Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами

Изаксон, Максим Всеволодович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами"

На правах рукописи

Изаксон Максим Всеволодович

УПРАВЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТЬЮ УСТУПОВ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ В МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЕ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИМИ ЭКРАНАМИ

Специальность: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2006

Работа выполнена в Инстшуге угля и углехимии СО РАН

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Герике Борис Людвигович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кулаков Геннадий Иванович доктор технических наук, профессор Паначев Иван Андреевич

Ведущая организация - АК «АЛРОСА» (ЗАО).

Защита состоится 5 декабря 2006г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 003.036.01 Института угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук (650610, г.Кемерово, ГСП, ул.Рукавишникова, 21. Факс: (3842) 28-32-05)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.

Автореферат разослан 3 ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Преслер В.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Несмотря на то, что алмазодобывающая промышленность переходит на подземный способ добычи кимберлиговой руды и карьеры на трубках «Интернациональная», «Мир» и «Айхал» достигли предельных глубин, проблема устойчивости уступов и бортов карьеров остается актуальной, поскольку продолжается открытая добыча кимберлита на трубках «Юбилейная», «Комсомольская», «Ботуобинская», «Нюрбинская». Известно, что нарушение устойчивости уступов глубоких алмазодобывающих карьеров вызывается, главным образом, криогенными процессами (режеляция, сублимация, морозное пучение, осадка, растрескивание, дезинтеграция и др.) и связано с формированием сезонно-талого слоя в летний период времени. Поэтому традиционные способы укрепления бортов (крепление анкерами и сеткой, тампонаж), не оказывающие влияния на протекание криогенных процессов, неэффективны. Следовательно, необходима разработка нетрадиционных методов. В настоящей работе рассматриваются теплоизолирующие экраны как средство повышения устойчивости многолетнемерзлых уступов карьеров и разработка методики определения их параметров.

Работа выполнена в рамках научного проекта Института угля и углехи-мии СО РАН № 25.2.4. «Экспериментально-аналитические основы механики газоносных геоматериалов, в т.ч. многолетнемерзлых».

Целью работы является научное обоснование применения теплоизолирующих экранов для управления устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетнемерзлых горных породах.

Основная идея работы заключается в том, что теплоизоляция поверхности уступа стабилизирует его температурное поле и глубину протаивания пород, что снижает интенсивность криогенных процессов поверхностного выветривания откоса.

Задачи исследований:

1. Разработать и реализовать модель теплообмена атмосферного воздуха с уступами карьеров с учетом теплоизоляции, экспозиции уступа.

2. Выполнить адаптацию параметров математической модели к условиям карьера «Мир» на основе экспериментальных данных.

3. Определить параметры оптимальных теплоизоляционных экранов для уступов карьеров, в том числе под водоводами системы откачки карьера «Мир».

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение научно-технических разработок и опыта упрочнения уступов карьеров в многолетней мерзлоте; методы математического моделирования; методы программирования, вычислений и многовариантных расчетов температурных полей; методы натурных наблюдений температурного режима горных пород; методы технико-экономической оценки технических решений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Теплоизоляция экранами уступов глубоких карьеров, расположенных ^

РОС. НАЦИОНАЛЬНА«!

БИБЛИОТЕКА С.-Петербучг |

оэ шС, т\

многолетней мерзлоте, существенно уменьшает интенсивность криогенных процессов поверхностного выветривания и предотвращает разрушение уступов и образование осыпей.

2. В районе г. Мирный годовые хода среднемесячных температур и ин-тенсивностей солнечной радиации с достаточной для инженерных расчетов точностью можно считать синхронными.

3. Солнечная радиация является важным фактором, влияющим на граничные условия моделей. Не включение этого фактора в модель уступа карьера дает ошибку в определении граничных условий до 77%.

4. Оптимальный теплоизоляционный экран имеет переменную толщину, параметры которого зависят от географического положения карьера и экспозиции уступа.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:

в корректностью физико-математической постановки задачи, адаптированной к условиям многолетнемерзлого массива на основании натурных измерений температуры;

• адекватностью теплового режима массива горных пород, полученного по результатам вычислительного эксперимента, натурным измерениям температуры пород (расхождение не превышает 10 %);

• результатами промышленного эксперимента по созданию теплоизолирующих экранов под водоводами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана модель динамики температурного поля уступа карьера, в которой учтено влияние солнечной радиации;

• разработана модель динамики температурного поля уступа карьера под водоводами, в которой теплоизоляция моделируется как слой с отличными от пород откоса теплофизическими характеристиками, а не традиционное представление термическим сопротивлением, что существенно повысило точность расчетов;

• определены параметры температурного и радиационного годовых ходов и уточнены коэффициенты теплоемкости, теплопроводности, коэффициент теплообмена поверхности откоса с атмосферным воздухом для условий карьера «Мир».

Личный вклад автора состоит:

® в разработке и реализации теплофизических моделей для расчетов динамики температурного поля в откосах глубоких карьеров, расположенных в многолетней мерзлоте и покрытых теплоизолирующими экранами, в том числе переменной толщины;

• адаптация этих моделей к горно-геологическим и криологичческим условиям карьера «Мир»;

в в разработке инженерных методик подбора оптимальных параметров теплоизолирующих экранов;

• в проведении натурных и вычислительных экспериментов, обработке

их результатов;

• в разработке и внедрении технических решений по удалению из чаши карьера «Мир» накопившихся там рассолов (5 млн.м3).

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты доведены до инженерной методики и позволяют рассчитывать параметры теплоизоляционного экрана, обеспечивающего устойчивость уступа.

