автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка эффективных способов и средств управления термодинамическими процессами в многолетнемерзлом массиве при добыче угля

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации

Российская Академия наук _Институт горного дела нм. А.А.Скочинского_

На правах рукописи

п[ г, ОД

V 1 "

Кандидат технических наук

} с. ]1ЬЬ

Евгений Александрович ЕЛЬЧАНИНОВ

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ

И СРВДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ МАССИВЕ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Специальность 05.15.11 -"Физические процессы горного производства"

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва 1996

Работа выполнена в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институте горного дела им.А.А.Скочинского.

Официальные оппоненты:

проф.)докт.техн.наук О.М.Гридин, ироф.^докт.техн.наук В.В.Кудряшов, проф.докт.техн.наук В.В.Васильев. Ведущая организация - АО "Арктикуголь".

Автореферат разослан ¿СсЩлл 1996 г.

Защита диссертации состоится "2'2 «гТик 1996 г. в /О час, на заседании специализированного совета Д. 135.05.03 Института горного дела им.А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, гЛюберцы Московской обл., ИГД ИМ.А.А. Скочин-ского.

Ученый секретарь специализированного совета проф. »докт.техн.наук

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. I )1)н исследовании свойств и состояния горного массива его термодинамике уделяется недостаточно нниманмя, хотя известно, что на глубоких горизонтах утльных шахт температура снижается от -4 до -12°С, а на открытых разрабо!ках Якутии - до -50«55"С. 13 условиях низких температур существенно изменяются свойства горных пород, содержащих воду и газ, и состоящих из минералов с различными коэффициентами температурного обьомного расши|»е-нни. Особое место здесь занимают многолез немерзлые массивы, где сосредоточено 45% намеченных к разработке полезных ископаемых в Западной к Восточной Сибири.

Результаты изучения термодинамических закономерностей в разрабатываемом горном массиве способствовали разработке теоретических и практических основ управления физическими процессами в массиве ири добыче полезных ископаемых в многолетней мерзлоте, к которым относятся, в частности, разработанные нами методы расчета:

систем управления тепловыми полями в массиве пород вокруг горных выработок;

устойчивости выработок в условиях знакопеременного зе-пло- и массообмена в зоне многолетней мерзлоты;

пожароопасности отработанных участков на основе <|юр-ммрованмя теплового поля разрабатываемого массива;

управления опасными динамическими явлениями в мос-сиве воздействием на тепловое поле;

систем регулирования теплового режима для условии шахт глубоких горизонтов и многолетней мерзлоты с использованием тепловой энергии массива;

теплообменных крепей и теплопередающих устройств; искусственного массива из обрушенных пород и закладочных материалов методом сморажнвания;

тс мл оных систем ослабления пород в массиве при термическом, пщкгтермичсском, электротермическом и термоэлектрохимическом способах.

На базе результатов исследований термодинамических процессов и аналитических методов разработаны новые технические |юшснпя по способам и средствам управления термодинамическими процессами в горном массиве при разработке угольных пластов в условиях многолетней мерзлоты 11,34-45].

В многолетней мерзлоте управление термодинамикой мае- * сипа является не только средством повышения эффективности горных работ, но, главное, обеспечивает возможность их ведения. Поэтому нами выполнены исследования термодинамики многолетнемерзлого массива с целью адаптации существующих средств комплексной механизации разработки месторождении, систем разработки и вскрытия месторождений, применяемых в обычных условиях к условиям многолетнемерзлого массива и создания приемлемых условий для работы шахтеров под землей.

Идея работы - адаптация современных способов вскрытия, систем разработки и комплексной механизации выемки угля, применяемых в обычных условиях, к условиям добычи угля, залегающего в многолетней мерзлоте, йутем управления состоянием массива.

Целью работы является повышение эффективности разработки многолетнемерзлого угольного массива и создание комфо(тгых условий работы в шахте при добыче угля, залегающего в вечной мерзлоте.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследования, включающий: научный анализ и обобщение, теоретические, экспериментальные исследования в промышленных условиях, производственные наблюдения с обработкой полученных данных методами математической статистики и теории вероятности, экономико-математическое моделирование и эколого-технологическое моделирование с применением ЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

На основании выполненных исследовании зффекишным решением проблемы добычи угля, змегающет в печной мерзлоте, является адаптация применяемых п обычных условиях современных способом покрытии, смечем разрабщки и комплексной механизации выемки угля. В этой спязи к новым научным положениям относятся:

1. Термодинамика многолетнемерзлого массива существенно зависит пт фазового сосюяния "вода-лед-вода" и, следовательно, влияет па его свойства, и при изменении ампера-туры многолетнемерзлого массива изменяются его прочностные и деформационные свойста, а также устойчивость и напряженное состояние породы [1-3, 5, 8].

2. Изменение свойств многолетнемерзлых пород зависит аг фазового состояния "лед-пода" и температуры массива и колеблется в пределах 5-30%. Определяется по установленной нами зависимости (1,2].

3. Адаптацию способов подготовки шахтного поля, систем разработки угольных пластов и средств комплексной механизации, применяемых в обычных условиях для добычи угля в зонах многолетней мерзлоты, рационально производил, путем управления состоянием массива (I].

4. Основным направлением адаптации технологии и техники добычи угля, применяемых для иыемки утля в зонах многолетней мерзлоты, является управление термодинамическими режимами состояния массива, которые устанавливаются также исходя из допустимой температуры шахтной атмосферы [1-3,5,9]. *

5. Рациональными режимами управления состоянием мерзлого массива являются: а) региональные - обшешачшые; б) локальные - на отдельных участках шахтного поля, забоях и лавах; в) комбинированные, состоящие из общешахтных и локальных [1-3,5].

6. Термодинамика шахтной атмосферы непос]>едственно связана с состоянием и свойствами массива [1-3,5].

7. Общешахтные режимы управления состоянием массива базируются на термодинамике общешахтной вентиляционной атмосферы путем подогрева (охлаждения) последней соответствующими установками или создания необходимых температур в тепловых выработках (1-3,5].

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются сходимостью результатов аналитических, лабораторных, натурных исследований и опытом пратн-ческого многолетнего использования рекомендаций автора при разработке угольных месторождений в районах многолетней мерзлоты (месторождения Сангарскос, Джсбарики-Хая, Аркагалинское, Анадырское, Бухта Угольная, Норильское, Кайерканскос, Котуй, о.Шпицбсрген), воспроизводимостью и удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и фактических данных по процессам технологии на шахтах, где применены предложения, изложенные в трудах, а также практикой производственной деятельности объединений "Арктикуголь", "Якутуголь", "Северовостокуголь",

"Красноярскуголь", "Приморскуголь" (1-6].

Научная новизна. Свойства пород в многолетнемерзлом массиве существенно зависят от температуры массива, что определяет фазовое соотношение в системе "вода-лед-порода". Фазовые переходы изменяют прочностные свойства массива и повышают его напряженное состояние. Поэтому управление состоянием массива осуществляется с учетом как комфортных условий шахтной атмосферы, так и термодинамического состояния массива, включая физико-механические его свойства и изменение химической активности углей, являющихся причиной возникновения эндогенных пожаров. Процесс управления состоянием массива приводит к возможности адаптации техники и технологии, применяемых в обычных условиях, к условиям выемки угля в многолетнемерзлом массиве.

Научное значение работы заключается в разработке теоретических основ управления термодинамическими процессами в многолстнсмерхюм массиве, расчетных методов для определения рациональных параметров средств и способов управле-

ния термодинамическими процессами при подземной разработке месторождений полезных ископаемых.

Практическая ценность работы состоит: в разработке и реализации способов и средств управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ; способов управления тепловыми полями и термодинамическими процессами при ведении горных работ; методических и научно-технических положений, обосновывающих совершенствование горного хозяйства шахт на базе нейтрализации неблагоприятных термодинамических и геомеханических проявлений; технологических схем очистных и подготовительных работ для. шахт области многолетней мерзлоты, учитывающих примене-1шс систем и средств дегули^мжинин теплового режима; создании систем и средств теплового регулирования с использованием энергии массива; технологий и средств термического ослабления труднообрушаемых многолетнемерзлых пород; разработке способов упрочнения обрушенных пород при слоевой выемке мощных пластов угля, тепловой защиты выработок и исключения возникновения эндогенных пожаров, термодинамического управления массива многолетнемерзлых пород с целью предотвращения неблагоприятных геомеханических проявлений.

Реализация работы. Реализация основных выводов и рекомендаций, полученных по результатам исследований, в полном объеме осуществлена в проектах реконструкции шахт "Джебарики-Хая" и "Сангарская" ПО "Якутуголь", "Кадыкчанская", "Омсукчанская", "Беринговская"

"Анадырская", а также при строительстве и эксплуатации шахты "Кедровская" ПО "Северовостокуголь", "Пирамида" и "Баренцбург" ПО "Арктикуголь", "Ургал" ПО "Приморскуголь", "Котуй" ПО "Красноярскуголь".

Основные технические и технологические решения, предложенные автором, явились основой разработки "Технологических схем очистных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты, учитывающих применение систем и средств регулирования теплового режима" и

"Временной инструкции по выбору крепи для очистных выработок в условиях многолетней мерзлоты", утвержденных Мин-углепромом СССР, применяемых на шахтах в районах с многолетней мерзлотой.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором и получили одобрение на всесоюзных, региональных и международных научно-технических конфе-рснииях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в том числе: Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1973), Всесоюзной конференции "Физика горных пород и процессов" (Москва, 1974), Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование разработки мощных пологих пластов угля (Караганда, 1977), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Киев, 1977), Третьей международной конференции по мерзлотоведению" (Канада, г.Эдмонтон, 1978), Всесоюзной конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981), Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физических свойств пород и процессов" (Москва, 1981), Всесоюзной конференции "Аккумуляция зимнего холода в горных породах и его использование в народном хозяйстве" (Пермь, 1981), Четвертой Дальневосточной геологической конференции углеразведчи-ков (Артем Приморского края, 1982), Всесоюзном научно-техническом совете "Борьба с пылью на горных предприятиях Севера и профилактика пневмокониоза" (Люберцы, 1983), Четвертой Международной конференции по мерзлотоведению (Фсрбенкс, Аляска, 1983), Семинаре Европейской экологической комиссии ООК (Ташкент, 1989), Научно-техническом совете "Росуголь" (Москва, 1994), НТС Минтопэнерго РФ (Москва, 1995), Международной конференции "Интергаз-95" (США, г.Таскалуза, США, 1995).

Публикации. По диссертационной работе опубликовано 3 монографии, 3 брошюры, 3 нормативно-технологических документа, 2 альбома и 36 статей. Получено 18 авторских свидетельств и патентов.

Объем и структура диссертации. Диссертация в форме научного доклада наложена на 57 страницах, включая 3 таблицы, 3 рисунка и список основных опубликованных работ из 45 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Исследования формирования теплового поля в_горном

массиве [1,33].

