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

ные взрывы должны образовать разгруженную от напряжений зону в течение периода отработки на протяжении всего забоя.

На рудниках Витватерсранда в Южной Африке, где условия

разработки неблагоприятны в отношении горных ударов, в пол­

ной мере используется метод снятия напряжений в породах путем превентивных взрывов.

Наблюдения на этом руднике показали, что горные удары имеют обычно место в следующих случаях:

а) когда производится отработка целиков; б) при прохождении выработки через породы дайки;

в) в случае отработки участков рудной залежи, образующих в зоне опорного давления острые углы.

Превентивные взрывы во всех этих случаях способствовали снижению числа горных ударов. Превентивные взрывы глубоких

(3 м) шпуров с зарядами-камуфлетами производят периодиче­

ски, в те смены, когда работы в забое не ведутся.

При разработке пологопадающих рудных залежей Витватер­ сранда шпуры для превентивных взрывов бурились на расстоя­ нии 300 мм от почвы выработки с наклоном 8°. В качестве взрыв­

чатого вещества использовали 60% гелегнит. Забойка была

песчаная.

Расположение и направление шпуров фиксировались перед взрывом.

В результате применения превентивных взрывов число и ин­ тенсивность горных ударов были значительно снижены. Наблю­

дения проводились в течение 19 месяцев в 17 забоях. Увеличение числа и интенсивности горных ударов наблюдалось только в одном их забоев. В остальных забоях число горных ударов уменьшилось на 55%, а в некоторых — на 75%.

Несмотря на потерю 16% рабочего времени на операцию по превентивным взрывам, добыча руды за период наблюдения по­ высилась на 2,7%. Это объясняется тем, что эффективность

буровзрывных работ в зоне образования трещин повысилась, а

число смен, теряемых на ликвидации последствий горных уда­ ров, уменьшилось. В известной мере на производительности

труда сказалось и улучшение морального состояния горнорабо­ чих благодаря проведению мероприятий по устранению горных, ударов.

В течение 19-месячного наблюдения до проведения превен­

тивных взрывов на опытном участке в результате горных ударов произошло не менее чем 44 несчастных случая, включая шесть

смертельных. Во время проведения превентивных взрывов был зарегистрирован только один несчастный случай, и то в пере­

рыве между сменами.

В процессе опытных работ было установлено, что.превентив­ ные взрывы не дают эффекта в тех случаях, когда выработки проходят через изверженные породы даек. Это объясняется, по-

79

видимому, тем, что породы даек более плотны и не склонны к

Рис. 63. Расположение шпуров для превентив­ ных взрывов в забоях:

1 — отбитая руда; 2 — шпуры для превентивных взрывов; 3 — рудоспуск в закладке

На рудниках Колар превентивные взрывы проводятся путем взрывания глубоких шпуров, пробуренных в кровле забоя так,

как показано на рис. 63.

ническими условиями разработки ме­

сторождения и зависят от угла падения, крепости пород и т. п.

Использование защитного действия соседних пластов возможно только при условии полной выемки угля без оставления цели­ ков.

60

ЛИТЕРАТУРА

1.Ав ер шин С. Г. Горные удары. Углетехиздат, 1955.

2.Квапил Р. Теория горных ударов. «Уголь», 1958, № 5.

3.Семевский В. Н. Штанговая крепь на рудниках Канады. «Горный

журнал», 1957, № 5.

4.ПельнаржА. Борьба с горными ударами на Пршимбрамских руд­ никах. «Горный журнал», 1957, .№ 3.

5. X о л л а н д Ч. Т. и Томас Э. Горные удары в угольных шахтах США. Углетехиздат, 1956.

6.A General Theory of Rock Bursts, Part 2. Engineering and Mining Journal, 1948, vol. 149, № 1, pp. 68—70.

7.Denkhaus H. G. Uber die Bedeutung einiger Eigenschaften des Gesteins fur das Problem der Gebirgsschlage in Gruben grosser Teufe. Inter­

s.25—31.

10.J a c k s о n C. F., Gardner E. D., Hedges J. H„ Metal Mining Practice Bulletin, № 419, 1939.

11.Kvapil R. Zur Theory der Gesteinszerstorung. Internationale Gebirgsdrucktagung, 1958, Vortrage, Academle—Verlag, 1958.

Engineering and Mining Journal, 1948, vol 149, № 3, pp. 66—72.

15.Morrison R. G. K- The Rock Bursts. A Study of Factors and Con­ ditions. Engineering and Mining Journal, 1947, № 9, vol. 148, pp. 62—67.

16.Morrison R. G. K. The Unsolved Problems of Rock Bursts. Engi­ neering and Mining Journal, 1947, vol. 148, № 4, pp. 80—82.

17. M о r r i s о n R. G. K. Report of the Rockburst Situation In Ontario Mines. Canadian Mining and Metallurgical Bulletin, 1942, № 361, pp. 225—272.

№10, pp. 512—535.

20.P h 1111 p s D. W. Rock Bursts in Coal Mines. Iron and Coal Trades Review, 1944, vol. 149, № 4009, p. 992.

21.Phillips D. W. Rock Bursts or „Cumps“ in Coal Mines. Iron and

Coal Trades Review, 1952, vol. 165, № 4398, pp. 210—211.

22.Robson W. T. Rock-Burst Incidence, Research and Control Measures. Canadian Mining and Metallurgical Bulletin, 1946, № 411, pp. 347—374.

23.Robson W. T„ Rock-Bursts Incidence, Research and Control Measures. Mining Magazine, 1946, vol. 75, № 3, pp. 189—196.

24. Rock Properties and Rockbursts — The Mining Magazine, Decem­ ber, 1958.

25.Spalding L. Observations on Rock Bursts. — Engineering and Mining Journal, 1948, № 5, vol. 149, pp. 91—93.

26.T h e r n i g E. Gebirgshage in ostalpinen Biei—Zinc—Bergbau. Inter­

nationale Gebirgsdrucktugung, 1958. Vortrage, Academie—Verlag, 1958.

27.Spalding G. Deep Mining. Mining Publications, Ltd. London, 1949.

28.Heywood J. F. Pressure Manifestation at Great Mining Depth on the Witwatersrand.— Bulletin of the Institution of Mining and Metallurgy, 1945.

№586, pp. 593-610.

6 Зак. 1/1165

Глава IV

ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА В ГЛУБОКИХ РУДНИКАХ

§ 1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРУ РУДНИЧНОГО1 ВОЗДУХА

Температура воздуха в глубоких рудниках определяется:

1)температурой воздуха на поверхности;

2)температурой горных пород;

3)автокомпрессией, т. е. увеличением температуры от повы­ шения барометрического давления с глубиной;

4)окислительными процессами, происходящими в породах,,

закладке или в добытой руде;

5)количеством тепла, выделяемого работающими машинами

игорящими лампами, находящимися в шахте людьми и в ре­ зультате взрывных работ.

Главными факторами, оказывающими решающее влияние на

величину температуры воздуха в глубоких шахтах, являются,

первые четыре.

Температура воздуха на поверхности зависит от климатиче­ ских условий района, в котором расположен рудник.

Годовые и суточные колебания температуры, влажности и теплосодержания воздуха на поверхности, в свою очередь, вызы­ вают изменение этих величин в шахте, ухудшая или улучшая,

условия работы.

В качестве примера для иллюстрации этого положения мо­

жет служить тот факт, что на глубоких горизонтах рудников,

расположенных в северных широтах (например, канадские руд­ ники Лейк Шор, Норанда, Холингер и др.), температура воз­ духа и горных пород в шахте значительно ниже, чем на рудни­

ках, расположенных в экваториальной зоне (например, золотые рудники в Индии), при одинаковых значениях геотермического'

градиента (рис. 65) [12, 26].

82

Температура рудничного воздуха находится в прямой зависи­ мости от количества тепла, которое отдают породы, окружаю­ щие горные выработки, При охлаждении одного кубометра гор­ ной породы на 1°С освобождается такое количество тепла, кото­ рое способно нагреть на 1°С около 1600 м3 рудничного воз­ духа [63.

мет и Гекла; 6 — Кривбасс; 7 — Витватерсранд; « — Крейтон; 9 — Фруд-

С углублением горных работ температура пород значительно

возрастает, а следовательно, увеличивается их теплоотдача и приращение температуры, получаемое вентиляционной струей.

Ввиду этого проектирование новых глубоких шахт и проведение мероприятий по регулированию температурного режима в этих шахтах немыслимо без предварительно тщательного изучения вопроса о влиянии температуры горных пород на условия про­ ветривания.

Изучение вопроса о повышении температуры горных пород в горнорудных бассейнах СССР почти не производилось, и поэтому

в технической литературе он получил недостаточное освеще­ ние.

Высокие температуры наблюдаются уже давно на шахтах,

разрабатывающих месторождения, руды которых склонны к

окислению и самовозгоранию. На железных рудниках Кривого Рога и других металлических рудниках СССР отмечена сравни­ тельно невысокая температура горных пород на достигнутой в

настоящее время глубине в 600—700 м, но в ближайшие 10—

12 лет, по мере опускания горных работ на глубину 1000 м и ни­ же, следует ожидать значительного ее увеличения, что неиз­ бежно явится источником определенных трудностей при разра­ ботке руд на большой глубине.

Сложность вопроса, связанного с исследованием температуры горных пород, заключается в том, что для получения правиль­

ного представления о температурном режиме того или другого

горнодобывающего района необходимо производство весьма точных измерений в разных точках месторождения как по пло­ щади, так и на различной глубине. Результаты таких исследова­ ний могут стать в дальнейшем основой для разработки меро­

приятий по регулированию теплового режима глубоких шахт.

Факторы, влияющие на температуру горных пород

Земная кора имеет неодинаковую температуру по глубине.

На поверхности земли различают так называемый активный слой, температура которого в значительной степени зависит от солнечного излучения. Суточные колебания температуры в этом слое проникают на глубину 50—100 см, а годовые — до 8—30 м. Амплитуда колебаний температуры уменьшается с глубиной, по­ степенно затухая.

Непосредственно под активным слоем температура горных

пород имеет постоянную для данного географического района величину (так называемый пояс постоянной температуры), кото­ рая зависит от климата и равна приблизительно среднегодовой

температуре воздуха. Для широт Советского Союза она коле­ блется от 4°С на севере до 9°С на юге страны.* В местностях

стропическим и субтропическим климатом она намного выше.

Врайоне глубоких золотых рудников Колар в Индии, имеющем субтропический климат, среднегодовая температура и темпера­ тура пояса составляет около 25° С.

Ниже пояса постоянной температуры лежит зона весьма мед­ ленного закономерного нарастания температуры с глубиной.

Приращение температуры в градусах Цельсия на каждый километр увеличения глубины называется геотермическим гра­ диентом. Величина геотермического градиента для земной коры

в среднем принимается равной 30,0° С на 1 км.

* Для Криворожского бассейна 8,Г С.

84

На практике чаще всего пользуются более удобной, обрат­ ной геотермическому градиенту, единицей — геотермической сту-

. пенью, измеряющейся глубиной в метрах, при которой темпера­

тура горных пород повышается на 1°С. Средняя величина гео­ термической ступени Земли равна приблизительно 33 м/°С.

Величину геотермического градиента или геотермической ступени для данного района можно определить после замера температуры горных пород на различной глубине. Значение гео­ термической ступени определяется по формуле

t — температура пород на глубине Н, СС;

Хср г — среднегодовая температура воздуха, °C,

Необходимо отметить, что с геофизической точки зрения пе­ редача тепла в горных породах путем теплопроводности должна выражаться тепловым потоком, который характеризуется коли­ чеством тепла, передаваемым поверхности в единицу времени.

Тепловой поток находится в прямой зависимости от темпера­ турного градиента и теплопроводности горных пород и выра­ жается формулой

q — X grad Т, ккал[м2час,

где q — тепловой поток;

X— коэффициент пропорциональности, характеризующийся теплопроводностью среды;

grad Т — температурный градиент.

Однако, ввиду трудности в определении теплопроводности горных пород, а также большого разнообразия горных пород, на практике чаще всего пользуются таким показателем, как гео­ термическая ступень.

Интересно сравнить характер нарастания температуры пород с глубиной для различных горнодобывающих районов нашей страны и за рубежом.

Угольные районы отличаются высоким значением геотерми­ ческого градиента и, следовательно, высокими температурами

горных пород. Так, например, температурный градиент юго-за­

38 мГ С.

Температура пород для различных районов Донбасса на го­ ризонте —550 м (абсолютная отметка по уровню океана) изме­

85

подчиняется линейной зависимости.

А. Н. Щербань считает ,* что ожидаемые температуры в Дон­ бассе на глубине 1200 м будут (°C):

Для района г. Сталине............... 47,3 „ г. Горловки . . . 40,7

,г. Чистякове .... 42,6

, г. Кадиевки .... 41,6

,г. Шахты................38,9

Для Ланкаширского угольного бассейна (Англия) Морис [25] определяет геотермическую ступень в 34,0 .м/оС и температуру пород на глубине 1220 м— 45,5° С, что аналогично данным, по­ лученным для Донбасса. Для угольных шахт Рура геотермиче­ ская ступень равна 28 м/° С, а для шахт Саарского угольного бассейна — 22 м/° С.