Реализация работы. Результаты расчетов параметров технических средств управления термомеханическим состоянием массивов многолетних горных пород в полном объеме переданы и использованы AK «AJIPOCA» при строительстве теплоизолирующих экранов под водоводами на карьере «Мир» в 1995 г. Нанесено 300 lir пенополиуретана на площади 1500 м2. Данное мероприятие позволило откачать 5 млн.м3 рассолов из чаши карьера «Мир», отработать запасы кимберлитовой руды на проектную глубину и получить фактический экономический эффект 800.0 млн.руб. (в ценах 1995 г.).

Апробация работы. Работа докладывалась на Международной научно-практической конференции «Мирный-2001» в г.Мирный; на Международной конференции «Современные геомеханические методы в горном деле, в подземном гражданском строительстве и туннелестроении», г.Несебыр, Болгария, 9-13 июня 2003 г.; на научно-технических совещаниях в институте Якутнипроалмаз - 1995-1996; в ИУУ СО РАН в 2005,2006 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 43 источников, общим объемом 84 страниц и содержит 34 рисунка, 10 таблиц и одно приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Научная основа расчетов устойчивости откосов карьеров разработана во ВНИМИ, ЛГИ, МГТУ и др. Специфика алмазодобывающих карьеров Севера -малая площадь по сравнению с глубиной, крутые склоны, особенности разрушения многолетней мерзлоты - в разных аспектах рассматривалась в работах Валуева Е.П., Вычужина Т.А., Грохонского A.A., Ерминова И.И., Ефремова И.П., Изаксона В.Ю., Казанцева Б.А., Крамскова Н.П., Петрова Е.Е., Печенина Ю.И., Полубеловой Т.Н., Самохина A.B., Слепцова В,И., Филатова А.П., Шмо-нина И.Б., Шургина Б.В.

Алмазодобывающие карьеры Якутии находятся под высокими географическими широтами, поэтому устойчивость их бортов кроме обычных факторов определяется также тем, что горные породы, их слагающие - многолетнемерз-лые, среднегодовая температура атмосферного воздуха отрицательна и годовые и суточные колебания температур значительны.

Многолетние наблюдение за устойчивостью карьеров «Интернациональный», «Мир», «Айхал», «Удачный» позволяют утверждать, что деформации их многолетнемерзлых уступов вызываются главным образом криогенными процессами (режеляция, сублимация, морозное пучение, осадка, растрескивание, дезинтеграция и др.) и связаны с формированием сезонно-талого слоя в летний

период. Наиболее распространенный вид деформаций, характерный для всех вмещающих и перекрывающих пород, - образование осыпей и «сработка» верхних бровок уступов. Осыпи образуются вследствие уменьшения прочностных свойств мерзлых пород при нагревании и вытаивании льда, играющего роль цементирующего состава, в трещинах и порах. Важную роль при формировании осыпей играют физическое выветривание на поверхности откосов за счет перепада температур (суточный (-Ю...+10)°С, годичный (-60...+40)°С), наличие влаги и ее миграция, многократность замерзания и оттаивания (реже-ляция). Скорость осыпей максимальна первые 2-3 года после постановки откоса в предельное положение, затем она уменьшается. В среднем, осыпание верхних бровок уступов, сложенных известняками и доломитами, составляет 5-10 см в год, в слабых породах и на трещиноватых участках эта величина может быть на порядок больше. По результатам инженерно-геологического обследования перед реконструкцией карьера «Мир» в 1993 г. было выделено 70 участков, на которых наблюдались деформации уступов. Средний объем осыпей составлял (10...70) м3 на 1000 м бровки уступа. Основное их количество приходится на верхние горизонты южной экспозиции. Осыпание пород происходит, как правило, в конце августа и в сентябре, когда глубина протаивания пород максимальная (северный склон протаивает до 6 м, южный до 2 м).

Борьба с осыпями на карьерах ведется зачисткой предохранительных берм, т.е. осыпавшийся материал сбрасывается на дно карьера и потом вывозится вместе с рудой. Это приводит к значительному (более 3%) разубожива-нию руды и увеличивает транспортные затраты (более чем на 180 млн.руб в год).

Из известных способов повышения устойчивости откосов на карьерах «Мир» и «Удачный» можно назвать применение контурного взрывания и тампонажа уступов. Первый из них незначительно уменьшает объем осыпей, а второй оказался абсолютно неэффективным.

В результате анализа серьезных аварий на карьерах «Мир» и «Удачный» в работе делается вывод о неэффективности традиционных способов укрепления откосов и рассматривается опыт ИГДС СО РАН, когда в 1981 г. на опытном участке горизонта 265 м карьера «Мир» была впервые в мире произведена теплоизоляция многолетнемерзлого уступа карьера. Результаты этого промышленного эксперимента показали перспективность способа, и позволили нам настоять на проведении более серьезных испытаний теплоизоляции.

В 1991 г. силами сотрудников ИГДС СО РАН и Института Мерзлотоведения СО РАН, проведены натурные экспериментальные исследования влияния тепловой защиты на устойчивость откосов карьера «Мир».

Использовался теплоизолирующий материал Рипор-бТН, который имеет хорошие теплофизические свойства (коэффициент теплопроводности 0,05 Вт/(м2-сут.)) и достаточную механическую прочность (предел прочности на растяжение около 1 МПа).