Проблемам горной теплофизики посвящены работы таких крупных ученых, как А.Н.Щербань, О.А.Кремнев, А.Ф.Воропаев, В.П.Бокакин, Ю.Д.Дядькин, Ю.В.Шувалов, А.Ф.ЗильСсрборд, В.П.Черняк:, в которых решены основные вопросы нестационарной теплопроводности на границе вмещающих выработки горных пород, их тепло- и массообмена с шахтным воздухом, термодинамики воздушного потока и зависимости этих процессов от природных и технологических условий горных работ. Однако в их работах отсутствуют решения по управлению термодинамическими процессами в разрабатываемом многолетнемерзлом массиве, обеспечивающие применение современной высокопроизводительной техники и комфорные условия для работающего персонала. В связи с этим нами в 1961 г. были начаты исследования условий изменения тепловых полей в многолетнемерзлом массиве пород в зависимости от воздействия на него различных производственных процессов, а также влияния температуры на физические явления, осложняющие добычу полезных ископаемых [1,2,7,10/11].

• Для разработки технических и технологических решении горного производства было недостаточно получить только качественные характеристики изменений температуры в массиве в зависимости от изменений напряженности при различных производственных процессах, а было необходимо также иметь количественные данные. При переходе от качественных показателен к количественным потребовалось проведение экспериментов на специальных установках с целью исследования

изменения температуры на образцах пород при всестороннем сжатии, при различных диапазонах их температур, давления, влагонасышенносги. Одновременно, учитывая большое разнообразие состава и ст{юсния пород, решался вопрос практического перехода от абсолютных величин температуры к скоростям се изменения по процессам |1,3,10-13,23]. Многолетне-мерзлые породы, имеющие различные вариации в естественных условиях, исключают окисление угля, адсорбцию газа, создают колебания температуры в массиве от отрицательных значений до положительных, по глубине залегания и т.д. Полученные нами данные о теплофизических характеристиках пород позволили уточнить ряд известных и вновь открытых закономерностей, которые являются основой для разработки способов и средств, уточнения параметров их взаимодействия и области применения, а также для разработки и внедрения ряда технических решений, обеспечивающих управление тепловыми полями.

Знание термодинамических закономерностей в разрабатываемом горном массиве позволило разработать теоретические основы управления физическими процессами в массиве при добыче полезных ископаемых в многолетней мерзлоте. Эти теоретические основы содержат, в частности, разработанные нами методы расчета:

систем управления тепловыми полями в массиве пород вокруг горных выработок [1,19,21,22,35-37];

устойчивости выработок в условиях знакопеременного тепло- и массообмена в зоне многолетней мерзлоты (1,17,38,39];

определения пожароопасности отработанных участков на основе формирования теплового поля разрабатываемого массива (1,32,33,43];

управления опасными динамическими явлениями в массиве воздействием на тепловое поле (1,23,24,44,45];

систем регулирования теплового режима для условий шахт глубоких горизонтов и многолетней мерзлоты с использованием тепловой энергии массива (1,13,14,19,32,33,35,36];

теплообмедаых крепей и теплопередающнх ус^юйств [1,19,21,22,38,39];

формирования искусственного массива из обрушенных пород и закладочных материалов методом смораживания [1,13,14,16,33,42];

тепловых систем ослабления по|юд в массиве при термическом, гидротермичсском, электротермическом, термозлек-трохимическом способах [1,18,23,40,41];

прогноза опасных динамических явлений в массиве, вмещающем горные выработки 11,30,44,45).

В процессе ведения горних работ в условиях многолетней мерзлоты ее длительный стационарный режим, характеризующийся отрицательным температурным градиентом, переходит в нестационарное состояние, сопровождающееся фазами "лед-вода-лед". При этом изменяется не только внутренняя энергия этих фаз, но и внутренняя энергия всей агрегатной системы массива, напряженное состояние, внутреннее сцепление кристаллов, зерен, трещин, покрытых либо пленкой вода, либо пленкой льда [1].

Результаты наших исследований свидетельствуют, что породы с температурой от -3- до -10°С и влажностью до 4-5% при повышении температуры до положительных значений снижают коэффициенты сжатия стсм и растяжения ст||ЖЛ и другие прочностные показатели на 5-23%. В то же время пороли с температурой -3-10°С и влажностью 8-21% ! ори ют прочность при положительной температуре до 40%. Так, песчаники месторождения "Гора Пирамида" влажностью до 5% при температуре -6,7°С имеют стсж~119,6 МПа,

страст —13,9 МПа, а при повышении температуры до +2°С соответственно 92,7 и 12 МПа. Однотипные песчаники с Арка-галинского месторождения с влажностью 13% при температуре -5,7°С имели Стсж"95,2 МПа и страст=10,5 МПа, а при температуре +2°С соответственно 61,8 и 76 МПа, т.е. из-за увеличения влажности прочностные показатели снизились соответственно в мерзлом состоянии на 14,8 и 24%, а в талом - на 33 и 37%. Па рнс.1 представлен характер изменения прочностных

показателей разных типов многолетнемерзлых пород в зависимости от их влажности и температуры.

■'сж

,МПа

________т,°с

Рис. 1. График зависимости физико-механических свойств многолетних мерзлых пород от температуры: 1 - породы шахты "Кадысталская"; 2 - породы шахты "Джебарюсн-Хля"; 3 - породы шахты "Пирамида"

Для решения теоретических и практических задач по управлению тепловыми полями в массиве многолетнемерзлых пород, подверженных влиянию горных работ, нами были выполнены исследования теплофизических свойств этих пород (табл.1).

Теплопроводность образцов сланцев вдоль слоистости, как показали исследования, может быть на 10-50% выше, чем поперек слоистости причем с увеличением степени метаморфизма пород анизотропия теплофизических свойств уменьшается.

Таблица 1

Темофизические характеристики осадочных пород

Порода Число Лр Среднее Число Среднее Число Среднее

определений п квадратичное отклонение 3 определений п ~ квадратичное отклонение 5 определений п квадратичное отклонение S

Песчаник 447 166 0,98 133 9,86 3,1 113 972 326

0.38-5.17 2^4 - 20,43 670 - 3345

Алевролит - . 220 1,49 0,77 43 10Д8 2,6 40 S&0 250

0,41 -3,58 5^6-15.42 754-1649

Аргиллит, 203 1.22 0,61 21 9,46 3,03 17 866 68

глинистый сланец 0.25-3,01 5.94-15,28 737-988

Доломит 72 3.24 0,85 38 12,44 2,65 35 1088 213

1,63-6,5 8,26-163 648-1465

Известиях 216 2А 0.6 95 • 1U7 2,58 92 887 122

0.92-4,4 ЗЛ-16» 753-1712

Мергель 38 1.92 0,62 22 7ДЗ 3,4 16 1634 870

0.5-3,91 3,14-13*9 837 - 3085

Каменный уголь 6 0.21 0,13-03 0,07 - - - -

Результаты исследований предлагается использовать для оценки теплового режима горных пород при проектировании шахт и рудников на данной территории с учетом конкретных природных условий.

Ниже приведены тепловые свойства фаз, входящих в состав породы:

Как видно, показатели тепловых свойств пород зависят от объемного соотношения фаз, их химического состава и агрегатного состояния.

Теплоемкость характеризует способность пород аккумулировать тепловую энергию. Это свойство применяется при решении многих задач, например, при использовании аккумуляции тепла (холода).

Важную роль во многих технических решениях играет коэффициент теплоотдачи. Теплоотдача горных пород имеет большое значение в подземных горных выработках и используется для расчета систем проветривания, теплового режима шахт и т.п.

В условиях многолетней мерзлоты передача тепла осуществляется сквозь толщу горных пород, в которых промежуточной средой (заполнителем) является лед. Он имеет высокую теплопроводность, стравнимую с теплопроводностью пород и равную 2,23 Вт/(м К) при атмосферном давлении. Понижение температуры сопровождается уменьшением теплоемкости.

Зависимость деформаций многолетнемерзлых пород от температуры массива установлена с помощью законов термодинамики.

При проведении горных выработок сдвижение элементарных объемов массива от перераспределения его напряженно-деформированного состояния начинается впереди забоя. Мак-

Лед

Теплопроводность ,Дж/К 2,33 Теплоемкость С, Вт/(м.К) 2,05

Вода 0,58 4,16

Воздух Пар 0,023 0,48

1 4,218

симальные величины смещений и деформаций за равные промежутки времени получают объемы, расположенные в призабойной зоне. С удалением от забоя с корост и смещений и деформаций уменьшаются, затухая на определенном расстоянии от забоя. Вместе с подвиганием забоя перемещается вся зона сдвижения.

Выполнен цикл исследований напряжений в горном массиве в результат их замораживания-оттаивания.

Образующийся в горной породе лед прочно смерзается с минеральным скелетом и система "горная порода - лед" деформируется совместно. Величину давления льда да скелет материала можно оценить следующим образом.

При повышении то.тпературы минеральный скелет оказывается в состоянии всестороннего растяжения, а лед - в состоянии всестороннего сжатия. Величина Дст/ДТ минерального скелета лежит в пределах 0,1-0,15 Мпа °С, т.е. при повышении температуры на 1°С в скелете материала возникают напряжения растяжения около 0,1 МПа°С. Здесь сг - растягивающие напряжения в минеральном скелете при понижении температуры массива, МПа °С; Т - величина понижения (повышения) температуры, °С.

При понижении температуры на 1°С напряжения сжатия приблизительно равны 0,1 Мпа°С. В случае повышения температуры дополнительные напряжения возникают в том случае, если нагревание происходит достаточно быстро, т.е. можно не учитывать релаксацию напряжений в кристаллах и прослойках льда. Таким образом, различия коэффициентов температурного расширения льда и минерального скелета создают существенные микронапряжения.в горной породе.

При постоянном нарастании микронапряжешш в горной породе могут происходить два процесса: будет развиваться либо зона пластического течения, либо зона трещин. Возможность развития того или иного процесса зависит от прочностных характеристик горной породы.

Исследование реологии многолетнемерзлого массива [1,7]. До некоторого момента наибольшие напряжения, возникаю-

щи с в мерзлой породе, не превышают величину, которая определяет их длительную прочность и описывается уравнением

а=е(0 ет,

где е(0 - переменный модуль деформации, изменяющийся по степенному закону в зависимости от времени действия нагрузки и температуры; ш<1 - коэффициент упрочнения, не зависящий ни от температуры, ни от времени действия нагрузки.

В этот период деформации развиваются в режиме затухающей ползучести. В процессе развития деформаций в этом режиме происходят одновременно явления ослабления и упрочнения связей между отдсльностями, слагающими массив пород.

В мерзлых породах вследствие неоднородности структуры имеются полости, неустойчивые контакты между частицами и микротрещины, которые являются местами зарождения локальных необратимых сдвигов и нарушений сплошности. Ослабление обусловлено нарушением этих связей, плавлением льда, образованием и развитием микротрещин. Упрочнение же происходит вследствие возникновения новых связей, вызванных замерзанием избыточной пленочной воды в местах с меньшей концентрацией напряжений, закрытия микротрещин (из-за таяния льда в точках контакта минеральных частиц), уменьшения свободных пустот и увеличения прочности и плотности льда. Происходит как бы усиление всей системы, состоящей из частиц, слоев и отдельностсй.

Стадия прогрессирующего течения, при которой скорость деформирования возрастает, заканчивается разрушением. При разрушении массива, сложенного мерзлой породой, происходит разрушение связей между минеральными частицами и разрушение льдоцементных связей. При этом, как правило, льдоцементные связи являются наиболее слабыми, так как ледяные включения к этому времени успевают перскристал-лнзоваться и переориентироваться базисными плоскостями

параллельно направлению сдвигов, что значительно уменьшает сопротивление сдвигу ледяных включений, а следовательно, и всей формирующейся толще пород.

