Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов и средств управления термомеханическим состоянием копров вертикальных стволов алмазодобывающих рудников в многолетней мерзлоте

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Филатов, Александр Павлович

Введение.

1.Состояние вопроса.

2.Математическая модель теплообменных процессов, алгоритм и программы для ПЭВМ.

3.Вычислительный эксперимент.

4.Конструкция замораживающей и термометрической систем.

5.Технико-экономический анализ работы замораживающей системы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов и средств управления термомеханическим состоянием копров вертикальных стволов алмазодобывающих рудников в многолетней мерзлоте"

Актуальность темы. При переходе алмазодобывающей промышленности на подземный способ разработки возникла проблема, заключающаяся в том, что на всех рудниках, которые построены или будут построены в обозримом будущем (на трубках «Интернациональная», «Мир», «Айхал», «Удачная»), основания фундаментов копров вертикальных стволов сложены многолетнемерзлыми глинистыми горными породами, теряющими прочность при протаивании. В связи с большой глубиной отработки (более километра) нагрузки на копры весьма значительны. Так, на клетьевом стволе рудника "Интернациональный" построен башенный копер, опирающийся на свайное основание из 132 свай с расчетной несущей способностью 100 т каждая (расчетный вес копра 13200 т = 132 МН). Горные породы, вмещающие устье fствола, представлены мергелем и мергелистой глиной (первые 30 м от поверхности), переслаивающимся мергеле-известняком. Породы высокольдистые (имеется видимый лед), высокотрещиноватые (местами разрушенные до щебенки, при протаивании дают большую неравномерную осадку ).

Во время эксплуатации ствола после проходки в него подавался теплый воздух (временами с температурой до 20°С), что привело к появлению вокруг ствола ореола протаивания, поглотившего свайное основание копра. По СНиГ! глинистые многолетнемерзлые породы при положительной температуре расчетной прочности не имеют, следовательно, требуется восстановление их мерзлого состояния. Работами ИГДС СО РАН было показано, что при полном промораживании околоствольного талика в крепи ствола возникают напряжения, превышающие пределы прочности материала крепи, и поэтому-необходимо оставление талого слоя, толщиной 0.7-1.0 м. Таким образом, возникла актуальная проблема создания замораживающей системы и управления процессом ее работы, чтобы, с одной стороны, добиться необходимой несущей способности свайного основания, а, с другой стороны, не разрушить при этом крепь ствола, которая уже служит более десятка лет в условиях высококоррозийной среды.

Исходя из вышеуказанного, создание научно обоснованных технических и технологических средств замораживания и методов управления температур-ным режимом в основании фундаментов копров вертикальных стволов рудников (на примере башенного копра клетьевого вертикального ствола рудника «Интернациональный») актуально и имеет существенное значение для технологии и экономики алмазодобывающей промышленности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР и ОКР АК АЛРОСА (ЗАО) в 1997 - 2001 гг.

Целью работы является обеспечение устойчивости копров вертикальных стволов алмазодобывающих рудников в многолетней мерзлоте.

Основная идея работы заключается в установлении и использовании зависимостей термодинамических процессов в многолетнемёрзлых горных породах для обоснования параметров замораживающих средств, системы оперативного термометрического контроля для управления термомеханическим состоянием массива многолетнемерзлых горных пород.

Задачи исследований:

1 .Разработать теплофизическую модель динамики температурных полей массива многолетнемерзлых горных пород в устье вертикального ствола с произвольно расположенными охлаждающими установками (ОУ) и метод оценки несущей способности свай фундаментов копров.

2.Построить и проанализировать расчетные температурные поля в горизонтальных и вертикальных сечениях и на их основе провести предварительный и вторичный отбор схем замораживающих систем (выбор места расположения, количество и тип охлаждающего устройства (ОУ).

3.Разработать эффективные технические и технологические средства, обеспечивающие устойчивое состояние устьевой части клетьевого ствола и башенного копра клетьевого ствола рудника «Интернациональный».

4.Разработать термометрическую систему для автоматизированной обработки измерений температурного режима, обеспечивающую оперативность контроля и обоснованность решений по управлению тепловым состоянием массива многолетнемерзлых горных пород при сооружении и эксплуатации башенного копра на примере клетьевого ствола рудника «Интернациональный».