Для Криворожского железорудного бассейна глубина залега­ ния слоя постоянной температуры hc = 24 м (принято по анало­ гии с Донбассом).

Первые измерения температуры пород в Кривом Роге при по­

мощи ртутного максимум-термометра были произведены в 1934 г. инж. Б. Поповым в скважине № 120. Замеры делались через интервал в 100 м до глубины 1125 м и дали по причине несовер­ шенства метода неточные результаты [3]. В результате этих за­ меров геотермическая ступень Кривбасса была определена рав­ ной ПО м1°£, был установлен факт термической аномалии в рай­ оне Кривбасса и прямолинейность нарастания температуры по­ род с глубиной.

В 1955—1956 гг. при выполнении научно-исследовательской

работы «Проблемы глубоких шахт Кривбасса» Криворожским горнорудным институтом совместно с кафедрой вентиляции Дне­ пропетровского горного института (доц. Г. В. Дуганов) были произведены новые исследования температуры горных пород Кривбасса при помощи новейших современных приборов и опре­ делена величина геотермической ступени для ряда рудников. Тем­ пература пород измерялась в подземных выработках действую­

щих шахт до глубины 600 м при помощи специальных термомет­ ров (электротермометров сопротивления и термоэлектротермо­

метров), которые вводились в специально пробуренные для этой

цели шпуры на глубину 2—3 м.

Наблюдения показали [1], что изменение температуры горных пород с глубиной подчиняется линейной зависимости. Ниже при-

* Щербань А. Н. Геотермические наблюдения в Донбассе, Записки Института горной механики АН УССР, 1948, № 6.

86

водится величина геотермической ступени для рудников Криво­ рожского бассейна.

Рис. 66. График изменения температуры пород

Среднее значение геотермической ступени для Криворож­ ского железорудного бассейна составляет 60 л«/оС.

Температура горных пород на глубине 1200 м при указанной величине геотермической ступени будет равна

По данным экспериментальных исследований Г. В. Дуганова построен график изменения температуры пород с глубиной для

центральной части Кривбасса (рис. 66) и сделан прогноз темпе­ ратуры пород до глубины 1200 м.

87

Исследования, проведенные отдельными исследователями

в Донбассе (Я. Н. Кашпур) и за рубежом, показывают, что данные об изменении температуры горных пород, полученные в результате замера в выработках эксплуатационных шахт и скважинах до глубины в 500—700 м при использовании метода экстраполяции, могут стать основой для прогнозов темпера­ туры пород на глубину до 1000—1200 м [4, 24].

Геотермическая ступень подавляющего большинства руд­ ных шахт колеблется от 50 до 132 м на 1 градус Цельсия. Низ­ кие значения геотермической ступени для угледобывающих районов определяются процессом углефикации, протекающим в угленосных пластах.

Различие в геотермических градиентах существенно влияет на температурные условия в глубоких шахтах, ограничивая предельную глубину горных работ.

Так, например, на рудниках Колар в Индии, являющихся од­ ними из самых глубоких в мире, температура горных пород на глубине 2300 м поднимается до 55° С, в то время как на рудниках

Витватерсранда (Южная Африка) такая температура будет

иметь место только на глубине 3900 м. Значительное углубление

горных работ при относительно высоком геотермическом гради­ енте на рудниках Колар, стало возможным благодаря незначи­ тельной влажности воздуха вследствие отсутствия притока под­

горные работы на значительно большую глубину, чем на уголь­

ных, не прибегая к осуществлению мероприятий по ре­

температура пород наблюдалась на niaxfax Корнволл (Анг­ лия). На глубине 380 м температура горных пород на этих шахтах была равной 46° С, а на глубине 560 м ввиду высокой температуры были остановлены горные работы по проходке наклонного ствола шахты.

Данные по температуре горных пород для различных гор­ ных районов мира приведены в табл. 7.

Как было отмечено выше, в различных участках земной-

коры наблюдаются отклонения от нормального значения гео­ термической ступени. Температура горных пород с глубиной

нарастает или более медленно или более быстро (по сравнению

со средним значением), образуя так называемые геотермиче­ ские аномалии.

Для юго-западной части Донецкого бассейна, например, ве-

88