При этом изменение прочности на растяжение но времени в общем виде может быть описано выражением

t

P(t) — 0ЛСТ - jiI>[ö(t)]K.(t — "t)dt r

о

где стлет - напряжение, длительное во времени; Ф|о(г)| - некоторая функция приложенного напряжения, изменяющееся во времени; K(t-x) - функция наследования воздействия напряжений, существующих в момент времеш! -с.

Условия прочности мерзлой породы при воздействии ни нее меняющихся по величине нагрузок, больших предела длительной прочности R», соответствует

o(t)<R(t)

или

t

<*(t) s сглет - J[a(t) - Rœ]K(t - t)dx.

0

При этом полная относительная дс<}юрмацня е складывается из мгновенной деформации клет и деформации ползучести с, т.е.

Е~Слет + Ё(,

что в соответствии с теорией наследственной ползучести описывается уравнением

t

е = a(t)/eJieT +|к(1

о

Первое слагаемое правой части этого уравнения описывает мгновенную деформацию, второе - деформацию ползуче-

сти, изменяющуюся во времени, которая принимается пропорциональной действующему напряжению ст(т), времени действия нагрузки dx и некоторой убывающе!! функции K(t-x), называющейся ядром ползучести.

В П|юцсссе развивающейся деформации в ледяных включениях происходит как внутрикристаллическое скольжение пластинок кристаллов, так и их изгиб, который приводит к распаду кристаллов и их переориентации таким образом, что базисные плоскости совпадают с направлением сдвига. При этом работа вязкого деформирования преобразуется в дисси-пированную энергию, рассеивающуюся в массиве и приводящую к увеличению его температуры.

Для определения влияния проведения выработок на тепловое поле вмещающих пород выполнены экспериментальные исследования в зонах перераспределения напряженно-деформированного состояния массива на шахтах "Беринговская" и "Анадырская" ПО "Северовостокуголь" и на шахте "Джебарики-Хая" ПО "Якутуголь". Исследования заключались в фиксировании температуры вмещающих выработки пород (на разных глубинах от стенок) и в установлении связи указанной температуры со смещениями контура выработки, с температурой воздуха и удалением от линии забоя. Измерения осуществляли в соответствии с методикой [7].Наблюдения проводили в разрезной печи пласта "Двойной" шахты "Беринговская" от начала ее проведения до удаления забоя - на расстояние 100 м от конвейерного штрека. Выработка пройдена по пласту мощностью до 1,8 м на глубине около 70м от поверхности. Почва и кровля выработки представлены аргиллитами. Сечение выработки 7,9 м2, скорость проведения 10-12 м/сут.

Результаты исследований показывают, что на формирование температуры вмещающих выработку пород на глубине 0,2 м от стенки оказывают одновременно процесс теплообмена с воздушной струей и процесс выделения тепла при де-<|юрмировании окружающих пород, вызванном проведением выработки. Наибольшее значение температуры пород на всех

исследуемых уровнях соответствует первоначальным наибольшим деформациям вмещающего выработку массива при ее проведении, затем следует остывание пород. На глубине 0,2 м от стенки выработки остывание пород продолжается до того момента, когда этого уровня достигает тепловой ноток ог воздушной струи. Далее в результате теплообмена температура пород повышается до значений, соответствующих установившемуся ореолу оттаивания.

К этому же моменту стабилизируется температура пород на уровнях 1 и 1,8 м, причем первоначальный прирост температуры пород с удалеш!ем от стенки выработки уменьшаете;!. С удалением от линии забоя породы в сечении замерной станции остывают.

Процесс формирования температурного поля пород вокруг выработки происходит одновременно с продвижением забоя, причем на его формирование на глубинах свыше 1 м от стенки в основном оказывает влияние процесс деформации, так как за это время тепловой поток от воздушной струи еще не проникает на эту глубину. Расчет показывает, что при температуре воздушной струи +3°С и температуре массива -0,3°С оттаивание массива на глубину 0,2 м происходит за 100 ч, а процесс остывания пород на глубине 1 и 1,8 м завершается за 20-24 ч.

Восстановление температуры пород (их остывание) по мерс перераспределения напряжений в них и удаления от зоны интенсивных сдвижении способствует упрочнению массива. Это происходит в результате частичного восстановления и образования новых льдоцементацнонных связей минерального скелета мерзлых пород, соответствующих установившейся температуре.

Как показали наши исследования на указанных шахтах, этот процесс в основном стабилизируется на расстоянии 10-20 м от линии забоя. Все это способствует устойчивости выработок при содержании их в условиях отрицательных температур.

Исследования влияния очистных работ на формирование теплового поля были проведены на шахте "Джебарики-Хая" ПО "Якутуголь" и шахтах "Анадырская" и "Беринговская" ПО "Севсровостокуголь". Установлено, что температура угольного массива, находящегося в зоне максимального перераспределения напряжений (опорного давления), повышается.

Анализ результатов показывает, что изменение температуры начинается одновременно с фиксацией начала проявления опорного давления в сечении замерной станции. За период наблюдения температура угольного массива скачкообразно изменялась от -4°С на расстоянии 28 м от забоя лавы до -2,8°С на расстоянии 5 м. Причем скачки, указывающие на повышение температуры, как правило, совпадают по времени с увеличивающейся скоростью конвергенции пород.

С достаточной степенью точности графики изменения температуры угольного массива на вентиляционном штреке шахты "Джебарики-Хая" на глубине 2 м от стенки выработки аппроксимированы прямой линией:

Т=0,36 Ук-4,б; п=0,79+0,064,

где Уд - скорость смещения пород кровли и почвы, мм/сут; Л-корреляционное отношение.

Анализ этого уравнения свидетельствует, что при Уя=0 температура угольного массива вне зоны проявлений опорного давления равна -4,6°С.

При равномерной скорости подвигания лавы расстояние от лавы до любой точки на штреке Ь описывается через время т и скорость подвигания забоя Уз, т.е.

Ь=У3т .

С достаточной степенью точности кривая может быть описана уравнением вида

И =4,61-е"108*; л=0,64±0,084.

Изменение величины приращения скорости конвергенции пород кровли и почвы описано выражением

^Дв/!,,

где Л5 - величина приращения смещения. Откуда

11|(=А8/Узт=Ук/\-з-

Таким образом, изменение величины приращения скорости конвергешиш на 1 м подвигания забоя равно ско|х>сти

конвергенции кровли и почвы, деленной на скорость подвигания забоя.

Анализ результатов замеров температуры угольного массива и лаве ]\&8 шахты "ДжсСарики-Хая" показывает, что изменение температуры угольного массива происходит также скачкообразно. После взрывных работ в лаве температура угольного массива на глубине 1,8 м от стенки выработки увеличивается в пределах от -4,4 до -2,5°С. Остывание массива происходит менее интенсивно, чем нагревание.

Результаты исследований свидетельствуют, что температура угольного массива изменялась с -2,2 до -4,6°С за 3 ч 50 мин. Следующий цикл выемки угля начинается через 2 сут, и за это время в угольном массиве восстанавливается прежняя температура. Из сказанного следует, что температура угол ¡люто массива в лаве меняется в зависимости от частоты циклов, т.е. от скорости подвигания. Так, если бы цикл начинался не через 2 сут, а через 2 ч, то температура угольного массива увеличивалась бы не с -4,6, а с -4,2°С. Таким образом, уменьшая разрыв времени между циклами, мы увеличиваем температуру массива угля и вмещающих пород.

Исследования Изменения скорости и величтппл конвергенции и температуры угольного массива на пласте Двойном шахты "Беринговская" проводились в лаве с комбайном КШ-1 кг с захватом 0,63 м. Управление кровлей - обрушение на органный ряд из стоек ГС-2. Результаты свидетельствуют, что на шахте "Берикговска-.!", также, как и на шахте "Джебарики-

Хая", скачкообразное изменение температуры угольного массива происходит одновременно с увеличением скорости смещения кровли, что соответствует таким операциям, как работа комбайна, передвижка стоек, обрушение кровли [1].

Температура угольного массива в лаве пласта Двойного на глубине 1,8 м от стенки выработки увеличивается с +1,3 до +2,5°С в месте установки замерной станции после прохода комбайна. При этом из-за высокой скорости подвигания лавы к моменту выемки следующей полосы угля температура угольного массива еще не успевает принять первоначальное значение, изменяясь с +1,4 до 2,8°С. Таким образом, происходит постепенное повышение температуры угольного массива.

Результаты исследования изменения температуры угольного массива в лаве и обрезной печи пласта Двойного свидетельствуют о том, что на глубине от стенки выработки 2 м температура угольного массива была -0,6°С, а после отработки в течение 4 мес +1,3°С. При этом замер температуры в обрезной печи производился в сентябре-октябре, а замер температуры в лаве - в феврале-марте.

Исследования теплового режима горных выработок [1,15,19,25,26,33,35,36-37]. Одним из основных факторов, определяющих производственные процессы шахт, работающих в условиях многолетней мерзлоты, является тепловой режим. Такие вопросы, как работа гидросистем механизированных комплексов, пшрокрепи, борьба с угольной пылью, транспортировка угля, обеспечение водой пожарных трубопроводов, организация водоотлива, а также обеспечение комфортных условий для рабочих, требуют создания в горных выработках положительной температуры шахтной атмосферы. В то же время на шахтах области многолетней мерзлоты только сохранение отрицательной температуры пород, окружающих выработки, позволяет обеспечить проведение и эксплуатацию выработок с использованием легкой поддерживающей крепи. Кроме того, это дает возможность содержать их длительное время без ремонта при минимальных затратах на подцержа-

ние, а также позволяет достичь значительных площадей (25003500 м2) обнажения кровли в очистных выработках.

Все шахты, работающие в условиях многолетней мерзлоты, разделены нами по тепловому режиму на пять групп: нерегулируемый - сезонный знакопеременный; регулируемый, с подогревом до умс|>енных отрицательных температур - зимой воздух подогревается до -4*6°С, летом воздух поступает с естественной наружной температурой;

регулируемый, с подогревом зимой до умеренных отрицательных температур (-4+6°С), а летом с охлаждением до -1И-3"С;

регулируемый, с подогревом зимой до положительной температуры (+2°С), летом охлаждение до -1 + +3°С;

регулируемый, зимой воздух подогревается, лет-ом охлаждается до температуры, близкой к температуре массива пород (-2+6°С); затем у очистных выработок нагревается до необходимой положительной температуры.

Каждый вариант теплового режима соответствует определенным геокриологическим условиям. Наиболее рациональным тепловым режимом шахты является регулируемый с подогревом воздуха зимой и охлаждением летом до температуры, близкой к температуре окружающих пород (-2+6ПС) с последующим подогревом воздушной струи у очистной выработки с помощью установок местного подог|>ена.

Как показал анализ существующих вариантом организации теплового режима шахт, работающих в условиях ммою-лстней мерзлоты, ни один из них не обеспечивает необходимой положительной температуры в очистных и подготовительных выработках, которая позволяет эфс)гектшшо применять современные средства механизации при одновременном сохранении устойчивости подготовительных выработок. Поэтому возникла задача создания темперагурных условий дли работы механизированных комплексов и соответствующих комфортных условий для рабочих с одновременным сохранением устойчивости горных выработок. Эга задача была реше-

на методом локального подогрева воздуха, подаваемого к очистным работам.

