книги из ГПНТБ / Вскрытие и разработка рудных месторождений на больших глубинах докт. техн. наук, проф. Г. М. Малахов, инж. А. П. Черноус. 1960- 19 Мб

Продолжение табл. 7

х.

На величину геотермической ступени, кроме теплопроводно­ сти горных пород, оказывает также влияние, вызывая темпера­ турные аномалии, много других факторов. На каждом отдель­ ном участке обычно сказывается влияние нескольких причин, вызывающих изменение геотермического режима, ввиду чего общая картина распределения температуры пород значительно усложняется.

Рис. 67. Картина геотермической аномалии, вызванной рельефом местности (рудник Кэрр Эдиссон)

Несмотря на это, многими исследователями отмечается на­ личие некоторых общих закономерностей. Отмечена зависи­ мость геотермического градиента от рельефа местности. Вели­ чина геотермической ступени больше нормального значения под

горными массивами. Температура пород с глубиной возрастает под горными вершинами медленнее, чем под долинами.

В холмистой и равнинной местности эти изменения значи­ тельно меньше, чем в гористой. Поэтому для получения срав­ нительных данных о температуре пород на большой площади

необходимо сопоставлять результаты замеров не по глубине от земной поверхности, а по горизонтам относительно уровня

океана.

Примером местной температурной аномалии, вызванной рельефом местности, может служить аномалия на руднике Кэрр Эдиссон (Канада). На рис. 67 показана часть изотерми­ ческой диаграммы одного из участков на этом руднике, распо­ ложенном вблизи большой открытой камеры, заполненной

91

льдом, поверхность которой почти весь год находилась на точке замерзания. Результат влияния камеры на температуру пород виден по изгибам изотерм.

Большое влияние на характер изменения температуры гор­ ных пород оказывают также такие факторы, как близость круп­ ных поверхностных водоемов и движение теплых или холодных подземных вод. Бода может оказывать действие двоякого рода,

увеличивая или снижая интенсивность термопроявления. Вблизи крупных водных бассейнов величина геотермической ступени, как правило, больше нормального значения. Однако часто можно наблюдать и обратные явления.

В Донбассе, например, отмечено повышение температуры горных пород в местах, приуроченных к пластам водоносного песчаника, а в районе теплых источников, близ города Пяти­

горска, геотермическая ступень очень мала.

На шахте «Еллоу Джект» (США) на глубине 900 м горные работы встретили большое скопление горячей воды, сильно на­ сыщенной сероводородом, с температурой 76,5° С. Подобные случаи наблюдались также на глубоком металлическом руд­ нике Хомстейк, где на глубине 900 м, большие массы горячей

воды с температурой 77° С значительно затрудняют горные ра­ боты.

Увеличение геотермической ступени наблюдается в местах,, подвергшихся длительному поверхностному охлаждению —

в районах, недавно освободившихся от ледников, или в райо­ нах вечной мерзлоты. Геотермическая ступень в Монче-тундре,. например, составляет 177,7 м/°С.

Существенное влияние на повышение температуры горных пород оказывают радиоактивные минералы и активно проте­

кающие в земной коре химические процессы. Вскрытие горными выработками склонных к окислению горных пород, руд и углей способствует интенсификации процессов окисления и повыше­ нию температуры.

При разработке рудных месторождений активно окисляются с большим выделением тепла такие минералы, как серный и медный колчеданы. Бурное развитие окислительных процессов в рудных и древесно-рудных массах и наличие очагов эндоген­ ных пожаров в этих массах являются источником образования местных тепловых полей, способствующих повышению темпе­ ратуры горных пород и рудничного воздуха в очистных забоях.

Температура горных пород на этих рудниках обычно мало за­ висит от глубины разработки, так как горные работы ведутся на сравнительно небольших глубинах — порядка 500—1000 мт

и нарастание температуры с глубиной ввиду низкого геотерми­ ческого градиента происходит медленно.

1ак, на медноколчеданных месторождениях Урала темпера­ тура на сравнительно неглубоких горизонтах в результате экзогенных процессов в рудничных массах доходит до 50° С..

92

Подобного рода явления наблюдаются и на медном руднике

Магма (США). Геотермическая ступень на руднике Магма равна 36,2 jk/°C, однако температура пород на глубине 1200 м равна 60,0° С. На канадском медном руднике Норанда повыше­ ние температуры горных пород вызывается окислительными процессами, происходящими в закладочном материале, в со­

став которого входит доменный шлак, а в качестве цементирую­ щего вещества — хвосты обогатительной фабрики, содержащие значительное количество серы. Температура закладки в очист­ ных забоях в момент протекания реакции окисления доходит

до 54,0° С [12, 39].