Для проведения экспериментальных исследований использовались бермы горизонта 265 м. Участок работ выбран из-за того, что был подвержен интенсивному выветриванию и разрушению, и представлял опасность для располо-

женного выше участка автомобильного съезда. В пределах экспериментального участка борт карьера сложен переслаивающимися доломитами и известняками глинистого состава, поверхность откоса неровная, со сравнительно большими впадинами и выступами. Угол откоса (75...80)°. Площадь экспериментального участка 600 м2, высота уступа 28 м. Схема экспериментального участка приведен на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального участка.

Отмечены номера термометрических скважин

Перед нанесением теплоизоляции на откос навешивалась металлическая сетка, которая служила армирующим материалом для вспененных пластмасс.

Замеры температуры велись в трех наблюдательных скважинах глубиной 12 м (схема их расположения также приведена на рис. 1) с сентября 1991 по сентябрь 1994 гг. В скважины установили термодатчики на глубинах 0, 1,2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 м. Скважины № 1 и 2 были расположены посредине теплоизолированного участка. Первая на расстоянии 2 м от бермы, а вторая - 4 м на границе горизонтальной теплоизоляции, которая была расположена на берме. Скважина № 3 считалась контрольной, она была расположена на расстоянии 12 м от теплоизолированного участка на расстоянии 2 м от бермы и измеряла температуру не теплоизолированной горной породы.

На рис. 2 приведен пример результата эксперимента.

Общие результаты промышленного эксперимента можно сформулировать следующим образом:

1. При наличии теплоизоляции глубина протаивания на берме не превышает 3 м, то есть уменьшается в 2 раза, а температура пород по всей линии откоса на глубине 2 м имеет устойчивые отрицательные значения (-0,9°С в летнее время).

2. Без тепловой защиты глубина протаивания на берме достигает б м, а температура пород по всей линии откоса на глубине 2 м приближается к нулю. Такую ситуацию следует отнести к критической, так как возникают предпосылки обрушения пород, и наиболее опасна верхняя часть откоса.

Скважина № 1

Глубина, м

Рис. 2. Зависимость температуры от глубины.

Центр теплоизолированного участка

3. Анализ распределения температурного поля по скважинам показывает, что теплоизоляция не пропускает не только тепло летом, но и холод в зимнее время, что является сдерживающим фактором при создании теплозащитных покрытий из вспененных пластмасс на значительных площадях.

4. Важной характеристикой, с точки зрения длительной устойчивости откосов в условиях Крайнего Севера, является сезонный нагрев и охлаждение горных пород, непосредственно влияющий на криогенные процессы и физическое выветривание. Наличие теплоизоляции уменьшает перепад температур на поверхности в 6-7 раз. Характерным является то, что для контрольной скважины годовые хода температуры на глубине 1 м имеют размахи от -8,2 до +6°С, на глубине 2 м - от -б до 0°С, и только на глубине 3-4 м температура стабилизируется на уровне (-2...-4)°С. Под теплоизоляцией на третий год эксплуатации на глубинах 1.. .4 м температура стабилизируется на уровне (-3,2...-3,8)°С.

5. Видимых разрушений теплоизоляционного покрытия на экспериментальном участке не наблюдается, осыпи отсутствуют, следовательно, прочность покрытия достаточна для условий карьера «Мир» и теплоизоляционный экран создает механическое упрочнение поверхности, исключающим физическое выветривание. Вообще-то, осыпи происходят лавиноподобно, когда слабое воздействие вызывает движение одного какого-нибудь камня, которое «поджигает» движение всей массы осыпи. Пенополиуретан не дает возможности на-

чать процесс лавинообразования и поэтому на экспериментальном участке до сих пор образование осыпей не наблюдается.

Успешное применение тепловой защиты, проведенное на карьере «Мир», обеспечило экспериментальную базу для проведения дальнейших исследований. Были разработаны и реализованы модели теплообмена атмосферного воздуха с горными породами. Решалась плоская задача типа Стефана с учетом:

- зависимости свойств среды от температуры;

- наличия теплоизоляции на части границ, в том числе и переменной толщины;

- солнечной радиации.

Последний фактор является редко учитываемым, но важным, поскольку зависимость интенсивности разрушения поверхности откосов от их экспозиции очевидна и убедительно подтверждается визуальными наблюдениями.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями Б. А. Айзенштата, И. П. Беляевой, Н. И. Быкова, П. Н. Каптерева, К. Я. Кондратьева, М. П. Маноловой, 3. И. Пивоваровой, Т. НЛолубеловой, М. И. Федорова, М. П. Чижевской и др. убедительно доказано, что радиационный баланс склонов существенным образом зависит как от их ориентации по странам света, так и от их крутизны. Однако расчетные зависимости имеются только для горизонтальных и вертикальных поверхностей. Высказываются две гипотезы:

1. Годовые хода среднемесячных температур и интенсивностей радиационного потока синхронны.

2. Влияние солнечной радиации м<эжно учесть введением некой эквивалентной температуры 7],, получаемой из уравнения радиационного баланса

где Тв температура воздуха, 0,'с - интенсивность солнечной радиации на склон заданной крутизны и экспозиции, А - альбедо, ак - коэффициент теплообмена на поверхности. В работе изложена методика расчета величины

В работе последовательно рассмотрены три плоские модели. Первая и вторая модель разработана совместно с кандидатом техн.наук Слепцовым В.И. (Институт Горного дела Севера СО РАН).