Наличие или отсутствие специальных установок для получения тепла или холода с использованием топлива, электрической или пневматической энергии составляют энергетическую характеристику систем. Их основными технологическими показателями являются "обратимость" или отсутствие специальных машин, устройств и сооружений, циркуляционных систем, теплообменных аппаратов, коммуникаций и пр.

Одним из наиболее простых способов изоляции действующих выработок шахт от вредного влияния сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха является метод теп-лоаккумулирующих выработок. Этот метод основан на том, что воздушный поток, проходя по сети горных выработок, вступает в тепло- и массобмсн с окружающими породами: летом охлаждается, зимой нагревается. Как показали наши исследования на шахтах "Джебарики-Хая", "Анадырская" и "Беринговская", для каждых конкретных климатических горно-геологических и горнотехнических условий существуют предельные значения длины распространения сезонных колебаний температуры наружного воздуха. Горный массив обладает достаточными для этого запасами тепла (холода).

Зимой воздух, подогретый в теплоаккумулируюицих выработках до температуры, близкой к естественной температуре окружающего массива, поступает во все шахтные выработки. У очистных забоев с помощью средств местного подогрева его температуру доводят до необходимого предела. Летом воздух охлаждается, предотвращая сезонное оттаивание пород в выработках шахтной вентиляционной сети и очистных забоях. Несмотря на это решение, все же остается относительно большая протяженность теплообменных выработок, а их проведение и поддержание стоят довольно дорого. Поэтому дальнейшее совершенствование данной схемы достигнуто за счет применения теплообменных устройств.

Разработаны следующие схемы:

с использованием теплообменных выработок, оборудованных активно теплопередающими устройствами, вмонтированным в шахтную крепь;

с использованием системы теилоаккумулирующих выработок для рекуперации тепла (холода) вмещаюих пород;

с применением тепла (холода) исходящей воздушной струи;

с применением э<{и{>екта вих|>евых труб; с регулированием температуры воздушной струи непосредственно у очистных и подготовительных забоев.

Для этих систем разработаны средства активной теплопередачи на базе низкотемпературных тепловых труб, вихревых труб, термоэлектрического охлаждения и комбинированные с|>едстна, включающие рааличное сочетание элементов эшх конструкций.

Схема поддержания температурного режима вмещающих пород тепловыми трубами, погруженными в породу, обеспечивает выравнивание теплового поля, прилегающего к выработкам массива. Такой процесс поддержания температурного режима является саморегулируемым.

Расстояние между сечениями с терморегулирующими устройствами зависит от расхода воздуха, сечения выработки, температуры и влажности воздуха и пород. С этой целью разработана методика для расчета интенсивности теплообмена в каждой конкретной точке пути воздушной струи но трной выработке. Общая схема расчета следующая.

Величина относительной длины теплового но >ц-йснши определяется по формуле

Критерий В| находится по формуле

В,-аЯ0Д/

где а - коэффициент теплоотдачи, ккал/ч(ч м2 К); Я« - радиус выработки, Яо = О, 0564 -Л м; - коэффициент теплопроводности ккал/(ч м К).

Температура воздуха Тв на заданном расстоянии

тв = Т. - (т. - Т0В)[1 - аЛ0г/РкСк(Б + г)]";

О^г^Ь+а} РкСц/аКо, если гг^Ь+а^цСк/аНф то Т,=Т. .

Здесь Оя - расход воздуха, м3/мин; С - теплоемкость воздуха, ккал/кг °С).

С учетом большого разнообразия геокриологических условий на месторождениях Севера нами разработаны схемы теплового регулирования с использованием системы выработок для рекуперации аккумулированного тепла (холода) в породах. Рекуперативные выработки также оборудуются элементами активной теплопередачи, что позволяет обеспечивать не сезонный, а квартальный, месячный и даже декадный циклы изменения направления теплообмена, т.е. в одной выработке происходит отдача породами накопленного тепла (холода) поступающей в шахту воздушной струе, а в другой выработке -аккумуляция его от исходящей вентиляционной струи в породе. Изменение направления движения входящего и исходящего воздушных потоков в рекуперативных выработках не изменяет существующую схему движений воздуха в горных выработках всей шахты.

Для теплового регулирования воздушной струи непосредственно в очистном забое использована рабочая жидкость механизированной крепи в качестве теплоносителя, а сама крепь в качестве теплообменника. Рабочую жидкость в масло-станции постоянно подогревают (охлаждают) до заданной температуры. Подогретую или охлажденную рабочую жидкость попеременно подают в гидросистему крепи или теплообменник, который выполнен в виде кольцевого трубопровода, автономно соединенного с баком маслостаншш. Подача рабочей жидкости по кольцевому трубопроводу автоматически

отключается при включении гидросистемы для передвижки секций крепи.

Расчет длины теплообменних выработок 11,33|. Длина тсплообменной выработки /,la,v для зимнего ширева воздушной струи (ч) определяется по формуле

/ = Í21/A)lef(t' -t • fO)ít -( t ф)1

Hat p V >- /'о1\1о1| nnn /I OXJI h&I p /Г

где t'u - температура воздуха на поверхности (в начале цепи выработок, средняя за летний период), °С; tuuu - минимальная температура воздуха на поверхности (средняя за самый холодный месяц), "С; tox1, Ц|5Гр - температура воздуха после охлаждения и нагрева соответственно, оС; А, Ф - параметры в (|юр-мулах теплового расчета шахты, определяемые по уравнениям

Ф = 2,6 Ул/^ДН / / +-250(0,42 + nX©0 ~ ©к)' ф "Ри *<0;

А=0,00153КфКагрКх/VS (0,42+п)

Здесь V - скорость движения воздушной струи; м/с; S -площадь поперечного сечения выработки, м2; И - глубина иг земной поверхности, м; п - коэффициент, учитывающий зависимость влагосодержання воздуха от его температуры (табл.2); ©о и 0jc - средняя годовая температура воздуха на поверхности и в конце расчетного участка или цепи выработок соответственно, °С; I - длина выработки, м; Кф - ко'з<|>финь-ент, учитывающий увеличение поверхности теплообмена за счет неровности обнажений при креплении рамами вразбежку, Кф - 1,3-: 1,4; К^ - коэффициент, учитывающий интенсификацию теплообмена в связи с агрегатными переходами воды, при t<0 Kgjp = 1; К, - коэффициент нестационарного теплообмена, выраженный в ккал/ч м2 К), равный

К, = (1 + 0,73Л.В){3,1 + [!,7(т - бт,)/876о] х

х с18 0,04 (т - бт4)} / (3 + -/Б),

где Х„ - коэффициент теплопроводности пород (по данным геологоразведки); ккал/ч м К); х - время нагрева воздуха в выработке (продолжительность зимнего периода), ч; 8, - фазовые отставания колебаний температуры воздуха, ч;

бТ(=10,7Х/У5

(X - расстояние от начала выработки, м).

Таблица 2

Коэффициент алагосодержания в воздухе

•с п •С п •С а

-40*-30 0,01 0+-Ч0 0,4 +Ж+25 1,1

-Э0*-20 0,045 +5++10 0.5Э +20^+30 1.22

-20*-10 0.095 ♦ 10++15 0,56 +25++Э0 1.4

0,019 + 15++20 0.72 ♦25++Э5 1,69

Для заданных конкретных условий отношение длин теплообменник выработок пропорционально отношению скоростей н расходов проходящей по ним воздушной струи:

где К - коэффициент, соответствующий принятым горного алогическим условиям при 4 м2<5<15 м1; 1000 м}/мин <0<4000 мУмин; его значение удовлетворительно аппроксимируется зависимостью вида

К=а-Ь/п при 1<п<6, где а, Ь - коэффициенты уравнения.

Коэффициент К дает возможность определить расчетным путем необходимую длину теплообменных выработок при любом заданном расходе воздуха.

Для повышения эффективности метода регулирования теплового режима шахты с помощью теплообменных выработок и расширения области применения этого метода для шахт с большим дебитом вентиляционной струн (для шахт большой производственной мощное ж) разработаны схемы, в которых используются тепловые запасы породного массива и исходящей вентиляционной струи. В этих схемах породный массив служит промежуточной тепловой емкостью и максимально используется интенсификации процессов теплообмена с повышением температурного напор;!. а неизменным остается направление движении воздушной струи по всем выработкам шахты.

Интенсификация процессов теплообмена, рекуперации тепловой энергии массива и исходящей струи, а следовательно, и снижение суммарной длины выработок без дополнительных затрат энергии извне осуществляется за счет периодической смены направления движения воздушной струн в двух специальных выработках. Их длина и время очередного цикла рассчитываются так, чтобы исходящая вентиляционная струя периодически нагревала (охлаждала) окружающий выработки массив до восстановления им естественной температуры после очередного охлаждения (нагрева) в процессе теплообмена с поступающей струей в предыдущем периоде (рис.2).

Окружающий массив служит промежуточной емкостью тепла (холода). Постоянство направления движения воздушной струи по всем выработкам шахты обеспечивается включением (выключением) кроссинга, при очередном репетировании струи только в теплообменных выработках открытием (закрытием) соответствующих вентиляционных дверей.

Применение безэнергетических обратимых рекуперативных схем, о которых промежуточной тепловой емкостью служит активный слой пород вокруг выработок, имеет еще рад преимуществ по сравнению с другими схемами.

Во-первых, при использовании указанных схем происходит общее охлаждение исходящей воздушной струн зимой и

подсушка в периоды взаимодействия .с охлажденными породами. Уменьшается температурный напор между исходящей струей и наружным воздухом. Это приводит к улучшению условий эксплуатации главной вентиляторной установки, так как способствует уменьшению обледенения лопаток вентилятора, ляд и шиберов реверсивных устройств главной вентиляторной установки [1,13,14].

а

струи (а) и с запуском вентиляционной исходящей струн к наибольшим ореолам замораживания (б)

1 - первый период; 11 - >тх>рой период. 1 - глииый мипиипор;

2 - глаимыЛ »снтниионный штрек; У- главный откаточный штрек; 4 - телчоаккумулирушчцие выработки

Во-вторых, оседание влаги на стенках выработок при смснс направления движения вентиляционной струи улучшает влажноетный режим очистных и подготовительных вырабо-

ток, так как при очередном периоде проветривания осевшая на стенках выработок влага увлекается воздушным потоком и опять поступает в очистные выработки. Улучшаются условия пылеподавления в связи с происходящей кристаллизационной очисткой поступающего к очистным выработкам воздуха.

Исследование влияния теплового поля на формирование поля прочности (1,5-11]. Все процессы и явления оказ! -ваются возможными и протекают в силу того, что взаимодействующая свободная вода подвергается существенным изменениям и превращается в связанную воду. Именно связанная пода является самым активным в физическом и химическом отношениях преобразователем горных пород и минералов.

Динамическое равновесие между кристаллами льда и иезамерзшей водой является вполне стабильным состоянием, что подтверждается исследованиями многолетнемерзлых пород, где такое равновесие сохраняется тысячелетиями.

Сосуществование твердой и жидкой фаз воды в мерзлых тонкодисперсных горных породах и фазовые переходы воды в них обусловлены тем, что кристаллы льда находятся в равновесии не с обычной водой, а с водой, имеющей искаженную структуру, молекулы которой так ориентированы влиянием поверхности, что в данных температурных условиях не способны группироваться в структуру льда.