Источником теплообразования, обусловленного экзотерми­ ческими реакциями процесса углефикации, являются угольные

пласты и нефтяные залежи.

При большом распространении этих пластов по площади (на­ пример, Донбасс) подобные термопроявления способны в значи­

тельной степени повлиять на геотермический градиент в сторону его увеличения.

Большое влияние на температурный режим района оказы­ вают факторы геологического характера. Отмечено, что в оса­ дочных породах повышение температуры с глубиной происхо­ дит интенсивнее, чем в изверженных и метаморфических по­ родах. Однако на участках залегания молодых интрузивных пород и в районах активной вулканической деятельности нара­ стание температуры происходит очень быстро.

Обширные исследования, проведенные в Донецком уголь­ ном бассейне, дали возможность установить некоторую зависи­ мость геотермических условий от геологического строения и тектоники района. Установлен факт повышения температуры

горных пород в сводах антиклинальных складок, что объяс­

няется в основном лучшей теплопроводностью горных пород вдоль напластования и переносом тепла глубинными водами по ■сильно развитой в этих частях складки системе трещин.

На участках синклинальных прогибов и котловин наблю­ дается обратная тенденция, т. е. понижение температуры гор­ ных пород. Так, например, наблюдается постепенный спад тем­ пературы в Волчанской, Макеевско-Ряснянской, Чистяковской синклиналях и Кальмиус-Торецкой котловине и повышение ее в сводовой части главной антиклинали [4].

ского и им. К. Либкнехта и более медленного ее нарастания [1]

на рудниках, расположенных к северу от этого района (напри­ мер, геотермическая ступень для рудника им. Орджоникидзе равна 63 м/°С).

93

Взарубежной горной литературе также высказываются со­

ображения о различной теплопроводности пород по простира­ нию и вкрест простирания месторождения и зависимости тем­ пературы пород от тектоники района.

Взаключение следует отметить, что до настоящего времени не установлено законов изменения величины геотермической ступени.

Постоянство значения геотермической ступени необходимо

рассматривать только в некотором определенном интервале срав­ нительно небольшой глубины порядка 500—1000 м, где она имеет

незначительные отклонения.

Исследования температурного режима ряда глубоких шахт мира показывают, что геотермическая ступень на нижних глу­ боких горизонтах намного меньше, чем на верхних (табл. 8), что говорит о более интенсивном нарастании температуры гор­ ных пород на более глубоких горизонтах, чем на умеренных

Главной причиной изменения геотермических условий с глу­

биной А. Д. Мизенер [24] считает значительное снижение тепло­ проводности горных пород на глубине, вызванное уменьшением водообильности.

2. НАГРЕВАНИЕ ВОЗДУХА В РЕЗУЛЬТАТЕ СЖАТИЯ ЕГО ПРИ ОПУСКАНИИ ПО СТВОЛУ

Подаваемый вниз по стволу шахты воздух нагревается по мере опускания в результате сжатия (автокомпрессии), выз­

ванного увеличением барометрического давления.

94

Процесс сжатия воздуха в стволе шахты при отсутствии теплообмена между ним и горными породами стенок ствола необходима рассматривать как адиабатический, который выра­ жается уравнением

Перемещение воздуха снизу вверх на исходящей струе вы­ зывает обратный процесс, сопровождающийся снижением его температуры на такую же величину.

В действительности в стволе происходят более сложные про­ цессы.

По мере продвижения свежей струи по воздухоподающему стволу эффект повышения температуры от автокомпрессии до не­ которой степени снижается.

Во-первых, попутно со сжатием воздуха происходит тепло­ обмен между воздухом и стенками ствола. Геотермический гра­ диент в подавляющем большинстве случаев бывает намного больше, чем приращение температуры от автокомпрессии, а тем­ пература горных пород с глубиной возрастает быстрее, чем температура воздуха. Поэтому в стволе всегда имеет место теплообмен между опускающимся в шахту воздухом и горными'

породами, окружающими ствол, в результате чего воздух нагре­ вается.

Кроме того, летом температура воздуха на поверхности’ почти всегда бывает намного выше, чем температура горных

пород^ поэтому свежая струя несколько охлаждается в стволе (особенно в верхней части ствола). Зимой происходит обрат­ ное явление.

Между температурой вентиляционной струи и температурой горных пород в стволе шахты существует также взаимозависи­ мость следующего характера: ввиду сравнительно плохой теп­ лопроводности горных пород вокруг ствола шахты образуется так называемая тепловыравнивающая «рубашка». Температура горных пород тепловыравнивающей «рубашки» колеблется не­ значительно и является ввиду этого фактором, способным до некоторой степени сгладить колебания температуры проходя­ щего через ствол наружного воздуха.