Модель для вертикального сечения плоскостью, перпендикулярной склону, составлена для расчетной области на рис. 3. Имеем двумерную задачу типа Стефана: - основное уравнение:

^ сл дх дх ду ду

- условия на границах расчетной области:

ЛСП^а^-Т), Нуа§{(Р)<х<Нуа8{(Р)+Аиз,

МТ)^г=а2(Тп-Т), х=(Н -уШ<р), О<у<низ, дп

ХТ)^-=а(Т„-Т), х=Щу-уШ(р\ Низ<у<Ну,

Л(Т)^ = а(Тп ~П ЯуСЧ № + НУС^ №

Л(Г)^=а3(Тп-Т), х=0, Ну <у<уа дп

с)Т

МТ)— = а,(ТП-Т), НуаЕ(<р)+А61<х<у = 0,

Я(Т)^ = 0, Х = Л;00, 0<у<уоо, дп

= 0, 0<х<хоо, У = Уоо.

дп

- начальное условие: Т(х,у,0)=То, (х,у)еП

где ср и X - коэффициенты объемной теплоемкости и теплопроводности горных пород, £> - скрытая теплота, выделяемая/поглощаемая при фазовом переходе, Ну, (р - высота и угол уступа; - ширина горизонтальной теплоизоляции; Це - высота наклонной теплоизоляции; То - начальная температура горных пород, Ад>А?2 - ширина главной и предохранительной берм; У^ - расстояния, на которых влиянием дневной поверхности можно пренебречь; а- истинный коэффициент теплообмена между породой и наружным воздухом; -приведенные коэффициенты теплообмена между породой и наружным воздухом при наличии горизонтальной и наклонной теплоизоляций, <зг4 — приве-

денные коэффициенты теплообмена между породой и наружным воздухом, учитывающие влияние смежных уступов.

Рис. 3. Расчетная схема для уступа карьера

Если теплоизоляция нанесена полосами вдоль откоса сверху вниз и рассечь откос плоскостью, перпендикулярной его поверхности, то получим расчетную область, представленную на рис. 4.

Плоская модель типа Стефана будет теперь иметь вид, представив слои теплоизоляции как термическое сопротивле-

ние:

{ср + Ьрсод (Г - Г,)) Ц- = А (Л +1- (Л

г аг ах ах ду ау

(х,у)е

дх ае

г)Т

< Л^- = 0,х = с,-а1/2< у<а2/2; ах

г)Т

-Л-^— = 0, у = -а1/2,0<х<с; Эу

Л = 0, ;у = а2 / 2,0 < х < с; Эу

Т(х,у,0) = Т0> (х,у)бП,

где ¿2:{(x,y):0<x<c,-al<y<a2}t

a =1

--при - a, < x < 0,

ixi

ae Ли

-ô— при 0 < jc < a2

1 do

■ +

a - приведенный коэффициент теплообмена атмосферного воздуха с поверхностью; о.е- коэффициент теплообмена атмосферного воздуха с поверхностью; <5- толщина теплоизоляции, Ai - коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции.

Чг j 1т

Рис. 4. Расчетная область для второй модели

На рис. 5. приведен результат расчета для участков, равных по ширине, с толщиной теплоизоляции на левом участке 5 см, а на правом - 10 см. Демонстрируются широкие возможности алгоритма и программы - для I = 184 сут. Обнаружены два фронта протаивания, между которыми - талая зона.

t = 60

t = ¡

t= 136

t= 152

t= 184

-2i- I

t (сут.)

Рис. 5. Динамика температурного поля уступа под теплоизоляцией

Для решения задачи о конструкции теплоизолирующего экрана под водоводами понадобилась вырожденная задача из предыдущей для S2 =0 и а2 —>со. Выяснилось, что из-за особенностей алгоритма этот расчет делается неустойчивым и понадобилась разработка третьей модели для этого случая, когда теплоизоляция моделируется не термическим сопротивлением, а слоем материала с другими теплофизическими характеристиками (рис. 6).

Запишем отдельно модель для теплоизоляции (рис. 6):

= ~S<x<0, 0<y<a, t>0,

at dx áx

ДТ

-Zl~- = a(Tl-T) + Qc(l-A),x = -S, 0 < y < a,

Рис. 6. Расчетная область для третьей модели

и для пород откоса:

оср + =

г ся дх дх ду ду

(х,у)еа, {>О;

-Л^ = А1^,х = 0, 0<у<а; дх дх

-Л^ = а(Т1-Т) + <2с(1-А),х = 0, а<у<а + с2; дх

дТ

Л— = О, х = с1} О < у < а + с2; дх

ду ВТ

Л— = 0, у = а + с2,0<х<с1; ду

Т(х,у,0) = Т0, (х,у)<=&,

где1а:{(х,};):0<л:<с1,0<з;<а+с2})

а- коэффициент теплообмена атмосферного воздуха с поверхностью; д- толщина теплоизоляции, срх и Х\ - коэффициенты теплоемкости и теплопроводности материала теплоизоляции, 0,с - интенсивность солнечной радиации, Т\ -температура воздуха, Т0 - начальная температура массива горных пород.

л л

Пусть расчетная область разбита сетками У/х, IV, и задача распадается на две:

= А Э? Эх дх

срэ—7" = —(¿"т^—), с<х<0,уе

дТх А

-Л——-q, х = 0,уе\Уу ; дх '

,дТ"

дх

= 0, х = с, у е У/у;

Т(х,у,0) = Т0,с<х<0,уе УГу\ срэ={ср + Орсо8{Тх -Т(р))-

1 = \

Ли при 0 < у < а; дх

ав{Тв-Тх) + йс(\-А),при а < у < а +

дТу ? Э Ту

дТу л

-Я—-=0,у=0,хе1¥х; (2)

Эу

дТ А

Л-—=0,у = а+с2,х<=]¥х; ду

Т(х,у,0)=Т0,0<у<а+с2;хе]¥х; ср0=(ср+Ор&$Ту

где верхние индексы х, у означают, что рассматривается распределение температур в данной одномерной задаче.

