести к ее разрушению, обрушению кровли и стенок выработок.
Результаты расчетов для случая, когда толщина теплозащитного набрыгзбетона составляет 0,1 м, приведены на рис. 5, видно, что двукратное увеличение толщины также не защищает породы от растепления. Размеры ореолов протаивания по длине вентиляционного пути будут находиться в пределах, не превышающих 1 м.
Таким образом, одним из вариантов обеспечения безопасной, круглогодичной эксплуатации шахты является увеличение толщины крепи из теплозащитного набрызгбетона, добиваясь допустимой глубины протаивания пород, вмещающих горные выработки в летний период. Кроме этого, специалистами [7], в частности, предлагается использовать на рудниках и шахтах криолитозоны двухслойные набрызгбетонные крепи, состоящие из тяжелого и легкого бетонов, обладающие высокими теплоизоляционными и прочностными показателями. Также в этих целях может быть рекомендовано применение высокомодульной базальтовой и низкомодульной полипропиленовой фибры в качестве микроарматуры торкрет-бетонных крепей и теплозащитных покрытий [8–10]. Полученный на этой основе композиционный строительный материал обладает повышенной стойкостью к статическим и динамическим нагрузкам, что, в свою очередь, способствует долговременной устойчивости бетонных конструкций и повышению безопасности труда горнорабочих.
Рис. 4. Динамика температур массива горных пород и шахтного воздуха на дату 24 июля второго расчетного года эксплуатации РШ по пути вентиляционной струи. Для II варианта расчетов (металлическая крепь, анкера и теплозащитный набрызгбетон толщиной 0,05 м)
Рис. 5. Динамика температур массива горных пород и шахтного воздуха на дату 24 июля второго расчетного года эксплуатации РШ по пути вентиляционной струи. Для II варианта расчетов (металлическая крепь, анкера и теплозащитный набрызгбетон толщиной 0,1 м)
Также возможно считать обоснованной необходимость применения различных способов регулирования ТР шахты (как в зимнее, так и в особенности в летнее время) для снижения температуры шахтного воздуха, циркулирующего по горным выработкам, и, как следствие этого, уменьшения растепления пород. Все это потребует дополнительных технико-экономических расчетов для обоснования целесообразности эксплуатации шахты в летний период.
В случае невозможности обеспечения безопасной эксплуатации шахты в летний период рекомендуется ее временная консервация, которая по результатам численных расчетов должна осуществляться на период с 15 мая по 15 сентября. Применение теплозащитного набрызгбетона позволит сместить срок консервации шахты на начало июня, тем самым продлив добычной сезон.
Заключение
Таким образом, как показали численные расчеты, применение теплозащитного набрызгбетона (толщиной до 0,1 м) в климатических и горно-технических условиях глубокой, высокомеханизированной золотороссыпной шахты «Ручей Раковский» не обеспечивает защиту от протаивания породного массива, вмещающего горные выработки. Эксплуатация шахты с естественным (нерегулируемым) ТР в летний период может создать угрозу обрушения горных выработок из-за интенсивного протаивания вмещающих мерзлых горных пород на глубину до 1 м.
Чтобы обеспечить безопасную круглогодичную эксплуатацию золотороссыпной шахты, необходимо либо увеличивать толщину возводимой крепи из теплозащитного набрызгбетона, добиваясь допустимой глубины протаивания пород, либо применять различные способы регулирования ТР шахты (не только в зимний, но и в летний периоды) для снижения температуры шахтного воздуха, циркулирующего по горным выработкам, до отрицательных значений.
Есть основание утверждать, что разработка проектов на строительство круглогодичных россыпных шахт в северных регионах РФ должна в обязательном порядке включать раздел по регулированию ТР как в зимний, так и в летний периоды ее эксплуатации.
Тем самым тепловой режим наряду с вентиляционным при подземной отработке глубокопогребенных золотороссыпных месторождений (находящихся в зоне «вялой» мерзлоты) является основным фактором, определяющим режим работы горного предприятия и выполнения технологических операций, а также при выборе механизмов и оборудования.