5.Провести технико-экономический анализ работы замораживающей емы для различных теплофизических стадий процесса и состояний в сиве горных пород и устья ствола алмазодобывающего рудника.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе ользован комплекс методов, включающий анализ и обобщение научно-ических разработок и опыта эксплуатации оснований фундаментов копров икальных стволов алмазодобывающих рудников; методы математического елирования (уравнения тепломассообмена ствола в массиве с аждающими установками и процесса распространения тепла в массиве с вной поверхностью); методы программирования, вычислений и многовари-ных расчетов температурных полей; методы натурных экспериментальных и изводственных наблюдения температурного режима горных пород; методы ектирования и технико-экономической оценки технических систем ерений и технологических средств замораживания.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1 .Термодинамические процессы в многолетнемерзлых горных породах 1ГП) оснований фундаментов копров вертикальных стволов алмазодобыва-их рудников Якутии описываются математической моделью процесса лообмена (промерзания-протаивания) ствола в массиве с произвольно положенными охлаждающими установками (ОУ).

2.Оценка несущей способности свай фундаментов копров основана на ематической модели теплообмена ствола, вмещающего массива, дневной ерхности и произвольно расположенных замораживающих установок.

3.Предварительный и вторичный отбор технологических схем замора-вающих систем (выбор места расположения, количество и тип охлажда-j,ero устройства (ОУ), основанный на вычислительных экспериментах пературных полей основания фундаментов башенного копра, позволил тучить эффективные результаты. I

4.Технологические средства (система замораживающих скважин, запро-ированных и построенных на клетьевом стволе рудника «Интернаци-льный» по научно-обоснованным параметрам), разработанные на основе нализа альтернативных вариантов методов управления термомеханическим остоянием оснований фундаментов башенного копра обеспечивают устойчивое остояние устьевой части ствола и копра.

5.Оперативный контроль и обоснованность решений по управлению епловым состоянием массива многолетнемерзлых горных пород надежно обеспечивается термометрической системой из датчиков в вертикальных и горизонтальных скважинах с оперативным пультом автоматизированной обработки измерений температурного режима.

6.Эффективность научно-обоснованных параметров, принятых технических и технологических средств управления термомеханическим состоянием оснований фундаментов башенного копра клетьевого ствола рудника «Интернациональный» подтверждается технико-экономическим анализом работы замораживающей системы.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

• корректностью формулировки задачи с использованием теплофизических уравнений, адаптированных к условиям многолетнемерзлого массива на основании измерений in situ с учетом дневной поверхности и произвольно расположенных охлаждающих устройств;

• адекватностью параметров теплового режима массива горных пород, полученных по результатам численного математического моделирования, натурным измерениям температуры пород основания в шахтных условиях (расхождение не превышает 10 %);

• успешным семилетним опытом эксплуатации замораживающей системы;

• положительным опытом использования термометрической системы (более 1500 датчиков-терморезисторов) для принятия технологических решений по устойчивому состоянию массива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• в математические модели динамики температурных полей оснований фундаментов копров введена возможность произвольно располагать точечные стоки тепла, имитирующие охлаждающие устройства, что существенно повысило точность расчетов и дало возможность моделировать варианты конструкции и аварийные ситуации замораживающей системы; разработана новая методика расчета температурных полей, несущей способности свай в многолетнемерзлом основании фундаментов копра для реальной сетки замораживающих скважин, расположенных на двух периметрах; разработана термометрическая система с использованием двух типов измерительных скважин (вертикальных и горизонтальных), позволяющая вести оперативный контроль за термомеханическим состоянием основания и устойчивостью копра; впервые разработаны оригинальные технические и технологические средства управления термомеханическим состоянием многолетнемерзлых горных пород, вмещающих устьевую часть клетьевого ствола; на способ крепления устья ствола шахты в многолетнемерзлых породах получен патент России, реализованный на башенном копре клетьевого ствола рудника «Интернациональный».