Воздействие на мерзлую породу процесса замораживания-оттаивания вызывает появление в ней значительных по величине микронапряжений, которые способствуют уменьшению прочностных свойств и могут привести к полному разрушению горной породы. При этом увеличивающийся пролет выработки создает в кровле поле напряжений, с которым внутренние местные напряжения складываются по величине и знаку. В этом случае решающее значение приобретает величина суммарных напряжений.

Изгибающие нагрузки вызывают существенные напряжения в сжатой и растянутой зонах деформирующейся кровли. Совместное действие напряженного состояния от увеличивающегося пролета и замораживания от него значительно

превосходит простую сумму этих воздействий. Динамика структурных преобразований в мерзлой породе при изменении ее температуры определяется многими факторами, среди которых превалирующими являются степень дисперсности породы, ее влажность и минерализация. Частичный переход одних структур в другие так или иначе сопровождается изменением всех физико-механических свойств мерзлых пород.

Установлено, что в процессе очистной выемки последовательно обнажаемые участки кровли в зависимости от времени обнажения имеют различные прочностные свойства и различные значения (Я^), где - изменение прочностных свойств во времени, которые снижаются в сторону выработанного пространства. Вследствие этого обрушения мерзлой кровли происходят не одновременно по всей площади обнажения, а частями как по простиранию, так и по мощности кровли.

Многочисленные наблюдения за характером обрушения кровли, проведенные в условиях шахт Норильска, Якутии н Северо-Востока РФ ("Джебарики-Хая", "Анадырская", "Беринговская"), подтверждают это положение.

В условиях шахт "Джебарики-Хая" и "Анадырская* обрушение пород непосредственной кровли происходило в две стадии. Вначале обрушался слой породы толщиной 0,8-0,9 м. Обрушенные куски при этом имели размеры 0,8x0,9x1,2 ы. После обрушения первого слоя по прошествии некоторого времени происходило дальнейшее обрушение непосредственной кровли. После обрушения у забоя образовалась характерная ступенчатая консоль с нижним основанием 0,8-1,9 м и верхним основанием 6-12 м. '

Исследования показали, что при ведении очистных работ в условиях многолетней мерзлоты обрушается слой породы, который наиболее интенсивно подвергается температурным воздействиям. Его мощность для различных условий составляет 2-10 м. Вышележащие породы кровли с температурой -6+8°С представляют собой смерзшийся монолитный массив, который только в начальный период испытывает деформации,

развивающиеся по закону затухающей ползучести, и в дальнейшем не обрушается (при длине очистного забоя 100-150 м) в течение 2-10 лет. При гаком характере обрушения большие зависающие площади непосредственной кровли не представляют опасности для секций механизированной крепи, а породы основной кровли очень опасны, гак как могут создать большие динамические нагрузки.

рочнении вмещающих пород |! ,18,23,25,32.33,40.41 ¡. Известные способы предварительного ослабления труднообрушаемых пород неэффективны о условиях многолетней мерзлоты. Торпедирование не обеспечивает требуемый эф<|>ект ввиду вязкости и пластичности мерзлых пород. Гидроразрыв приводит к отрицательным явлениям. Вода, проникая в горные выработки, создаст дискомфорт, образует наледи, отбитая горная масса смерзается и т.д.

Вопросы ослабления многалетнемерзльгх пород с целью повышения степени их обрушаемости решались нами методами управления термодинамическими процессами в массиве. При выемке угольных пластов нарушается естественный энергетический баланс массива. Переход к новому равновесному состоянию сопровождается перераспределе»шем энергии различных объемов массива и превращениями энергии.

Этот процесс в значительной мерс характеризуется величиной сдвижения подработанной толщи пород. Чем значительнее и интенсивнее сдвижение, тем больше величина энергии, которая участвует в восстановлении равновесия, и тем больше совершаемая в этом процессе механическая работа. В связи с необратимыми деформациями реологического характера в массиве не вся энергия участвует в перераспределении напряженно-деформированного состояния пришедших в движение пород. Часть высовободившейся энергии проявляется в виде тепла. Выделение тепла в массиве мерзлых горных пород при их деформировании налагает отпечаток на их поведение в самом процессе деформирования и на их конечное состояние.

С затуханием процесса перераспределения напряжений идет процесс восстановления температуры пород (их остывание), что способствует упрочнению массива. Это происходит в результате частичного восстановления и образования новых льдоцементных связей минерального скелета мерзлых пород, соответствующих установившейся температуре. Как показали наши исследования, на ряде шахт этот процесс в основном стабилизируется на расстоянии 10-20 м за линией забоя.

Таким образом, в зоне перераспределения напряжений наблюдается кратковременное повышение температуры и ослабление пород.

Знание закономерностей проявления термодинамических процессов в разрабатываемом массиве позволило сформулировать предпосылку о возможности ими управлять, а это, в свою очередь, выявило необходимость изыскания и разработки высокоэффективных средств и способов управления термодинамическими процессами при ослаблении пород. На базе использования разницы внутренней и свободной энергии с учетом специфических особенностей многолетней мерзлоты нами разработан тсрмоэлектрохимический способ ослабления труднообрушаемых мерзлых пород.

Принцип, на котором основан указанный выше способ, базируется на следующем явлении: повышение концентрации слабых растворов дисперсных пород понижает их температуру замерзания или снижает температуру плавления, что определяется зависимостью

ДТ=кТ02(Хв-Хл)Хл/ где К - число Больцмана; Т0 - температура замерзания чистой воды; Х„, Хл - соответственно количество воды и льда, выраженное в относительных величинах.

Для более концентрированных растворов понижение температуры находим из выражения

дТ«кТ^1п(1-х)/[кТ01п(1-х)-Хл1 ,

Если в растворимой среде происходит еще и химическая реакция, то на термодинамический потенциал накладывается

химический потенциал, который характеризует энергию системы при изменении ее состава. Величина химического потенциала может быть записана в виле выражения

где (эи/с?п1)у5 - прирашеиие внутренней энергии

данной фазы системы при постоянных объеме V, энтропии Б и массе п; N - число молей всех веществ; кроме числа ¡.

При смещении фаз друг относительно друга в результате наличия двойного электрического слоя возникает электрокинетический потенциал, который служит определителем изменения во времени физико-химических процессов.

С увеличением поверхности породы повышается ее электрокинетический потенциал Фэп вследствие увеличения ионов на поверхности частиц которыйё определяется выражением

Ф^-КУп/Ее

где К - коэффициент, отражающий контакт одной фазы относительно другой; V - линейная скорость смещения одной фазы относительно другой; т| - вязкость жидкости; Е - напряжение электрического поля; е - диэлектрическая проницаемость.

Электропитание подастся при приближения зоны опорного давления на 5-6 м к очередной серии скважин, так как на этом расстоянии возникает зона активного выделения тепла от перераспрсделышя напряжений в подрабатываемом массиве пород.

Сочетание тепла, выделяемого при деформации пород, досоулева тепла от прохождения тока и тепла от химической реакции при распространении электролита по каналам плавящегося льда обеспечивает создание вертикальной зоны протаявших ослабленных пород. Максимальное ослабление образуется в момент прохождения зоны опорного давления через

очередную серию скважин, когда сказывается максимальное выделение тепла от деформации пород.

Таким образом, при минимальном расходе скважин, электролита и электроэнергии достигается эффективное ослабление труднообрушаемых многолетнемерзлых пород.

Для теплового воздействия нами разработаны способы ослабления, труднообрушаемых мерзлых пород с использованием тепловых и вихревых труб. Воздействие на тепловое поле осуществляется в момент начала проявления опорного давления, что способствует получению максимального эффекта при минимальной затрате тепла.

При использовании вихревых установок для ослабления массива пород горячая струя вихревых труб отбирается и подается в скважины, где при прохождении по трубе до ее забоя выбрасывается в затрубное пространство и возвращается в выработку, а холодная струя либо отводится и аккумулируется в горных породах, либо используется для охлаждения выходящего из скважин горячего воздуха.

Температура горячей струи достигает 90-110°С, что позволяет в течение 24-28 ч обеспечить необходимую зону про-таивания, т.е. ослабления. ;Тепло, передаваемое вглубь массива, образует зону оттаявших пород, по которой происходит разлом и их обрушение, резко снижая динамические нагрузки на крепь. Эти же принципы ослабления пород нами использованы при разработке способов ослабления пород при проведении горных: выработок. Вслед за ослаблением пород предусмотрено их разрушение с помощью проходческих комбайнов, что способствует расширению области применения комбайновой проходки горных выработок по породам.

Применение способов термоослабления труднообрушаемых многолстнемерзлых пород позволяет обеспечить высокий уровень технической оснащенности процесса управления обрушением пород и улучшение экономических показателей.

Упрочнение обрушенных ПОРОД ПРИ слосвой выемке мошных пластор {1,20,24,27,32,33,42,43|.В условиях многолетней мерзлоты породы кровли обрушаютея, как правило, круп-

ними блоками и слабо уплотняются. Слеживаемость обрушенных пород исключается. Отсутствие связен между отдельными кусками обрушенных пород затрудняет, а порой делает практически невозможной отработку последующих слоев. Па-ми разработаны способы упрочнения обрушенных пород воздействием на тепловое поле.

В процессе отработки при обрушении кровли из очистного забоя производится смачивание пород водой из расчета 150-250 л/м3. Наличие воды и положительной температуры воздуха в очистном забое позволяет создать оттаявшие зоны на кусках разрушенной породы. По мере продвижения линии забоя в выработанное пространство бурят скважины над вентиляционным и конвейерным штреками. По скважинам над конвейерным штреком в зимний период подают холодный воздух, а над вентиляционным штреком - выдают на поверхность. За счет холода подаваемого воздуха производят промораживание обрушенных пород. При. этом образуется ровная и монолитная кровля для последующего слоя.

Формирование кровли из обрушенных пород может осуществляться замораживанием специальными холодопроиз-водящими установками, холод от которых по трубопроводу подается в отработанные участки. Разработан метод расчета расхода и времени, необходимого для промораживания.

В начальный период промораживания пород в тоне отработанного участка происходит остывание воды, т.е. се охлаждение до точки замерзания, а затем дальнейшее остывание и замерзание за счет холода воздушной струн, подаваемой вентиляторами через скважины.

ными условиями возникновения эндогенных пожаров, общими для всех случаев, являются наличие скопления угля в выработанном пространстве, приток к нему свежего воздуха, химическая активность угля к кислороду воздуха, а в условиях многолетней мерзлоты - наличие положительных температур птмосферы, окружающей угольные скопления.

Известно также, что химическая активность углей имеет решающее значение в появлении и развитии очагов самонагревания. Поэтому меры по ее снижению являются одними из основных в вопросе борьбы с эндогенными пожарами. График изменения сорбционной способности углей от температуры окружающей среды в различных северо-восточных месторождениях РФ приведен на (рис.3).

Химическая активность мерзлых углей зависит от температуры. При отрицательных и умеренных положительных температурах мерзлые угли обладают малой сорбционной способностью, резко возрастающей с повышением температуры. При положительных температурах воздуха лед оттаивает, в результате чего резко увеличивается активная поверхность угля, что приводит к увеличению сорбции кислорода и интенсификации окислительных реакций. В условиях многолетней мерзлоты температурный фактор является одним из основных, обеспечивающих условия развития самонагревания углей.