Для совместного решения этих задач, используется методом суммарной аппроксимации и на каждом временном слое алгоритм имеет следующий вид:

1. Решается задача (2) для всех у из сетки V/ у при начальных данных, полученных с прошлого временного слоя.

2. Решается задача (1) для всех х из сетки * при начальных данных, полученных в пункте 1.

3. Полученное решение есть приближенное решение на данном временном слое. После проверки точности управление передается в пункт 1 (при недостаточной точности) или на следующий временной слой.

Без ограничения общности рассмотрим только решение задачи (1). Строим разностную схему сквозного счета.

Имеем сетку х

Л _

- {Х]\Х]=Х].1 + Й;, %>0,У=1,АГ, Х0=0, Хдг =С;},

и обозначим:

к] =кт +к] 12, Но 12, ~Йя =К!2.. Для у = Уо получаем:

т п{

т йу+1 к)

Т „п -Тоы _ . Т0К —

п N Сры — ,

дляу г = 1 ,м:

= о.,

Т п п]

п N сры--Яд,---,

г Л„

^IвсрЩ)+(1 -9)ср(Т1М), (Ту ~Тф)(Т..+1 -Тф) < О СР!«\ срЩ) , (Ту ~ТфЩ+1 -Тф) > 0;

1 6 , (Ту-Тф)(Ти+1-Тф)<0

о , (Ту -Тф)(Ту+1 -Тф)>0;

¿7+1 =

9 , (т:-те,+1-гф)<о

\Т -Т.

\ У+1

О , (Ту-Тф)(Гт-Тф)>0;

^•+1 -

■ Щ) , Щ

ТфЩ»

Т -Т

0 _ 1 Ф 1 ц

т - т •

д !/ + 1 у

Для повышения точности прогноза температур горных пород уступов карьеров производится адаптация разработанных математических моделей к конкретным условиям г. Мирный. Под «адаптацией» понимается определение параметров математических моделей по фактическим данным измерения температуры.

Рассмотрим, прежде всего, граничные условия на поверхности контакта уступа с атмосферой. Общепринято температурный ход воздуха описывать простой гармонической функцией:

Тв =а,+2>,*5т(с1?+£?1) где а\ и Ь\ - среднегодовая температура и годовая амплитуда температуры воздуха, с\ = 1,72-10"2 1/сут., - фаза годового температурного хода при начале отсчета времени 1 января, рад.

По данным многолетних климатических наблюдений величина <1\ для г.Мирный равна 1,743 рад.

Запишем по аналогии годовой ход интенсивностсй солнечной радиации:

Ос =а2+Ь25т(сг»+с?2);

где а2 и Ь2- среднегодовая интенсивность и годовая амплитуда интенсиности солнечной радиации.

Величина с2 = 2к / 365 = 1,72-10"2 1/сут., а фазу годового хода интенсивностей солнечной радиации найдем, обработав экспериментальные данные А.В.Павлова и Б.А.Оловина в районе г. Мирный. Оказалось, что годовые хода температур и интенсивностей солнечной радиации совпадают и по фазе (полученная величина ¿2 оказалась равной 1,734, что мало отличается от величины с1\).

Для определения других параметров математической модели использовались результаты трехлетних наблюдений за температурой горных

пород на затеплоизолированном экспериментальном участке на карьере «Мир» (рис. 1). По трем наблюдательным скважинам были взяты отсчеты 10 раз по 9 датчикам на скважину, что дает выборку из 270 наблюдений температуры.

Первая математическая модель соответствует середине затеплонзолиро-ванного участка, где температурное поле может полагаться плоским. Обозначим Ггом,,- - температуру в данной точке, полученную измерением, а ГрКЧ>1- - температуру в этой же точке, полученную расчетом, и применим описанный в прил.1 симплексный метод для адаптации математической модели к условиям измерения. Будем полагать неопределенными следующие параметры модели: а- истинный коэффициент теплообмена между породой и наружным воздухом, срх>н и Ат,м - коэффициенты объемной теплоемкости и теплопроводности горных пород в талом и мерзлом состоянии. Примем начальные значения и шаги для этих величин согласно табл. 1.

Таблица 1

Начальные значения, шаги и результирующие значения __для параметров математической модели_

а, Вт/(м*К) СРх, Втсуг/(м3К) сРю Вт суг/(м К) Яг, Вт/(м К) ;.м,вт/(мк)

Хю 8 22 20 2,1 2,3

Ахю 0,5 1 1 0,1 0,1

Результат адаптации 9,55 22,70 20,83 2,16 2,32

Будем минимизировать среднеквадратическое отклонение измеренных и рассчитанных величин. Точность задавалась 0,01 от единицы измерения величины. Результаты адаптации приведены в последней строке табл.1. СКО измеренных и рассчитанных температур при этих значениях оказалось равным 0,12°С.

Сравнение результатов вычислительного эксперимента по первой математической модели с применением полученных параметров для скважины 1 иллюстрируется рис. 7 для глубин 2,3 и 4 м.

Сравнение результатов, полученных по второй и третьей математическим моделям, с измеренными температурами с использованием параметров из табл. 1 приведено в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Сравнение температур измеренных и рассчитанных по второй модели

Скважина Температура, °С

Измеренная Расчетная

Мах Мт Мах Мт

1 -3,7 -4Д -3,8 -4

2 -2,8 -3 -2,7 -3,1

3 -2,8 -4 -2,5 -4,2

Температура, град.С

т; Ш

СП

X 0>

■

Температура, град.С

х и

149 2

О §

ю X !»