Личный вклад автора состоит: в выборе и развитии теплофизических моделей для расчетов динамики температурного поля основания фундаментов копра вертикальных стволов; в проведении вычислительных экспериментов и анализе их результатов, в результате чего выбраны оптимальное расположение замораживающих устройств, их конструкция и режим замораживания; разработке методики расчета температурных полей и несущей способности свай в многолетнемерзлом основании фундаментов копра для реальной сетки скважин, расположенных на двух периметрах; разработке и внедрении технических и технологических решений (термометрической системы, программы обработки результатов измерений температуры, схемы расположения и параметров замораживающих скважин, условий включения-выключения замораживающей системы, выбор типа хладагента); оптимизации работы замораживающей системы, включающей условия форсмажора;

• проведении технико-экономического анализа работы замораживающей системы, подтвердившего эффективность принятых технических и технологических решений.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты позволяют:

• успешно функционировать уникальному сооружению - башенному копру клетьевого ствола рудника "Интернациональный", имеющему расчетную нагрузку на фундаменты 132 МН;

• проектировать и эксплуатировать уникальные замораживающие системы, способные адаптироваться к условиям многолетнемерзлых массивов;

• проектировать и монтировать термометрическую систему контроля состояния площадки свайного поля башенного копра клетьевого ствола на руднике «Интернациональный»;

• разрабатывать регламенты и регулировать работу замораживающих систем;

• распространить полученный опыт сохранения устойчивости копров на другие объекты: трубки «Мир» и «Айхал».

Реализация работы. Результаты расчетов параметров технических и технологических средств управления термомеханическим состоянием массивов многолетних горных пород в полном объеме реализованы на башенном копре клетьевого ствола рудника «Интернациональный» АК AJ1POCA. Внедрение результатов работы позволило только в 1999-2000 гг. получить фактический экономический эффект 6172,8 тыс руб. (в ценах 1991 г.).

Апробация работы. Работа докладывалась на Международной конференции "Проблемы геотехнологии и недроведения" в г.Екатеринбург (Мельниковские чтения) - 1998 г., Международном Симпозиуме по геокриологии в г.Чита - 1998 г., Международной научно-практической конференции «Мирный-2001» в г.Мирный, на научно-технических совещаниях в институте Якутнипроалмаз - 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и 5 приложений. Объём диссертации 1 10 страниц, в том числе 20 таблиц, 62 рисунка, список литературы из 44 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Филатов, Александр Павлович

Основные выводы, конкретные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 .Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и современных способов сохранения оснований копров вертикальных стволов алмазодобывающих рудников в массивах многолетнемерзлых горных породах (ММГП) (в криолитозоне) показывает, что устойчивость его определяется устройством свайных фундаментов, врезаемых в многолетний грунт ниже глубины сезонного оттаивания, и способом контроля и управления термомеханическими процессами в свайном поле.

2. Для анализа термодинамических процессов в основаниях фундаментов копров вертикальных стволов развита математическая модель теплообмена ствола с массивом многолетнемерзлых горных пород, в которой появилась возможность учесть произвольно расположенные охлаждающие устройства, определяемая двумерной задачей типа Стефана с точечными стоками тепла. В рассмотренном в диссертации примере стоки тепла располагались в двух контурах: по кольцу вокруг ствола и по квадрату вокруг свайного поля.

3.Для оценки несущей способности свай рассчитаны температурные поля в местах измерения температуры с учетом вертикального ствола, охлаждающих устройств, дневной поверхности при наличии проветриваемого подполья, зависимости теплофизических и механических свойств пород от температуры.

4.На основании алгоритмов решения задач разработаны программы расчетов несущей способности свай в основании фундаментов башенного копра клетьевого ствола, в которых учитываются параметры массива (температурный разрез; механические характеристики, зависящие от температуры) и свайного основания (тип, глубина, периметр и расположение свай).

5.Рассчитанная по фактическим измерениям температуры несущая способность свай зависит от режима работы замораживающей станции и составляет для буроопускных свай 140350 т, для буронабивных свай 260-550т.

6.Многовариантные вычислительные эксперименты по определению динамики температурного поля основания фундаментов башенного копра клетьевого ствола (было рассмотрено 12 вариантов) позволили оптимальным способом расположить замораживающие скважины в двух контурах: внутренний кольцевой диаметром 8.5 м, наружный квадратный 18*18 м, выбрать их глубину (25 м), диаметр (0.2 м) и температуру хладагента (-20°С) при условиях: равномерного промораживания основания до необходимых величин температур, что требуется для избежания неравномерной осадки свай, возможности регулирования температурного режима основания включением-выключением замораживающей системы или изменением температуры хладагента;