Так, при температуре воздуха +25°С сорбционная способность мерзлых углей повышается в 2-4 раза по сравнению с ее значением при отрицательных температурах. Это объясняется тем, что при отрицательных температурах влага находится в мерзлом состоянии, т.е. в виде льда, заполняющего трещины и частично поры угля, что сокращает его активную поверхность и, как следствие, сорбцию кислорода. Кроме того, при низких значениях температуры воздуха происходит торможение окислительных реакций.

Схема развития процесса самовозгорания многолетне-мерзлых углей отличается err известной дополнительной стадией протаивания. Следовательно, в условиях многолетней мерзлоты на время развития инкубационного периода процесса самовозгорания существенное влияние оказывает тепловой режим шахт, определяющий скорость протаивания горного массива.

Зависимость химической активности углей от температуры окружающей среды позволяет рекомендовать температурный фактор как основной в профилактике эндогенных по-

жаров в шахтах области распространения многолетне!! мерзлоты. Предложено поддерживать в подземных выработках такую температуру воздуха, которая затормаживала бы химическую активность углей до пожаробезопасных значений.

и, ял/(г-ч) .

Рис. 3. График изменения показателей химической активности мерзлых углей в зависимости от температуры на месторождениях:

1 - Анадырском; 2 - Калгаласском; 3 - Денисовском; 4 - Кадыкчан-ском; 5 - Кедровсюм; 6 - Джебарихи-Хая; 7 - Нерюнгринском; 8 - Сангарском (пласт Сложный); 9 - Сантарском (пласт Лотовый); зо-1пл: I - активные; И - умсренна-атпщыс; Ш - малоакгпмгме

Методика определения пожаробезопасных температур шахтного воздуха заключается в расчете температуры, при которой уголь по своей химической активности находится в группе малоопасных по степени самовозгораемости, что практически исключает возможность возникновения эндогенного пожара. В основу методики заложена классификация углей по

степени их самовозгораемости, разработанная ИГД им.А.А.Скочинского. Значения кинетической константы скорости сорбции углей месторождений Якутии и Магаданской области для различных температур приведены на рис.3.

Температурные зависимости химической активности углей описываются уравнением

где Ус - константа скорости сорбции кислорода за время 250 ч при заданной температуре - показатель химической активности; У0 - константа скорости сорбции кислорода при 1=0°С; а - коэффициент, получешшй путем обработки кривых на рис.3; г - температура угля, °С.

Из формулы (1) находим значение пожаробезопасной температуры для углей различных месторождений

Значение константы скорости сорбций Vt, при которой угли не самовозгораются, равно 0,015 мг/(г ч).

Значения пожаробезопасных температур t„, снижающих сорбционную способность углей до уровня малой активности, и коэффициентов a it V0 для шахт некоторых месторождений приведены в табл.3.

Поддержание температур выше значений, указанных в табл.3, переводит шахтопласты в категорию повышенной по-жароопасности, создавая условия для самовозгорания.

Практика работы шахт на О.Шпицберген, а также ПО "Якутуголь", ПО "Северовостокуголь" и Норильского комбината свидетельствует о том, что главным мероприятием по

V, =V0+a t2/3

0)

предупреждению эндогештых пожаров является сохранение естественной отрицательной температуры массива пород и отрицательной температуры воздушной струи. Стоит только перевести шахту на положительный тепловой баланс (подогрев до положительной температуры воздуха, подаваемого в шахту), как начинаются подземные пожары (по документам шахт Норильска, шахты "Кодыкчанская" ПО "Северовостокуголь" и шахты "Сангарская" в Якутии).

Таблица 3

Значение температуры массива пород ^ на различных месторождений

Месторождение Температура массива пород и, °С Коэффициенты

V» а

Анадырское -11 0,06 0,003

Джебарики - Хая -3 0,02 0,002

Сангарское +2 0,013 0,0008

Денисовское -6 0,031 0,002

Кянгаласское -10 0,05 0,003

Нерюпгрииское 0 0,015 0,002

Кадыкчанское -5 0,027 0,003

Кедровское •4 0,023 0,003

Нами разработан способ предупреждения подземных эндогенных пожаров, основанный на промораживании пород и отводе тепла из выработанного пространства.

Способ заключается в следующем. По мере выемки полезного ископаемого производят увлажнение обрушенных пород и оставшегося разрушенного полезного ископаемого. Увлажнение осуществляется системой форсунок. После завершения отработки участка его изолируют перемычками. Затем

над конвейерным и вентиляционным штреками бурят скважины диаметром 200 м, которые располагают через 70-100 м друг от друга. Меньший предел расстояния между скважинами относится к глубине 150-200 м, больший - к меньшей глубине. Расстояние между скважинами определяется теплопотеря-ми (потерями холода) за счет теплообмена со стенками скважин. Чем длинее скважина, тем больше потери холода и тем меньше расстояние между ними.

Скважины, пробуренные над вентиляционным штреком, оборудуются воздухоподводящим трубопроводом для подачи воздуха к вентиляторам. Для этих целей применяют вентиляторы СВМ. При температуре наружного воздуха от -10°С и ниже вентиляторы включают. Через серию скважин, пробуренных на конвейерном штреке, наружный воздух поступает в отработанное пространство, омывая обрушенные породы, отдает холод и выдается на поверхность другой серией скважин, пробуренных над вентиляционным штреком.

За период низких температур в зимнее время происходит глубокое промораживание обрушенных пород и одновременно аккумулирование в них запасов холода. После завершения промораживания устья скважин закрывают. Контроль за температурой в выработанном пространстве осуществляют дистанционно с помощью термодатчиков.Установлено, что последующий цикл промораживания необходимо проводить через 10-12 лет.

Разработан способ предупреждения эндогенных пожаров с использованием парных устройств, состоящих из тепловой трубы и полупроводниковых термобатарей, которые устанавливают в местах наиболее опасного скопления отбитого полезного ископаемого. • .

Используя установленную практикой приближенную норму намораживания льда, составляющую за сутки 0,5 см на каждый градус отрицательной температуры, имеем выражение для определения толщины слоя промораживания, который, может быть получен за время тзим:

К = 0,005n40WтЛh2 /24}% = 0,008п\¥тЛЬ2 / ^

Выражение для определения толщины льда, который растает в теплил период, будет иметь вид

О.ООЭпШгЛЬ2 /= \ттОл" /алУлЬт

Исследование условий статической тепловой зашиты

горных выработок, пройденных в многолетней___мерзлоте

[1,9,33,35-39]. Мерзлое состояние пород (в особенности их повышенная влажность и трещиноватость) предопределяет тесную зависимость прочностных и деформационных полей от состояния тепловых полей. Это влечет за собой зависимость проявлений горного давления и устойчивости горных выработок от теплового режима пород и воздушной струи. Колебания температуры влияют на физико-механические свойства горных пород, а следовательно, и на условия поддержания выработок, а также устойчивость обнажений кровли.

Установлено, что на различные типы пород температура влияет неодинаково. Она сильнее сказывается на более влажных глинистых породах и менее - на песчаниках и более сухих породах. В этом случае основное влияние на устойчивость оказывает трещиноватость, заполненная льдом. Лед в трещинах вытаивает и породы разрушаются. Степень воздействия трещиноватости на устойчивость учитывается коэффициентом К, который изменяется в пределах 1,2-1,8, причем высокие значения соответствуют верхним горизонтам, а меньшие - более глубоким.

Одним из способов защиты горных выработок-от теплового воздействия является применение теплоизоляционного материала. При теплоизоляции выработок снижается величина теплового потока из горного массива в воздухе, и, наоборот, из воздуха в массив за счет искусственного создания тер-

мического сопротивления на границе раздела сред "воздух -горный массив".

Определены возможные области применения теплоизоляции горных выработок:

а) при предупреждешш нагрева (охлаждения) воздушной струи, проходящей по выработке;

б) при проведении длинных тупиковых выработок;

в) при регулировании теплового режима шахт с достижением положительных значений температуры воздушной струи и с сохранением отрицательных значений температуры многолетнемерзлых пород.

Теплоизоляционный слой на стенках горных выработок можно создавать, применяя сыпучие или волокнистые материалы и сооружая дополш!тельные ограждающие конструкции; укрепляя на стенках выработок теплоизоляционные изделия заводской готовности; используя материалы, получаемые на месте применения и не требующие дополнительных конструкций. Наиболее технологичным является последний путь.

Применение теплоизоляции в условиях шахт [1,33]. Для условий шахт области многолетней мерзлоты нами рекомендованы к применению следующие теплоизоляционные материалы на синтетической и минеральной основе, которые изготавливают в виде листов любой формы, размеров и конфигурации [33].

Для теплоизоляции горных выработок перспективными материалами по всем показателям являются вспененные пластмассы и реактопласты, имеющие коэффициент теплопроводности X = 0,03-0,05 ккал/(чм°С).

Возможность применения теплоизоляционных материалов, имеющих разный коэффициент теплопроводности и разную стоимость, оценивается с помощью комплексного показателя - удельной стоимости теплоизоляционного материала Су=СХ, где С - стоимость 1 м3 теплоизоляционного материла, руб/м3.

Удельная стоимость теплоизоляции Су выражает стоимость теплоизоляционного покрытия площадью 1 м2, обладающего единицей термического сопротивления. Область экономически целесообразного применения теплоизоляции стенок горных выработок определена из условия минимума затрат на поддержание в верхней части очистных забоев температуры воздуха не выше 26°С.

Все существующие теплозащитные материмы только снижают интенсивность теплообмена между двумя средами или телами. Поэтому, применяя теплоизоляцию, снижают глубину и увеличивают в|)емя протапвашш, что позволяет применять крепи, обеспечивающие более длительный период безремонтной эксплуатации выработок.

' Следовательно, все расчеты сводятся к определению: глубины протаивания пород без теплоизоляции; величины нагрузок на крепь;

условий безремонтной эксплуатации выработки (время эксплуатации, тип крепи, время протаивания, равное времени эксплуатации, допустимый ореол протаивания, допустимые нагрузки на крепь);

параметров теплоизоляции (толщина, теплофизические характеристики);

времени эффективной работы изоляции; глубины протаивания с теплоизоляцией. Толщину слоя теплоизоляции предлагаем находить из выражения

где Хт - коэффициент теплопроводности данных пород, ккал/(см-°С); ТШ1 - температура плавления льда "С; ам - коэффициент температуропроводности мерзлой породы, м2/ч; Р - коэффициент влагоотдачи, кг/(с м2 Н/м2); Ро- коэффициент Фурье,

Ь = [ 1 + ^1 + 2К32(2КР0-1)] / Иу (2КР0 - 1);

где тд - заданное время протаивания, ч; - заданный радиус протаивания, м.

Термическое сопротивление теплоизоляции на входе выработки предлагается рассчитывать по формуле

К = Т + (Т-1в)[1п(г/Кв) + 1- г/Кв] / С(1/Кв -1) / ат + 1/11в +1п11в -1],

где Т - температура породы на стенке выработки, °С; г - безразмерная величина, г=1; - радиус теплового влияния, м; ах -коэффициент температуропроводности талой породы, мУч.

Термодинамические способы зашиты выработок от теплового влияния воздушной струи [1,26,32,33,35,36,37]. Существующие крепи не способствуют стабилизации тепловых полей или "полей прочности" вокруг выработок. Поэтому нами предложено использование терморегулирующих элементов, работающих на принципе низкотемпературных тепловых труб, и теплообменных элементов, работающих на тепловой энергии, получаемой от вихревых труб.