-2,8 "2,8 -3,7 Мах | £ ¡5 то

1 со * Мт | (9 Я Я г Н а ^ а Й » О О

-2,5 | -2,85 1 -3,85 | Мах | Расчетная |

-4,2 -3,15 -3,95 Мт |

£ р га

Ч р

& К

и и

В и)

я о ч <0 К а

тз

8 и 2 г» •а а

ер И Я 13

8 о

и о

сг

о »

¡2 о Й о ы 5

Рассмотрение всех этих результатов позволяет утверждать, что после адаптации математических моделей прогноз температурных полей откосов глубоких алмазодобывающих карьеров может производиться с точностью до долей градуса. Предположения, сделанные при формулировании математических моделей, сравнением с экспериментальными данными подтверждаются.

При проведении реконструкции карьера «Мир» (разнесение бортов после принятия решения о продолжении открытых работ за глубину 450 м) в 1989-95 гг. чаша его оказалась затопленной рассолами. Объем жидкости, подлежащей откачке, оценивался величиной 5 млн.м3. В 2 км от карьера было разведано подземное гидрохранилище, и организована откачка рассолов по системе трубопроводов, которые были расположены на откосах северо-восточного склона карьера. Каждые три месяца система водооткачки приходила в аварийное состояние, ремонт занимал полтора-два месяца. За время ремонта, пока рассолы не откачивались, объем их в чаше карьера восстанавливался. Другие способы удалить рассолы из карьера (например, вывоз большегрузными автосамосвалами) оказались неэффективными. Было решено применить теплоизоляцию откосов под водоводами. Многовариантный вычислительный эксперимент по третьей модели позволил дать следующие рекомендации по параметрам теплоизолирующего экрана.

На каждом из восьми уступов, по которым проложен водовод было рекомендовано создать теплоизолирующие экраны из пенополиуретана типа «Ри-пор-Н» с коэффициентом теплопроводности не больше 0.05 Вт/(м2 К) толщиной 0,15 м. Размеры экрана на склоне уступа: ширина б м, высота равна двум третям высоты уступа. На каждой берме теплоизолирующий экран должен иметь размеры 6 на 6 м, толщиной 0,1 м. Общая площадь Э1фана равна 1500 м2.

Эта работа была выполнена при помощи крана «Като», оборудованного подвесной люлькой, на которой находился смеситель-подогреватель компонентов и оператор, наносящий пенополиуретан при помощи пистолета-распылителя.

В настоящее время карьер благополучно отработан до глубины 550 м. Подсчитано, что предотвращение ущерба дало экономический эффект порядка 800 млн. руб.

Теплоизолирующие экраны целы до сих пор, покрытые ими участки уступов разрушению не подвергаются. На некоторых откосах их часть, покрытая теплоизоляцией, выступает из склона на величину до 1,5 м.

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 процессами теплообмена в многолетнемерзлых откосах глубоких карьеров, имеющие существенное значение для алмазодобывающей промышленности.

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

1. Установлено, что теплоизоляция экранами из пенополиуретана Рипор-бТН уступов глубоких карьеров, расположенных в многолетней мерзлоте, уменьшает перепад температур на поверхности откоса в 6-7 раз, в результате существенно уменьшается интенсивность криогенных процессов поверхностного выветривания, а при оптимальном выборе параметров теплоизоляционных экранов поверхностное разрушение уступов с образованием осыпей полностью прекращается.

2. Разработаны и реализованы модели теплообмена атмосферного воздуха с поверхностью уступов карьеров в постановке типа Стефана с учетом экспозиции уступа (солнечной радиации).

3. Промышленный эксперимент, проведенный на откосе карьера «Мир», дал возможность адаптировать модели к условиям карьера, что значительно увеличило точность прогноза температурного поля откоса. В результате адаптации были уточнены коэффициенты теплоемкости, теплопроводности, коэффициент теплообмена поверхности откоса с атмосферным воздухом.

4. Установлена синхронность годовых ходов среднемесячных температур и интенсивностей солнечной радиации для района г. Мирный (разность фаз составила 0,009 рад, то есть менее суток).

5. Разработана в виде справочной таблицы инженерная методика назначения параметров теплоизолирующих экранов в зависимости от экспозиции склона, места расположения карьера. При высоте уступа не превышающей 40 м, оптимальный размер теплоизоляционных экранов равен двум третям высоты по откосу и 6 м по горизонтальной поверхности бермы.

6. Разработана конструкция теплоизолирующего экрана для водооткачивающей системы карьера «Мир». Экран площадью 1500 м2 был изготовлен и позволил откачать скопившиеся в чаше карьера рассолы объемом 5 мян.м3. Это позволило отработать подкарьерные запасы в отметках -450...-550 м открытым способом.

Основные результаты диссертации опубликованы:

1. Изаксон М. В. The Thermoinsulation of Slopes under Pipe Line on Deep Diamond Openpit "Mir" /Изаксон В.ЮУ/ Тр.межд.конф. «Соврл-еомех.методы в горн.пром...».-Несебыр: Болгария,, 9-13 июня, 2003. С.263-268

2. Изаксон М. В. Опыт повышения и теория расчета устойчивости уступов глубоких алмазодобывающих карьеров вспененными полиуретанами// Межд.научн.-пракгач.конф. «Мирный-2001» (тезисы докладов). - Мирный:, 2001. С.49-50

3. Изаксон М. В. Опыт повышения устойчивости уступов вспененными полиуретанами/Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений/ В. Ю. Изаксон, М. В. Изаксон // Тр. Межд. научно-пр. конф. «Мирный-2001». - М.:, Изд.дом «Руда и металлы», 2002. С.52-58

4. Изаксон М. В. Теплоизоляция уступа карьера «Мир» под водоводами./ Н. П. Крамсков, В. Ю. Изаксон, М. В. Изаксон // Математические заметки ЯГУ, т. 10, вып. 1.-Якутск: ЯГУ, 2003. С. 147-153.