7.Анализ результатов вычислительных экспериментов позволил определить параметры технических и технологических разработок: тип и необходимое количество охлаждающих установок, схему оптимального расположения замораживающих устройств для обеспечения заданной и максимальной несущей способности свай основания. Замораживающие скважины объединены в систему, поскольку питаются от единого источника. Для рудника «Интернациональный» такими параметрами являются: тип -замораживающие колонки диаметром 200 мм. Глубина скважин №№ 1-20 -20 м, №№ 21-28 - 70 м, расположены согласно рис.5;

8.Разработана и построена термометрическая система из вертикальных скважин, пробуренных с поверхности, и горизонтальных шпуров, пробуренных из ствола. Количество датчиков значительно (1560 шт.), поэтому их опрос и предварительная обработка данных автоматизирована. Создано матобес-печение для обработки результатов измерений и пересчета значений измеренных температур в несущие способности свай.

9.Взятие отсчетов по датчикам термометрической системы рекомендуется производить не реже раза в неделю. Условием включения замораживающей системы является уменьшение несущей способности свай до 140 т, либо понижение температуры контакта крепь ствола-порода до -1°С.

10.Показано, что из двух способов регулирования работы замораживающей системы - включение-выключение или изменение температуры хладагента - первый проще технологически и позволяет получить большую экономию. Технико-экономический анализ показал, что только одно выключение замораживающей системы в 2000 г. дало фактический экономический эффект в ценах 1991 г. 6172.8 тыс.руб.

11 .Разработаны научно обоснованные и проверенные в производственном эксперименте технические и технологические средства сохранения устойчивости копров вертикальных стволов алмазодобывающих рудников, находящихся в горногеологических условиях, подобных руднику «Интернациональный».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований термодинамических процессов в многолетнемерзлых горных породах изложены научно обоснованные технические и технологические разработки средств управления термомеханическими процессами в основании фундаментов копров вертикальных стволов рудников, имеющие существенное значение для технологии и экономики алмазодобывающей промышленности.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Филатов, Александр Павлович, Мирный

1.Ананян А.А. О жидкой фазе воды в мерзлых породах//Мерзлотные исследования. - М.:Изд-во МГУ, 1961. - Вып. 1. - С. 173-177.

2. Биянов Г.Ф. Опыт строительства плотины на вечномерзлых грунтах// II Международная конференция по мерзлотоведению (доклады и сочинения). Вып.7. Якутск: Кн. изд.,1973. - С.125-132.

3. Биянов Г.Ф. Плотины на мерзлоте. -М.: Энергия, 1975. 184 с.

4. Волков С. А. Численные решения двухфазной задачи Стефана //Вычислительные методы и программирование. М.:ВЦ МГУ, 1967. - Вып. 6. -С.217-230.

5. Вялов С.С., Александров Ю.А., Городецский С.Э., Миренбург Ю.С., Хру-сталев JI.H. Термосваи в строительстве на Севере. JI.: Стройиздат, Ленин-градск. отд., 1984 - 148с.

6. Гайдаенко Е.И. О несущей способности буронабивных свай в вечномерзлых грунтах// Основания и фундаменты при строительстве в районах Восточной Сибири и Крайнего севера. Вып.45. Красноярск: Краен.ПромстройНИИпроект, 1978 - С.32-40.

7. Гайдаенко Е.И. Временные рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1979.-39с.

8. Гапеев С.И. Укрепление мерзлых оснований охлаждением. Л.: Стройиздат, Ленинградск. отд., 1984. - 156 с.

9. Ю.Горский В.Ф., Клишевич А.А., Попов Ю.А., Лисицына О.М., Пармузин С.Ю. Гражданское и промышленное строительство// Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток. М.: Недра, 1989.-С.457-467.

10. Изаксон В.Ю., Петров Е.Е., Ковлеков И.И. Прогноз термомеханического состояния многолетнемерзлого массива. Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1988. - 106 с.

11. Изаксон В.Ю. Математическое обеспечение анализа термомеханического состояния обнажений многолетнемерзлых пород// "Горное дело: проблемы и перспективы Сб.статей .-Якутск: Институт горного дела Севера СО РАН, 1994.209 с.

12. Информационная записка по результатам температурных замеров, выполненных на клетьевом стволе тр.Интернациональная/ Телеляев В.А., Новик П.А., Ткаченко И.Н.- Мирный: ин-т Якутнипроалмаз, 1994.- 7 с.

13. Ким М.В. Строительство надшахтного здания и копра на льдистых вечно-мерзлых грунтах //Строительство в районах Сибири и Крайнего Севера. Сб.З.Красноярск: КрасНИИс, 1962.-С.26-39.

14. Кислан И.С. Системная оценка стойкости фундаментов на вечномерзлых грунтах// Wokrs of the 5th International Conference of the Problem of Pile Foundations Building. Тюменьский Гос.Ун., сентябрь, 1996: Сб. докл., Т. 1. М., 1996 -С. 88-91.

15. Козеев А.А., Изаксон В.Ю., Звонарев Н.К. Термо и геомеханика алмазных месторождений. Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 1995. - 243с.

16. Макаров В.И. Термосифоны в северном строительстве.-Новосибирск: Наука, 1985.-158с.

17. Маркизов Л.П. Устройство фундаментов глубокого заложения в Воркуте //Основания, фундаменты и механика грунтов, 1974.-№4.-С.4-7.

18. Отчет об инженерно-геологическиих изысканиях на объекте рудник "Интернациональ-ный"//т.1 .Площадка монтажа и передвижки копров, Красноярский трест "КрасТИСИЗ", Мир-нинский комплексный отдел, Мирный: 1983.

19. Павленко О.И., Расстегаев И.К. О применении буронабивных висячих свай в вечномерзлых грунтах// Основания и фундаменты при строительстве в районах Восточной Сибири и Крайнего севера. Вып.45. Красноярск: Красн.ПромстройНИИпроект, 1978 - С. 16-18

20. Павлов А.В. Расчет и регулирование мерзлотного режима почвы,- Новосибирск: Наука, 1980. 240 с.

21. Полуэктов В.Е. Устройство фундаментов на вечномерзлых грунтах. -Л.:Стройиздат, Ленинградское отделение, 1982.-111с.

22. Проект башенного копра клетьевого ствола рудника «Интернациональный».-чертеж В3055-625-АР.-Днепропетровск: Днепргипрошахт,- 1985.

23. Рекомендации по сохранности вечномерзлых грунтов под свайное основание фундаментов копров вертикальных стволов рудника "Интернациональный" //Изаксон В.Ю., Петров Е.Е., Слепцов В.И. и др. 1988,- Фонды ИГДС СО РАН.- 40 с.

24. Свайные фундаменты: СНиП 2.02.03-85. Утв. Госстроем СССР. Изд. офиц.-М.: ЦИТП Госстроя CCCP.-1986.-46c.

25. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах, М.: 1988

26. Слепцов В.И., Мордовской С.Д., Изаксон В.Ю. Математическое моделирование теплообменных процессов в многолетнемерзлых породах.-Новосибирск: "Наука" Сибирская издательская фирма, 1996.-65 с.

27. Слепцов В.И. Учет неупругих деформаций при прогнозе термомеханического состояния массива многолетнемерзлых горных пород/ Дисс. канд.техн.наук, научн.рук.проф.,д.т.н. Изаксон В.Ю., Институт горного дела Севера СО РАН, 1993.-16 с.

28. Способ крепления устья ствола шахты в многолетнемерзлых породах.-Патент № 2122119 (БИ №32-99)/ Изаксон В.Ю.,Крамсков Н.П., Филатов А.П. Новик П.Е.

29. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. :Справочник/Под общ. ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина. М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 560 с.

30. Торгашев В.В. Особенности работы "свая-оттаявший грунт"// Материалы Первой конференции геокриологов России, МГУ им. М.В. Ломоносова, 3-5 июня, 1996: Сб. докл., Кн. 4. М., 1996. - С. 126-132.

31. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в строительстве (примеры применения). М.:Изд. лит. по строительству, 1970.-224с.

32. Филиппове кий С.М. Использование воздуха с естественной отрицательной температурой для замораживания грунтов//Тр. Северного отделения НИИ-ОСПа, 1962. Вып.2. - С.59-65.

33. Guryanov I.E. A Problem of Foundation Construction for Headframes on Permafrost in Western Yakutia.-Chita, Proc.Int.Symp."Geocriolog.Probl.of Constr. in Estern Russia and Northern China, 1998.- P.153-160.1. Ttf,