Тема №2. Промерзание связных пород при открытой разработке месторождений

2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами

В России около 25-30% ежегодных объемов разрабатываемых рыхлых и связных пород на карьерах приходится на периоды года с отрицательными температурами. Еще больший объем земляных ра­бот в период с отрицательными температурами выполняется в усло­виях строительства.

В период с отрицательными температурами разработка рыхлых и связных пород сопряжена со значительными трудностями, так как они промерзают иногда до 1,5 м. Разработка мерзлых пород требует их предварительной подготовки (оттаивания, механического или взрывного рыхления), что отрицательно влияет на производитель­ность и себестоимость.

Себестоимость разработки мерзлых рыхлых и связных пород в 2-3 раза выше, чем талых, а производительность примерно во столько же раз ниже.

В зависимости от мощности исполнительных органов экскавато­ров, применяемых на карьерах, допустимая глубина промерзания составляет до 0,5 м. На такую глубину грунт промерзает при темпе­ратуре примерно 263 К (-10°С). Мощность исполнительных органов экскаваторов не является однозначным критерием допустимой глу­бины промерзания уступов карьеров. Большинство применяемых на карьерах в настоящее время экскаваторов (как цикличных, так и непрерывного действия) обеспечивают разрушение промерзшего слоя глубиной до 0,3-0,4 м. Однако образующиеся при этом куски смерзшихся пород достигают 2 м (по максимальному размеру), что затрудняет их погрузку и транспортирование.

Использование техники непрерывного действия в период с отрицательными температурами становится практически невозмож­ным, так как при глубине промерзания до 15-20 см образующиеся после экскавации куски смерзшейся породы достигают 60-80 см и являются нетранспортабельными для конвейеров. В связи с этим комплексы непрерывного действия останавливают на зимний пери­од, что приводит к большим убыткам.

Одним из основных мероприятий, которое позволит обеспечить круглогодичную разработку рыхлых и связных пород на карьерах с высокими технико-экономическими показателями, является покры­тие уступов и бортов карьеров теплоизоляционными материалами, препятствующими промерзанию массива на глубину выше допусти­мой. Критериями допустимой глубины промерзания являются мощ­ность применяемых экскаваторов, линейные размеры их ковшей и самое главное — транспортабельность образующихся мерзлых кус­ков породы.

Для оценки глубины промерзания и параметров теплоизоляци­онных покрытий необходимо для каждого района знать зависимость изменения температуры окружающей среды в зимний период от вре­мени. В том случае, если при известном изменении температуры в зимний период промерзание не превышает допустимой глубины, не­обходимость в теплоизоляционных покрытиях отпадает, и наоборот.

Толщину и тепловые свойства теплоизоляционных покрытий можно выбирать такими, чтобы полностью предотвратить промерза­ние уступов и бортов карьеров, или же такими, при которых промер­зание будет происходить на глубину, не превышающую допустимую.

2.2. Месячные колебания температуры внешней среды

Для определения зависимости изменения температуры в зим­ний период используем значения среднемесячной температуры в данном районе. Обозначим среднемесячные температуры с октября по март соответственно Т_ок, Т_н, Т_д, Т_я, Т_ф, Т_м- За начало отсчета времени (t) примем 1-е января, тогда с января по март t будет поло­жительным, а с октября по декабрь — отрицательным.

Введем безразмерное время в виде

y = 2t/t_М, (2.1)

где t — текущее время в днях; t_м — продолжительность месяца (t= 30 дней).

Безразмерное время, соответствующее началу месяца и его се­редине, будет изменяться от -6 до нуля с 1 октября по 31 декабря и от нуля до +6 с 1 января по 31 марта.

Функцию изменения температуры в зависимости от безразмер­ного времени Т (у) представим в виде многочлена пятой степени относительно у:

Т (у) = Ау⁵ + Ву⁴ + Су³ + Dу² + Еу + F, (2.2)

где А, В, С, D, Е, F — неизвестные константы, подлежащие опреде­лению по среднемесячным температурам.

Условимся среднемесячной температурой считать температуру в середине месяца. Тогда безразмерное время для 15 октября, 15 ноября, 15 декабря будет у₁ = -5, у₂ = -3, у₃ = -1, а соответствующие этим датам среднемесячные температуры

Т(-5) = Т_ок; Т(-3) = Т_н; Т(-1) = Т_д.

Аналогично, для 15 января, 15 февраля и 15 марта безразмерное время будет у₄ = 1; у₅ = 3; у₆ = 5; а соответствующие среднемесячные температуры

Т(1) = Т_я; Т(3) = Т_ф; Т(5) = Т_м.

Подставляя значения безразмерного времени для каждого меся­ца в выражение (2.2), получим систему уравнений для определения неизвестных констант А, В, С, Д, Е, F:

(2.3)

Решая систему уравнений (2.3), получим выражения для оп­ределения неизвестных констант

(2.4)

Таким образом, зная среднемесячные температуры в районе разрабатываемого месторождения можно определить значения коэффициентов А, В, С, Д, Е, F, подставив которые в уравнение (2.2), найдем функцию изменения температуры Т (у).