5. Изаксон М. В. Математическое моделирование процессов теплообмена при тепловой защите откосов карьера «Мир» с учетом влияния лучистой энергии Солнца./ М. В. Изаксон, Б. Л. Герике //Препринт №18/2005, ИУУ СО РАН, 2005.-16 с.

6. Изаксон М. В. Адаптация математических моделей теплообмена при тепловой защите откосов к условиям карьера «Мир»./ М. В. Изаксон, Б. Л. Герике //Препринт №19/2005, ИУУ СО РАН, 2006.-15 с.

7. Изаксон М. В. Математическое моделирование теплообмена на откосах карьера «Мир» с учетом солнечной радиации и теплоизоляции./ М. В. Изаксон, Б. Л. Герике // Вестник КузГТУ, № 5.- Кемерово: 2006. - С. 63-64

Подписано в печать 27.10.2006. Формат 60х84'/1б. Объем 1,0 усл.печ.л. Тираж 100 экз. Редакционно-издательский отдел Института угля и углехимии СО РАН 650610, Кемерово, ГСП-610, ул. Рукавишникова, 21. Тел 210-500

го&А

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Изаксон, Максим Всеволодович

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

6. Разработана конструкция теплоизолирующего экрана для л водооткачивающей системы карьера «Мир». Экран площадью 1500 м был изготовлен и позволил откачать скопившиеся в чаше карьера рассолы объемом 5 млн.м . Это позволило отработать подкарьерные запасы в отметках -450.-550 м открытым способом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Изаксон, Максим Всеволодович, Кемерово

1. Валуев Е.П. Особенности устойчивости бортов глубоких карьеров в многолетнемерзлых породах/ Е.П.Валуев, Г.Р.Глозман// Горн. Журн, № 7.-1988.-С. 45-46.

2. Ершов Э.Д. Термоэрозия дисперсных пород/ Э.Д.Ершов и др.// Изд-во Моск. ун-та.- М.: 1982.-192 с.

3. Кинко Э.Я. Создание противофильтрациоиных завес в условиях многолетней мерзлоты/ Э.Я.Кинко, В.А.Лагунов, Г.С.Левчинский и др.// Шахт, стр-во. 1985, № 7.- С. 12-13.

4. Кинко Э.Я. Гидроизоляция горных выработок кимберлитовых месторождений тампонажными завесами/ Э.Я.Кинко, Ю.А.Полозов В.А.Лагунов и др.// Шахт.стр-во, № 8.-1984.- С. 26.

5. Кинко Э.Я. Методики определения продолжительности промерзания тампонажной завесы в условиях долговременной мерзлоты/ Э.Я.Кинко, Ю.А.Полозов, Н.Л.Быков и др.// Шахт.стр-во, № 12.- 1987.- С. 5-6.

6. Глозман Г.Р. Устойчивость бортов карьеров в условиях многолетней мерзлоты/ Г.Р.Глозман, И.И.Ерминов, Ю.И.Печенин//Недра.- М:, 1975.- 53 с.

7. Глозман Г.Р. Исследование деформаций откосов уступов, сложенных многолетнемерзлыми породами и меры по их предотвращению.-Автореф.дисс.канд. техн.наук.-Л,: ВНИМИ. 1968.- 26 с.

8. Глозман Г.Р. О методах укрепления откосов в условиях многолетней мерзлоты/ Г.Р.Глозман, И.П.Ефремов, Ю.В.Виноградов и др.//Тр. ВНИМИ, № 72.-Л.: 1969.-С. 72-75.

9. Глозман Г.Р. Опыт заоткоски уступов карьеров с применением контурного взрывания в услових вечной мерзлоты // Колыма, № 8.- 1979.- С. 15-17.

10. Валуев Е.П. Укрепительные работы на ослабленных участках карьера кимберлитовой трубки «Мир»/ Е.П.Валуев, А.А.Грохомский, Б.А.Казанцев// Колыма, № 10. 1987.- С. 9-11.

11. Шургин Б.В. Тепловая защита откосов карьеров Севера//БНТИ. Якутск:1981.- С. 14-17.

12. Шмонин И.Б. Определение плоскости скольжения оползня в многолетнемерзлых породах геофизическими методами//Горн. журн., №7.-1988.-С. 43-44.

13. Изаксон В.Ю. Вопросы устойчивости обнажений многолетнемерзлых пород/ В.Ю.Изаксон, А.В.Самохин, Е.Е.Петров, В.И.Слепцов// ВО Наука.-Новосибирск: 1994.-164 с.

14. Самарский A.A. Теория разностных схем// «Наука»,- М.: 1977- 656 с.

15. Изакон В.Ю. Численные методы прогнозирования и регулирования теплового режима горных пород области многолетней мерзлоты/ В.Ю.Изаксон, Е.Е.Петров//ЯФ СО АН СССР.- Якутск: 1986.- 95 с.

16. Васильев В.И. Численное интегрирование дифференциальных уравнений с нелокальными граничными условиями// Изд-во ЯГУ.- Якутск: 1985.- 160 с.