При использовании названных разновидностей теплопе-редающих элементов охрана выработок от теплового воздействия происходит за счет перераспределения тепла массива и воздушной струи, при этом постоянно сохраняется отрицательная температура вмещающих выработку пород. Таким образом, сохранение постоянной отрицательной температуры горных пород обеспечивает их устойчивое состояние.

Охрану выработок от теплового воздействия можно считать достигнутой при условии

Ьп £ Ит,

где Ьп - глубина промерзания массива в зимний период, м; Ьр - глубина прошивания массива в летний период, м.

Суть способов заключается в том, »по на охраняемом участке выработки устанавливают теплопередакнцие элементы по ее периметру. В зависимости от конструкции элементы можно установить в скважины, пробуренные в стенках и кровле выработок, или расположить на контакте с породами как o6i.rnn.xe шахтные крепи.

Преимущество способов заключается в том, что они дают возможность обеспечить комфортные условия работы в очистных и подготовительных выработках шахт, работающих в условиях многолетней мерзлоты. Их применение исключает размораживание массива, в котором пройдены штольни (стволы), главные откаточные и транспортные штреки, чем резко сокращаются объем перекрепления воздухоподающих выработок и вызванные этим высокие затраты на их поддержание, а также исключается опасность вывалов и обрушений. Уменьшается пожароопасность работ из-за резкого понижения интенсивности окислительных процессов в воздухоподающих выработках. Применение указанных способов дзет возможность использовать очистные механизированные комплексы в шахтах, работающих в многолетней мерзлоте, по условиям управления кровлей и устранения опасности замораживания гидросистемы.

Для достижения рационального сочетания по поддержанию пород, регулированию температуры воздушной струи и стабилизации тепловых полей вокруг выработок нами используются элементы тепловых и вихревых труб, а также пьезо-элсменты в конструкциях крепей. Способы охраны горных выработок от теплового воздействия имеют широкую область применения.

Технологические решения в зависимости от термодинамических условий месторождений многолетней мерзлоты (3133]. В настоящее время ясно, что обычшле методы и типовые технические решения по добыче угля в подавляющем боль-

шинстве случаев оказываются неприемлемыми в специфических условиях многолетней мерзлоты.

Практика подземной добычи угля длительное время развивалась в основном по пути применения существующих методов и способов отработки угольных месторождений центральных районов страны, которые не позволяют достичь желаемых результатов в специфических условиях многолетней мерзлоты. Исходя из того, что соотношение полезных и вредных проявлений многолетней мерзлоты и общее влияние ее на условия горного производства зависят как от мерзлотно-геологических особенностей месторождений, так и от степени соответствия им принятых методов разработки, правильное использование закономерностей термодинамики и геомеханики массива мерзлых пород, вмещающих горные выработки, их рациональное использование в горной практике и направленное изменение поддающихся регулированию термодинамических процессов открывают широкие возможности совершенствования подземной разработки полезных ископаемых.

Учитывая, что горно-геологические и геокриологические условия месторождений районов многолетней мерзлоты имеют большое разнообразие по площади, а также по глубине залегания пластов нами выполнено группирование условий по зонам. В основу группирования положены устойчивость пород от фазового состоянии воды, температуры массива и технические возможности адаптации принимаемых технологий подземной добычи угля. Выделено шесть зон условий:

1 - зона мерзлоты с температурой массива пород от -4°С и ниже, глубина распространения от поверхности до 50-90 м;

2 - зона мерзлоты с температурой массива пород от -4 до -1,5°С, глубина распространения от границы 1-й зоны до 150- ( 200 м;

3 - переходная зона с температурой массива пород от -1,5 до +0,5°С, глубина распространения от границы 2-й зоны до 190-250 м;

4 - подмерзлотная зона с температурой массива пород от +0,5°С и выше, глубина распространения от границы 3-й зоны и глубже;

5 ~ зона островной мерзлоты, распространена по площади и содержит признаки 1-й, 2-й и 3-й зон;

6 - зона островных сквозных и несквозных таликов, по периметру имеет признаки 3-й и 4-й зон.

На основании проведенного группирования условий разработки в зависимости от температуры и влажности массива пород, изменений тектонической нарушенности и условий адаптации нами разработаны следующие направлетш развития и совершенствования технологии очистной выемки угольных пластов и области их применения.

На участках сильно нарушенных, с повышенной влажностью (более 4%) пород и температурой не выше -1,5°С, до глубины залегания 50-90 м применяются короткие очистные забои с самоходным оборудованием и анкерной крепью и лавы с почвоуступным забоем, комбайновой выемкой угля в каждом уступе, анкерной крепью и временным удержанием кровли на угольных или ледопородных целиках-ложах.

Ниже горизонта 50-90 м для выемки мощных пологах пластов предусмотрено применение длинных столбов с отработкой наклонными слоями, оборудованными механизированными комплексами, а также узкозахватные комбайны с гидравлической индивидуальной крепью. На горизонтах с температурой -1,5°С и ниже необходимо применять механизированные крепи поддерживающего типа, так как кровля об-рушается крупными блоками. На горизонтах с температурой выше -1,5°С рекомендуется применять крепи оградительного или оградительно-поддерживающего типа.

Учитывая, что мерзлые породы практически не слеживаются, принята последовательная отработка слоев, формирование кровли из обрушенных пород, для отработки нижних слоев, смораживанием их за счет использования холода массива, либо искусственной подачи холода в выработанное пространство.

На участках глубже 50-90 м значительно снижается на-рушенность пластов, уменьшается влажность пород, исключаются провалы и трещинообразование до дневной поверхности. Наблюдается трехстадийность сдвижения породного массива во времени и пространстве, что исключает динамические нагрузки на крепи.

Отработка угольных пластов в подмерзлотной зоне осложнена тем, что породы в этой зоне сильно обводнены, как правило, напорными водами, источники питания которых мало изучены. Напоры нередко достигают 200-250 м. Снижение напора до нуля предстваляет сложную техническую задачу, так как вода при откачке проходит через зону мерзлоты, что вызывает обмерзание скважин и необходимость прокладки специальных теплоизолированных трубопроводов. Требуются большие площади для сброса откачиваемых вод и исключения образования крупных наледей.

Наибольшую сложность представляет разработка различных геокриологических зон одним горизонтом, так как возникает необходимость обеспечения разного теплового режима в выработках, пройденных в мерзлых и талых породах.

При отработке различных геокриологических зон одной шахтой возникают два варианта решений: первый - запасы в мерзлоте и под мерзлотой отрабатывают самостоятельными горизонтами, второй .- запасы различных геокриологических зон отрабатывают одним горизонтом. Для сокращения потерь тепла воздух в подмерзлотный горизонт должен подаваться кратчайшим путем, как правило, по вертикальному стволу или скважине. При подаче теплого воздуха по выработкам большой протяженности и пройденным в толще мерзлых пород необходимо применение теплоизоляции. Кроме того, возможна установка калорифера в переходной зоне.

Не менее сложным является вопрос дегазации подмерз-лотных горизонтов. Если в мерзлоте содержание метана редко превышает 5 м3/т, то в переходной зоне достигает 10, а иногда 15 мЗ/т. При переходе же в подмералотную зону наблюдается

высокая газоносность пластов с выделением до 35-50 м3/т, а в отдельных случаях - до 70 м-'/т метана.

Этн два фактора сдерживают применение механизированных комплексов на подмерзл отных горизонтах. Наиболее перспективными для условии подмерзлотнмх горизонтов являются слоевая выемка с последовательной отработкой слоев и выемка сразу на полную мощность.

В условиях многолетней мерзлоты подготовка и отработка столбов по падению или восстанию нецелесообразна ввиду постоянного изменения температуры массива с глубиной. что осложняет управление тепловым режимом. Резко ухудшается состояние подготовительных выработок и возрастают затраты на их поддержание.

Область применения различных технологических схем выемки уголышх пластов по горно-геологическим и геокриологическим условиям приведена в Альбоме технологических схем [33].

ВЫВОДЫ

В диссертации дано решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, заключающееся в разработке компромиссных режимов управления состоянием массива для эффективного разрушения и повышения устойчивости боковых пород при ведении очистных и подготовительных работ, создания приемлемых тепловых климатических условий подземному персоналу и элективного применения комплексной механизации работ.

1. Установлено, что прочность мерзлых пород выше прочности льда и "чистой" породы на 5-30%. Фазовые переходы "лед-вода-лед" вызывают появление в многолетнемерзлом массиве дополнительных напряжений от осмотического и гидравлического давления жидкой фазы перед фронтом иро-мерзания: кристаллизационного давления льда, развития коэффициентов температурного расширения льда и скелета ма-

териала, увеличения удельного объема воды при переходе в лед. Физико-механические свойства и его напряженное состояние не полностью восстанавливаются при повторном замораживании.

2. Доказано, что свойства пород в вечномерэлом массиве существенно зависят от фазового соотношения в системе "вода-лед" и от их температуры. По фазовому соотношению в системе и температуре массива выделено три зоны:

зона с температурой массива -1,5°С и ниже, характеризующаяся наличием кристаллического льда и незначительным количеством незамерзшей пленочной воды. Породы, находя-' щиеся в таком состоянии, обладают наиболее высокими прочностными свойствами;

зона с температурой пород от -1,5 до +0,5°С, т.е. переходная зона, характеризующаяся фазовыми переходами "вода-лед", где порода относительно ослаблена;

зона (от изотермы) с температурой +0,5°С и выше -подмерзлотная зона с наиболее низкой относительной прочностью пород.

3. Установлено, что термодинамическое состояние пород при ведении горных работ определяет их физико-механические свойства:

а) изотермический режим консервации, где сохраняются условия естественной многолетней мерзлоты, т.е. температура породы Т° и ее прочность <з*н постоянны;

б) режим повышения температуры массива Т приводит к ослаблению прочности пород стр;

в) режим понижения температуры массива сопутствует упрочнению массива.

4. На базе выполненных исследований разработаны эффективные способы управления системной термодинамикой массива горных пород и атмосферой в горных выработках:

а) метод общешахтного регулирования за счет изменения температуры шахтной воздушной струи и применения теплообменных выработок;

б) метод локального управления температурным режимом массива и выработки: тепловые трубы, вихревые трубы, теплоизоляция стенок выработки;

в) комбинированный метод с применением общешахт-нътх и локальных способов управления.

5. Установлено, что при выборе способа выемки угольного пласта и системы разработки для угольных месторождений в условиях многолетней мерзлоты необходимо учитывать:

гсокриологичекие свойства массива, т.е. глубину распространения многолетней мерзлоты, расположите разрабатываемых запасов по отношению к многолетней мерзлоте, геотермический градиент;

гидрогеологию массива, т.е. наличие типов воды - под-мерзлотной или межмерзлотной, влажность пород и коэффициент фильтрации;

тепловой режим работ шахты.

На основании указанных признаков для разработки угольных месторождений в многолетней мерзлоте предложено 14 групп условий, учитывающих специфику выемки угольных пластов.

В зависимости от установленных условий рекомендуются системы разработки: камерно-с;толбовая для мошны* и средней мощности пластов в зоне мерзлоты с устойчивыми кровлями, длинные столбы для пластов тонких и средней мощности подмерзлотной и переходной зоны с средней устойчивостью пород кровли и наклонные слои с механизированными крепями для мощных пластов с формированием вторичной кровли методом смораживания.

6. Доказано, что адаптация оборудования, применяемого в условиях нормальных температур, требует учета фактора воздействия низких температур в условиях многолетней мерзлоты. С этой целью предложено в гидросистемы крепей и выемочного оборудования вводить элементы подогрева с учетом их режима работы.

7. Установлена зависимость химической активности углей от температуры окружающей срсды, что позволяет считать

температурный фактор основным в профилактике эндогенных пожаров в шахтах, разрабатывающих угольные пласты в условиях многолетней мерзлоты. В подземных выработках предложено поддерживать температуру не выше +4°С, при которой уголь по своей химической активности практически не может окисляться, т.е. самовозгораться.

8. Обоснована необходимость теплового ослабления массива впереди очистного забоя с механизированными крепями для управления труднообрушаемыми многолетнемерз-лыми породами с использованием теплообразующих и тепло-передающих устройств.

9. Доказана целесообразность формирования вторичной кровли из обрушенных пород при слоевой выемке мощных пологих пластов методом смораживания с использованием низких атмосферных температур в зимний период.

Основные положения диссертации в форме научного доклада опубликованы в следующих работах:

1. Ельчанинов Е.А. Проблемы управления термодинамическими процессами в зоне влияния горных работ. - М.: Наука, 1989. - 240 с.

2. Ельчанинов Е.А. Влияние температурного режима на деформацию пород кровли в очистных выработках месторождений Крайнего Севера. //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. - Вып.107. - М., 1973. - С.32-36.

3. Ельчанинов Е.А., Шор А.И., Розенбаум М.А. Влияние сезонных колебаний температуры на устойчивость очистных камер в условиях Аркагалинского месторождения //Научные собщения ИГД им.А.А.Скочинского. - Вып. 103. - М., 1973. -С.26-29.

4. Ельчанинов Е.А., Розенбаум М.А., Шор А.И. Исследование влияния горных работ на температуру пласта и вмещающих пород в условиях многолетней мерзлоты //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. - Вып.105. - М., 1973. -С.112-118.

5. Ельчанинов Е.А. К вопросу о повышении устойчивости выработок в условиях многолетней мерзлоты 77Научные

сообщения ИГД им.ААСкочинского. - Выи.173. - М., 1979. -С.54-62.

6. Ельчанинов Е.А. Некоторые факторы, определяющие устойчивость кровли при выемке мощных угольных пластов //В кн.: Технический прогресс на Норильском горнометаллургическом комбинате им.А.П.Завенягина. - М.: Нн-т "Орпгрансстрой", 1965. - С. 136-190.

7. Ельчанинов Е.А., Шор A.UJC вопросу о ^кэшировании температурного поля пород вокруг выработки //Научные сообщения ИГД им. А-А.Скочинского. - Вып.119. - М., 1974. -С.113-120.

8. Ельчанинов Е.А. Научные основы разработки угольных пластов в различных геокриозонах шахт Севера //Материалы Всесоюзного научно-технического совещания "Основные направления совершенствования технологии и средств комплексной механизации подземной добычи угля в регионах многолетней мерзлоты". - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1977. - С.27-31.

9. Ельчанинов Е.А., Шор А.И. Основные положения проектирования и строительства угольных шахт в условиях многолетней мерзлоты // В сб.: Основные направления научно-технического прогресса в проектировании и строительстве угольных шахт. - М.: ЦНИЭИуголь, 1975. - С.87-90.

10. Ельчанинов Е.А., Шор А.И. Розенбаум М.А. О природе устойчивости пород при разработке месторождений н условиях многолетней мерзлоты //В сб. Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики". -Л.: РТП ЛГИ, 1973. - С. 104.

11. Ельчанинов ЕА, Шор А.И, Розенбаум М.А. О формировании температурного поля пород вокруг выработки/Дам же. - С.50.

12. Ельчанинов ЕА, Розенбаум МА Влияние теплового режима шахты на выбор средств комплексной механизации выемки пластов в многолетней мерзлоте //Там же. - С.63-64.

13. Ельчанинов Е.А. Способ создания активной зоны аккумуляции зимнего, холода вокруг полости //Материалы

Кунгурской научно-технической конференции "Аккумуляция зимнего холода в горных породах и его использование в народном хозяйстве". - Пермь, 1981. - С.84-86.

14. Ельчанинов Е.А., Лушникова Т.Е. Влияние аккумуляции зимнего холода на устойчивость контура подземных сооружений //Там же. - С.89-90.

15. Ельчанинов Е.А. Способ регулирования температуры воздушной струи в горных выработках //Материалы II Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики". - Л.: РТП ЛГИ, 1981. - С.72.

16. Ельчанинов Е.А., Лушникова Т.Е. Охлаждение обрушенных пород - способ предупреждения эндогенных пожаров //Там же. - С.73.

17. Ельчанинов Е.А. Охрана горных выработок от теплового воздействия в условиях многолетней мерзлоты //Там же. - С.74.

18. Ельчанинов Е.А. О предварительном ослаблении многолетнемералых горных пород //Научные сообщения ИГД им.А.А.СкочI«некого. - Вып.230. - М., 1984. - С.9-15.

19. Ельчанинов Е.А., Маничева О.М. К вопросу о совершенствовании системы регулирования теплового режима в шахтах //Научные сообщения ИГД им.АА.Скочинского. -Вып.161. -М.: 1978. - С.36-41.

20. Ельчанинов Е.А. Основные направления научно-технического прогресса подземной добычи угля в зоне освоения БАМ //В сб.: Техническое и технологическое обоснование хозяйственного освоения зоны БАМ. - Новосибирск: ГПНТБ СО АН СССР, 1955. - С.31-40.

21. Ельчанинов Е.А., Маш1чева О.М. К вопросу о целесообразности использования вихревых труб для теплорегули-ровання в горных выработках //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. -Вып.213. - М., 1982. - С.111-116.

22. Ельчанинов Е.А., Маничева О.М. О возможности использования тепловых труб для терморегулирования шахт в условиях многолетней мерзлоты и глубоких шахт //Научные

сообщения ИГД им.А.А.Скочннского. - Вып. 146. - М., 1977. -С.49-54.

23. Ельчанинов Е.А., Лушникова Т.Е. Термоослабление труднообрушаемых многолетнемерзлых пород //В кн.: Проблемы горной теплофизики. Горнотехнологическая теплофизика. - Л. РТП ЛГИ, 1981. - С.83-84.

24. Ельчанинов Е.А. Совершенствование разработки мощных пологих пластов угля в районах мноюлстней мерзлоты //В кн.: Совершенствование разработки мощных пологих пластов на базе средств комплексной механизации. - М.: ИГД им.А.А.Скочннского, 1978. - С. 115-121.

25. Шор А.И., Ельчашшов Е.А. Использование теплоак-кумулируюхцих выработок в системе регулирования теплового режима шахты при разработке месторождений в условиях многолетней мерзлоты. // В сб.: Совершенствование разработки мощных пластов на базе средств комплексной механизации. - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1978. - С.140-146.

26. Ельчанинов Е.А. Рациональный тепловой режим шахт в районах многолетней мерзлоты //В сб.: Совершенствование разработки мощных пологах пластов на базе средств комплексной механизации. - М.: ИГД им.А.А.Скочинского, 1978. - С.152-157.

27. Ельчанинов Е.А. Выбор систем разработки и их параметров при выемке угольных пластов в районах многолетней мерзлоты //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. - Вып.180. - М.: 1979. - С.3-9.

28. Ельчанинов Е.А. Эффективная технология выемки угольных пластов в условиях многолетней мерзлоты //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского. - Вып. 130. -М.: 1975. - С. 13-22.

29. Ельчанинов Е.А., Шор А.И., Розенбаум М.А. О связи между полями деформации и температур пород вокруг выработки при разработке месторождении в области многолетней мерзлоты //Материалы Международного симпозиума "Тепловой режим угольных шахт и металлических рудников". - Киев: Наукова Думка, 1977. - С. 192-196.

30. Ельчанинов Е.А., Волох A.C. Управление тепловыми скачками на выбросоопасных угольных пластах //Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского /Вопросы предотвращения внезапных выбросов. - М., 1987. - С.33-43.

31. Временная инструкция по выбору крепи для очистных выработок в условиях многолетней мерзлоты. - М.: ИГД им.А.АСкочинского, 1979. - 42 с.

32. Технологические схемы очистных и подготовительных работ на угольных шахтах производственного объединения по добыче угля "Северовостокуголь". - М.: ИГД им.А.А.Скочинского. 1977. - 84 с.

33. Технологические схемы очистных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты, учитывающие применение систем и средств регулирования теплового режима. - М.: Минуглепром, 1987. - 262 с.

34. A.c. 526705 СССР. Кл. У21С 39/00. Способ оценки напряженного состояния породного массива (Ельчанинов Е.А., Розенбаум М.А., Шор А.И.).

35. A.c. 688642 СССР. Кл. E21F 3/00. Способ регулирования температуры воздушной струи горных выработок (Ельчанинов Е.А.).

36. A.c. 607049 СССР. Кл E21F 3/00. Способ регулирования теплового режима очистной выработки в условиях многолетней мерзлоты и глубоких горизонтов шахт (Ельчанинов Е.А., Розенбаум М.А., Шор А.И.).

37. A.c. 823596 СССР. Кл. E/21F 3/00. Способ регулирования температуры шахтного воздуха (Ельчанинов Е.А.).

38. A.c. 732548 СССР. Кл. E21F 3/00. Устройство для регулирования теплового режима в горных выработках (Ельчанинов Е.А.).

39. A.c. 825987 СССР. Кл. Е21Д 11/32. Элемент крепи горных выработок (Ельчанинов Е.А., Маничев Е.В., Шор А. И.).

40. A.c. 732530 СССР. Кл. E2IC 37/18. Способ предварительного ослабления массива труднообрушаемой кровли (Ельчанинов Е.А.).

41. A.c. 829944 СССР. Кл. Е21С 41/01. Способ разупрочнения мерзлых пород (Ельчанинов ЕА, Шор Л.Я. Розенбаум М.А.).

42. Ас: 788883 СССР. Кл. E21F 15/00. Способ вотекда-ния ледяного целика при подземной разработке гтояезтия ископаемых в условиях вечной мерзлоты (Еяьчантгав ЕА).

43. Ас. 721541 СССР. Кл. E21F 5/02. Способ предупреждения эндогенных пожаров в выработанном лрсетряптетсг в условиях многолетней мерзлоты (Ельчанинов ELA).

44. Ас. 757736 СССР. Кл. E21F 5/00. Способ предотвращения внезапных выбросов пород, утл* н газа щи ведатяга горных работ (Ельчанинов Е.А, Шор А.И.).

45. Ас. 956808 СССР. Кл. E21F 5/00. Способ прадггггрс-ждения внезапных выбросав угля, породы и газа в счистьте выработках (Ельчанинов ЕА, Шор А И.).

Кялдндят темппесюи гогук

Евгений Алеюсяндроип ЕЛЬЧАНИНОВ

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССА»«! В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ МАССИВЕ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ

Редактор ВЖЛюат. Компьютерная npuu А.К.Щрюхж.

Подписало к печати 11.1156г.

Формат 62,5x85 1/16 Бум. Плена №.

Печать офсепмя.

Уч. - иэдл. ЗД Тир« 100.

Изд. N10012«.

Институт горного дета тс. А_А.Сковшсксга, 140004, гЛюберцы Моск. обл. Типография: 140004, гЛгберцн Моск. оби.