Действие тепловыравнивающей «рубашки» распростра­ няется обычно на расстояние до 1500—2500 м, начиная от устья’ ствола шахты; на большем расстоянии разница между темпе­

ратурой воздуха и горных пород незначительна.

Вторым фактором, оказывающим существенное влияние на температуру свежей струи, является высокая влажность стенок ствола и капеж воды в стволе. Обычно более сухой воздух, по­ ступая с поверхности в ствол шахты, быстро увлажняется, про­

95

Как видно из табл. 9, летом в результате отдачи тепла стен­ кам ствола и поглощения влаги температура воздуха в стволе воздухоподающей шахты снижается на 4° С по сравнению с рас­ четной величиной, а зимой повышается на 6° С.

На глубоких шахтах изменение атмосферных условий в воз­

духоподающих стволах еще более ощутимо.

Так, например, на шахте № 14 рудника Кроун Майнз (Юж­ ная Африка) поступающий с поверхности воздух имеет темпе­ ратуру 15° С по сухому термометру и 11° С по мокрому, абсо­ лютную влажность 8,56 г на 1 кг воздуха и общее теплосодер­ жание (энтальпию) 13,2 ккал!кг.

После опускания на глубину 2250 м температура воздуха возрастает соответственно до 31,2 и 26,6° С, абсолютная влаж­ ность увеличивается в 2 раза и составляет 17,2 г на 1 кг воз­

только 21,5% —от нагрева в результате соприкосновения с гор­ ными породами и от других источников.

Стволы шахт Криворожского бассейна отличаются наличием большого водопритока, поэтому, кроме значительного повыше­

ния влажности поступающего в шахту свежего воздуха, следует ожидать за счет автокомпрессии повышения его температуры,

пающего в шахту.

§3. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛА, ВЫДЕЛЯЕМОГО ГОРНЫМИ МАШИНАМИ

ИДРУГИМИ ИСТОЧНИКАМИ, НА ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА

Учитывая количество тепла, выделяемое в атмосферу рабо­

тающими горными машинами и установками, следует иметь

в виду, что ряд горных машин, работающих в очистных забоях, использует энергию сжатого воздуха. В этом отношении горно­ рудные шахты, где широко распространен пневматический при­ вод, выгодно отличаются от угольных, где используется глав­ ным образом электрический привод.

Внедрение новых высокопроизводительных систем разра­ ботки с отбойкой руды глубокими скважинами на очистных ра­ ботах увеличивает применение буровых станков, использующих

электрическую энергию. Большое количество тепла при работе

врудных шахтах выделяют скреперные установки и подземные электровозы. При отводе тепла, выделяемого этими горными машинами, следует иметь в виду, что электровозы являются мобильными агрегатами, а скреперные установки расположены

вочистных блоках по всему шахтному полю. Отвод тепла, вы-

деляемого этими машинами, труднее осуществить, чем отвод тепла, образующегося при работе компактных электрических

установок (например, подземные насосные станции, электро­ подстанции и др.), где его можно сравнительно легко изолиро­ вать от общей струи свежего воздуха путем отвода на вентиля­

ционный горизонт по специальным выработкам.

Особенностью машин, работающих на сжатом воздухе, яв­ ляется то, что расширение отработанного в них сжатого воз­ духа поглощает значительное количество тепла из окружаю­ щей среды.

Расширение воздуха необходимо рассматривать как поли­ тропический процесс, при котором температура воздуха после расширения (72) будет определяться следующей зависимостью:

m — 1

/ п \ m

Тг

где Т\— абсолютная температура сжатого воздуха; pY— давление воздуха после расширения;

р2 — давление сжатого воздуха;

m — показатель политропы; т— 1,2.

Допустим, что поступающий в пневматическую машину и»

воздухопроводной сети сжатый воздух имеет температуру 30° С

или Г] = 303° при давлении 6 атм.

После расширения температура воздуха будет равна

1,2-1,0

!>2 = 225°,

т. е. температура воздуха понизится на Габс=78°С.

Таким образом, при расширении 1 м? сжатого воздуха весом у = 1,293 кг будет поглощено

<2 = СдГабс = 0,241 • 1,293 • 78,0 = 24,2 ккал,

где Ср — удельная теплоемкость воздуха.

Из приведенного выше примера вытекает предположение, что поглощение тепла при работе пневматических машин в боль­

шой степени может компенсировать выделение его при работе электрических машин.

Некоторое количество тепла выделяют находящиеся в под­ земных выработках шахт источники освещения: ацетиленовые,

аккумуляторные и электрические лампы.

При этом необходимо отметить, что одна горящая ацетиле­ новая лампа за час выделяет около 184 ккал тепла, идущего

полностью на нагрев воздуха, или одной горящей ацетилено-

98