17. Изаксон В.Ю Математическое моделирование процесса теплообмена уступа карьера в вечномерзлых породах/ В.Ю.Изаксон, Т.Н.Полубелова, В.И.Слепцов// ФТПРПИ, N 3, 1996.- С.26-38.

18. Кондратьев К.Я. Радиационный баланс склонов/ К.Я.Кондратьев, М.П.Манолова// Вестн. ЛГУ. Сер. физ. и хим., №10, вып. 2.-1958.- С. 43-70.

19. Айзенштат Б.А. Некоторые черты радиационного режима, теплового баланса и микроклимата горного перевала// Метеорология и гидрология, №3.1962.- С. 27-32.

20. Чижевская М.П. Радиационный и термический режим различно ориентированных склонов в условиях холмистого рельефа Ленинградской области //Тр.ГГО, Вып.91.- 1960.- С. 71-84.

21. Беляева И.П. Годовой ход суммарной радиации на наклонные поверхности //Изв. АН УзССР. Сер. физ.-мат. Наук, №5.- 1961.- С. 38-45.

22. Беляева И.П. Потоки отраженной и рассеянной радиации на склоны // Тр. ГГО, Вып. 107.-1961.-С. 105-111.

23. Быков Н.И. Вечная мерзлота и строительство на ней/ Н.И.Быков,

24. П.Н.Каптерев// Госжелдориздат.- М.: 1940.- 176 с.

25. Кондратьев К.Я. М.И. Радиационный режим наклонных поверхностей/ К.Я.Кондратьев, З.И.Пивоварова, М.И.Федорова// Гидрометеоиздат.-Л.: 1982.215 с.

26. Перльштейн Г.З. К расчетному определению температуры поверхности горных пород/Г.З.Перльштейн, Т.Ф.Стафеев//Колыма, №4.- 1971.- С. 15-18.

27. Павлов A.B. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей/ А.В.Павлов, Б.А.Оловин// Наука, Сиб.отд.-Новосибирск: 1974.- 182 с.

28. Кудрявцев К.А. Температура верхних горизонтов вечномерзлой толщи в пределах СССР// Изд-во АН СССР.- 1954.- 182 с.

29. Павлов A.B. Расчетный способ определения радиационного баланса по суммарной радиации и альбедо// Изв. АН СССР, Сер.геогр., Вып. 12.- 1962.-С.94-100.

30. Павлов A.B. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей/ А.В.Павлов, Б.А.Оловин// Наука. Сиб. отд-ние.-Новосибирск: 1974.- 184 с.

31. Павлов A.B. Теплосбмен почвы с атмосферой в северных н умеренных широтах территории СССР// Якут. кн. изд-во.- Якутск:, 1975.- 304 с.

32. Павлов A.B. Расчет и регулирование мерзлотного режима почвы// Наука. Сиб. отд.- Новосибирск: 1980.- 240 с.

33. Матвеев J1.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы// Гидрометеоиздат.- JL: 1984.- 639 с.

34. Самохин A.B. Тепловая защита мерзлых обнажений от протаивания при открытой разработке месторождений Якутии/ А.В.Самохин, В.И.Слепцов. Т.А. Вычужин и др.- Якутск: 1994- 44 с. (Препринт ЯНЦ СО РАН).

35. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности/ Под ред. В.А.Кондратьева// Гидрометеоиздат.- JI: 1969.- 564 с.

36. Радиоционный режим территории СССР //Е.П. Барашкова, B.JI. Гаевский,

37. Л.Н.Дьяченко и др.// Гидрометеоиздат.- JI: 1961.-527 с.

38. Ambrosetti P., Thams J. Die Grosse des Globalstrahlung verschieden orientierten flachen/ P.Ambrosetti, J.Thams // Geofys. purae appl., Vol. 26.- 1953.- p.198-210.

39. Изаксон M. В. Опыт повышения и теория расчета устойчивости уступов глубоких алмазодобывающих карьеров вспененными полиуретанами/ М. В. Изаксон, В.Ю. Изаксон// Межд.научн.-практич.конф. «Мирный-2001» (тезисы докладов). Мирный:, 2001. С.49-50

40. Изаксон М. В. Математическое моделирование процессов теплообмена при тепловой защите откосов карьера «Мир» с учетом влияния лучистой энергии Солнца./ М. В. Изаксон, Б. JI. Герике //Препринт №18/2005, ИУУ СО РАН, 2005.-16 с.

41. Изаксон М. В. Математическое моделирование теплообмена на откосах карьера «Мир» с учетом солнечной радиации и теплоизоляции./ М. В. Изаксон, Б. JI. Герике // Вестник КузГТУ, № 5 Кемерово: 2006. - С. 63-64

42. Изаксон М. В. The Thermoinsulation of Slopes under Pipe Line on Deep Diamond Openpit "Mir"//Тр.межд.конф. «Совр.геомех.методы в горн.пром.».-Несебыр: Болгария,, 9-13 июня, 2003. С.263-268

43. Изаксон М. В. Теплоизоляция уступа карьера «Мир» под водоводами./ М. В. Изаксон, Н. П. Крамсков, В. Ю. Изаксон // Математические заметки ЯГУ, т. 10, вып. 1.-Якутск: ЯГУ, 2003.- С. 147-153.

44. Изаксон М. В. Адаптация математических моделей теплообмена при тепловой защите откосов к условиям карьера «Мир»/ М. В. Изаксон, Б. Л. Герике //Препринт № 19/2005, ИУУ СО РАН, 2006.-15 с.

Информация о работе

Изаксон, Максим Всеволодович
кандидата технических наук
Кемерово, 2006
ВАК 25.00.20

Диссертация

Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы