2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КОМБАЙНОВОЙ ВЫЕМКИ СИЛЬВИНИТОВЫХ ПЛАСТОВ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

А.И. Секунцов

Научный руководитель – д-р техн. наук В.А. Соловьев Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Рассмотрены процессы оптимизации параметров подземной геотехнологии при разработке калийных пластов. Проведен анализ основных факторов, влияющих на величину эксплуатационной производительности комбайновых комплексов.

Ключевые слова: Верхнекамское месторождение калийных солей, комбайновые комплексы, производительность, длина очистной камеры, непрерывный транспорт.

С внедрением с начала 1970-х гг. комбайнового способа выемки пластов проведена масса исследований по определению рациональных параметров комбайновых технологий и разработке способов вскрытия, подготовки и отработки запасов в различных условиях.

Несмотря на обширный накопленный опыт на месторождении, комбайновая технология выемки не претерпела существенных изменений за последние десятилетия, за исключением внедрения более мощного оборудования, к тому же подход к организации добычных работ остался прежним. Таким образом, повышающийся спрос на калийные удобрения обеспечивается не за счет эффективного использования очистных комплексов, а благодаря увеличению количества действующих очистных забоев.

Промышленное освоение ВКМКС характеризуется сложностью и разнообразием горно-геологических и горнотехнических условий. Такие условия ставят важные для практики ведения горных работ задачи по разработке схем вскрытия, подготовки и отработки выемочных участков высокопроизводительными комбайновыми комплексами.

Разработка технологии высокопроизводительной комбайновой выемки пластов ВКМКС должна сопровождаться решением ряда тесно связанных задач.

Основными путями повышения темпов проходки подготовительных выработок на сегодняшнем этапе развития техники и технологии определены:

–расположение вскрывающих и подготовительных выработок преимущественно в сильвинитовых пластах;

–повышение производительности комбайнового комплекса за счет сокращения расстояния транспортировки самоходным вагоном горной массы из проходческого забоя.

Для обеспечения обозначенных положений разработана концепция ускоренной проходки выработок комбайновыми комплексами в следующем составе: комбайн, бункер-перегружатель, самоходный вагон, механизированный перегружатель и раздвижной ленточный конвейер [1]. Положения ускоренной проходки выработок явились исходными данными для проектирования вскры-

411

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

тия юго-восточной части шахтного поля рудника Второго Соликамского рудоуправления ОАО «Уралкалий».

Следующим шагом в ряду мероприятий, обеспечивающих высокопроизводительное функционирование очистных забоев, стала разработка и обоснование типовых схем пластовой подготовки выемочных блоков [2]. Предложенные способы пластовой подготовки блоков позволяют в 2–3 раза сократить сроки подготовки выемочного блока к очистной выемке. Результаты исследований заложены в основу проекта опытно-промышленных работ с последовательной схемой отработки запасов на участке шахтного поля рудника Четвертого Березниковского калийного рудоуправления ОАО «Уралкалий».

Для разработки принципов современной высокопроизводительной технологии комбайновой выемки пластов ВКМКС были проведены массовые хронометражные наблюдения за работой комбайновых комплексов, в результате которых установлена их неэффективная работа.

Полученные данные позволили откорректировать применяемую при расчетах методику определения производительности комбайновых комплексов [3]. Расчет производительности свелся к дискретизации отрабатываемой камеры на участки, в пределах которых реализуется принцип цикличности, т.е. совокупность повторяющихся операций в течение одинакового промежутка времени, за который забой подвигается на одинаковую величину.

Эксплуатационная производительность при отработке камеры может быть представлена в виде

пасы в отрабатываемой камере, т; Тк – продолжительность отработки очистной

камеры, смен.

Зависимости эксплуатационной производительности при отработке камеры, приведенные на рис. 1, характеризуют текущую ситуацию на рудниках ВКМКС относительно потенциала применяемых комбайновых технологий.

Рис. 1. Зависимости изменения сменной производительности комбайнового комплекса Zк/Тк от длины камеры Lк при одноходовой выемке

412

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

Прирост эксплуатационной производительности комбайнового комплекса за счет применения крупногабаритного оборудования БПС-25 и ВС-30 (30 т) при отработке одноходовой камеры длиной 200 м должен составить 50–60 %. Однако наблюдается снижение эксплуатационной производительности на 15–20 % из-за низкой фактической загруженности комбайна на 70 % и малого использования во времени 27 % смены [4].

Другим фактором, существенно влияющим на величину эксплуатационной производительности комбайнового комплекса, является длина очистной камеры.

Для определения оптимальной длины отрабатываемой очистной камеры проведен анализ, учитывающий основные технологические параметры при применении различных комбайновых комплексов:

где max QЭ – максимальная эксплуатационная производительность комбайнового комплекса, т/смену; Тб – время отработки блока, смен; Пмбц – потери в междублоковых целиках, тыс. т; Vц – объем подготовки в блоке, тыс. м3.

Как правило, зависимости эксплуатационной производительности не демонстрируют ярко выраженных максимумов (рис. 2).

Рис. 2. К определению оптимальных длин камер для комбайновых комплексов различного состава

Максимальная производительность может соответствовать диапазону значений

где k – коэффициент, определяющий допустимый разброс максимальных значений производительности, определяемый графически для конкретной исследуемой горнотехнической ситуации.

413

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Врамках определенного диапазона конкретное значение длины камеры должно определяться исходя из горно-геологических и горнотехнических условий. Например, в условиях слабоустойчивых пород фактор времени отработки играет решающую роль в обеспечении безопасности горнорабочих, соотвественно, длину камеры следует уменьшать 2'→1'. С другой стороны, по потерям и объему подготовки наибольшая эффективность достигается при увеличении длины камеры 3'→4' и 5'→6'.

Врезультате реализации выданных рекомендаций по планированию и организации горных работ с 2011 по 2014 г. в соответствии с проектом мощность рудника увеличилась с 11,2 до 16,8 млн т/год, чему способствовало повышение производственной мощности обогатительной фабрики, благодаря чему возросло время работы комбайновых комплексов, численность которых сократилась с 42 до 35, при значительном росте их производительности на 40–57 %. Например, эксплуатационная производительность комбайновых комплексов «Урал-20Р», БПС-25, ВС-30 возросла

с35 до 55 тыс. т/мес. (на 57 %).

Список литературы

1.Раздвижной ленточный конвейер – основа создания новых технологий разработки калийных пластов Верхнекамского месторождения калийных солей / Е.К. Котляр, В.А. Соловьев, Д.Н. Алыменко, А.И. Секунцов // Горная промышлен-

ность. – 2014. – № 1 (113).

2.Пластовая подготовка выемочных блоков при разработке Верхнекамского месторождения калийных солей / В.А. Соловьев, А.И. Секунцов, М.В. Скопинов //

ГИАБ. – 2014. – № 4.

3.Соловьев В.А., Секунцов А.И. Разработка калийных месторождений: практикум. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 265 с.

4.Секунцов А.И. Пути совершенствования комбайновой технологии разработки Верхнекамского калийного месторождения // Изв. вузов. Горный журнал. –

2013. – № 2. – С. 23–28.

414

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ВЛИЯНИЕ СУТОЧНЫХ И СЕЗОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА

НА МИКРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА В ПОДЗЕМНЫХ РАБОЧИХ ЗОНАХ ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ

Е.А. Селеткова

Научный руководитель – канд. техн. наук А.В. Зайцев Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Представлены результаты исследований влияния сезонных и суточных колебаний температуры воздуха на поверхности на микроклиматические параметры в подземных рабочих зонах глубоких рудников. Приведена математическая модель термодинамических процессов. Для исследования выполнен численный эксперимент, включающий серию расчетов с разными амплитудами суточных и сезонных колебаний температуры воздуха на поверхности. Приведена графическая зависимость микроклиматических параметров воздуха рабочей зоны в зависимости от колебаний его температуры на поверхности.

Ключевые слова: сеть горных выработок, микроклимат, тепловой режим, нестационарный теплообмен, суточные колебания температур, сезонные колебания температур, породный массив, математическое моделирование, воздухораспределение.

Введение. Особенностью разработки месторождений полезных ископаемых является высокая амплитуда колебаний суточной и сезонной температур воздуха на поверхности [1].

Экспериментальные данные [2–5] свидетельствуют о том, что в зависимости от сезона микроклиматические параметры в рабочих зонах рудников существенно меняются. Колебания температуры на поверхности могут негативно сказаться на регламентируемой правилами безопасности максимальной (26 °С) температуре в подготовительных, очистных и других действующих выработках [6].

По данной причине актуальным является исследование влияния колебания суточной и сезонной температур на микроклиматические условия в глубоких рудниках.

Целью данной работы является изучение влияния сезонных и суточных колебаний температуры на поверхности на нестационарное температурное поле

врабочих зонах глубоких рудников, расположенных в районе вечной мерзлоты. Построение математической модели. Вентиляционная сеть представляется

ввиде графа, состоящего из 13 ветвей (рис. 1). Ветвь представляет собой модельное упрощение одной или нескольких реальных горных выработок.

Рассматриваемая модельная вентиляционная сеть имеет два ствола, два горизонта, расположенных на глубине 1000 и 1300 м соответственно. Диаметр стволов равен 50 м2, а выработок рабочей зоны – 15 м2. Температура в выработках верхнего горизонта – 24 °С, нижнего горизонта – 30 °С. Аэродинамическое сопротивление изменяется в пределах от 0,001 до 0,005 м2. На каждом горизонте располагается рабочая зона, длина которой достигает 700 м. В сети установлен идеальный вентилятор, напор которого составляет 1750 Па.

415

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Рис. 1. Вентиляционная сеть

При моделировании процессов массо- и теплопереноса в воздухе принимается ряд гипотез:

1.Течение воздуха в вентиляционной сети считается одномерным.

2.Течение воздуха всюду турбулизировано и описывается с помощью эмпирической формулы Дарси – Вейсбаха [5].

3.Воздух описывается уравнением состояния совершенного газа (Менделеева – Клайперона) [2].

4.Рассматривается только конвективный теплоперенос в рудничном воздухе.

5.Реальный гетерогенный, многофазный и анизотропный массив заменяется квазигомогенной сплошной средой, всюду однородной и изотропной.

6.Теплообмен между массивами, примыкающими к различным выработкам напрямую, не рассматривается.

Данная задача с учетом принимаемых гипотез и упрощений описывается системой уравнений.

В каждой ветви № i для воздуха решается линейное уравнение тепловой конвекции с источником

416

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

Для теплообмена между горным массивом и рудничным воздухом задается граничное условие IV рода

где cv – удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме; ρ – плотность; qwall – тепло от теплообмена со стенкой массива; qhS – источник тепла техногенного характера (пожар, работа дизельного оборудования); Qi – расход в i-й ветви;

Ti – температура в i-й ветви; λ – теплопроводность горного массива; r и z – радиальная и осевая координаты – температура воздуха и массива соответственно; Tatm – температура на земной поверхности [5, 6].

Данная система уравнений была дискретизована с помощью метода конечных разностей. Для определения расходов воздуха в рудничной вентиляционной сети использовался метод контурных расходов, для определения температур в рудничной вентиляционной сети – метод конечных разностей, схема с разностями против потока первого порядка. Для определения температур в породном массиве использовался метод конечных разностей, схема ВВЦП.

Численный расчет. Было проведено несколько расчетов, в которых амплитуда суточных колебаний составляла 2, 4, 6, 8 и 10 °С. Наблюдение температуры осуществлялось в двух рабочих зонах в случае сопряженного (с учетом влияния породного массива) и в случае несопряженного (без учета влияния породного массива) теплообмена с породным массивом. Пример графика представлен на рис. 2, где Арз1 – амплитуды отклика на суточные колебания в рабочей зоне верхнего горизонта, Арз2 – амплитуда отклика на суточные колебания в рабочей зоне нижнего горизонта. Амплитуды отклика на суточные колебания очень малы и не оказывают значительного влияния на изменение температуры.

Рис. 2. График амплитуды отклика на суточные колебания воздуха при сопряженном теплообмене с массивом

По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:

♦ Амплитуда отклика на сезонные и суточные колебания в случае сопряженного теплообмена с горным массивом больше, чем в случае несопряженного

417

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

теплообмена, вследствие того, что при сопряженном теплообмене на температуру рудничного воздуха оказывает влияние горный массив, окружающий выработку.

♦По мере возрастания амплитуды суточных колебаний амплитуда отклика температуры в рабочих зонах увеличивается по нелинейному закону.

♦В рабочей зоне верхнего горизонта численные значения амплитуды отклика на сезонные и суточные колебания выше, чем в рабочей зоне нижнего горизонта, вследствие того, что путь до нижнего горизонта больше и амплитуда колебаний уменьшается по мере увеличения расстояния от поверхности до очистного забоя.

Список литературы

1.Воропаев А.Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород

вглубоких шахтах. – М., 1966. – 252 с.

2.Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. –

М.: Недра, 1968. – 256 с.

3.Щербань А.Н., Кремнев О.А., Журавленко В.Я. Руководство по регулированиютепловогорежима шахт. – 3-е изд., перераб. идоп. – М.: Недра, 1977. – 359 с.

4. Дядькин Ю.Д. Борьба с высокими температурами в глубоких шахтах

ирудниках. – М.: Углетехиздат, 1957. – 80 с.

5.Дуганов Г.В., Баратов Э.И. Тепловой режим рудников. – М.: Госгортехиз-

дат, 1963. – 144 с.

6.ПБ 03-553–03. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом.

418

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА УЧАСТКЕ СОПРЯЖЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО КАНАЛА СО СТВОЛОМ

М.А. Семин

Научный руководитель – д-р техн. наук Л.Ю. Левин Горный институт Уральского отделения Российской академии наук

Исследуется распределение воздушных потоков на участке сопряжения вентиляционных стволов с каналом главной вентиляторной установки, определяется зависимость перепада давления на сопряжении от геометрических параметров сопряжения и режима проветривания. Строится методика проведения численного трехмерного моделирования, производится серия численных расчетов в программ- но-вычислительном комплексе ANSYS.

Ключевые слова: вентиляция, вентиляционный ствол, канал ГВУ, местные сопротивления, компьютерное моделирование, ANSYS, вычислительная гидродинамика, турбулентность, модель k-epsilon.

Введение. Особенности физических закономерностей турбулентного режима течения и большие расходы воздуха, протекающего через канал главной вентиляторной установки (далее – канал ГВУ), предъявляют требование к сопряжению каналов ГВУ и вентиляционных стволов иметь геометрическую форму, удовлетворяющую элементарным правилам аэродинамики: отсутствие острых кромок на поворотах, внезапных расширений и сужений, стоек посередине канала [1, 2]. Как показывает практика, на рудниках часто можно встретить узкие каналы, с несколькими поворотами, без плавного сопряжения со стволом рудника. Сопротивление таких каналов достигает больших значений, порядка нескольких сот мюргов [1, 3] (рис. 1).

Доля депрессии на вентиляционном канале ГВУ, вызванная в первую очередь вихревым движением воздуха после прохождения сопряжения, варьируется в широком диапазоне – от 6,5 до 29 %, что говорит о различном качестве проектирования сопряжения вентиляционного ствола с каналом ГВУ. В силу особенностей аэродинамики турбулентных вихрей в зоне сопряжения вентиляционного ствола и канала соответствие качества проектирования геометрии сопряжения требованиям конкретного рудника (производительность ГВУ, депрессия ГВУ, форма и размер сечения вентиляционного ствола) оказывает ощутимое влияние на общешахтную депрессию.

Данная работа посвящена исследованию особенностей распределения воздушных потоков в области сопряжения вентиляционного ствола с каналом ГВУ.

Методика проведения исследования. В рамках данного исследования ре-

шается задача об оптимизации формы сопряжения вентиляционного ствола с каналом ГВУ для проектной документации рудника Половодовского калийного комбината. Рассматривается отдельно взятая область сопряжения канала ГВУ и вентиляционного ствола. Выбор такой расчетной области обусловлен жесткими требованиями, накладываемыми на граничные условия, особенности числен-

419

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ных схем против потока [4] в рамках метода конечных объемов [5], а также желанием исследовать физические процессы, обусловливающие местные аэродинамические сопротивления в зоне сопряжения в чистом виде.

Расчетная геометрия схематично представлена на рис. 2.

Рис. 1. Доля депрессии вентиляционного канала от депрессии на вентиляционной сети в целом для различных вентиляционных стволов: стволы ЮЗВС, СВС и ЮВС рудника «Комсомольский», ствол ВС-9 шахты «Скалистая» ОАО «ГМК «Норильский никель», вентиляционные стволы (ВС) рудников РУ-3 и РУ-1 ОАО «Беларульскалий», вентиляционный ствол (ВС) рудника СКРУ-1 ОАО «Уралкалий»

Рис. 2. Расчетная геометрия

420