А.С. Курилко, М.В. Каймонов, В.К Ёлшин, Д.Л. Олениус ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

А.С. Курилко, М.В. Каймонов, В.К Ёлшин,
Д.Л. Олениус
ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ
ПОДКАРЬЕРНОГО ЗАЩИТНОГО ЦЕЛИКА
И СКОПИВШИХСЯ ОСЫПЕЙ НА РУДНИКЕ «АЙХАЛ»
Проведена оценка температуры в массиве предохранительного целика и осыпи
на дне карьера. Проведено математическое моделирование состояния (мёрзлое или талое) породы осыпей на дне отработанного карьера температурного режима и предохранительного целика при условии непрерывного изменения
мощности осыпи от момента достижения дном карьера предельной отметки.
Ключевые слова: карьер, осыпающиеся породы, подкарьерные запасы, оценка
температуры в массиве.
есторождение алмазов «Айхал» расположено в Мирнинском районе Республики Саха (Якутия), в 400 км к
северу от г. Мирный. Разработка месторождения открытым способом продолжалась в течение 37 лет с 1961 по 1998 гг., когда было
принято решение о переходе на подземный способ отработки. Начато строительство рудника производительностью 500 тыс. т. руды
в год со сроком эксплуатации 25 лет.
После остановки производства открытых горных работ в теплый период года на дне карьера стали накапливаться осыпающиеся
с бортов породы и атмосферные осадки. Средняя скорость накопления осыпей составляет в среднем 2 м в год и имеет большой запас привнесенного тепла. На данный момент скопилась около 20 м
сильнообводненных осыпей горных пород. Кроме этого с борта
карьера и окружающего его породного массива в эту осыпь попадают рассолы, которые могут снизить температуру замерзания пород осыпи.
В настоящее время отработка подкарьерных запасов ведётся
слоевой системой с закладкой выработанного пространства под
предохранительным целиком, обеспечивающим безопасность ведения подземных горных работ. Мощность предохранительного
целика рассчитывалась с учётом его мерзлого состояния и составляет 25 м.
Фильтрация скопившейся на дне карьера воды через предохранительный целик может негативно повлиять на его температурный режим и, соответственно, на его несущую способность.
М
С целью оценки температуры в массиве предохранительного
целика и осыпи на дне карьера проведены замеры температуры и
математический прогноз её изменения.
В наклонной скважине, пробуренной в кровле транспортного
штрека гор. +164 м до поверхности, установлена термогирлянда,
которая позволила измерить температуру по длине скважины от
кровли транспортного штрека до высотной отметки +205 м в толще
осыпи горных пород на дне карьера. Схема расположения контрольной скважины и термогирлянды в подкарьерном защитном
целике показана на рис. 1. Термогирлянда представляет собой набор проводов различной длины с припаянными к ним терморезисторами ММТ-4, которые гидроизолированы в ПВХ-трубке смазкой Циатим. Выводы проводов распаяны на разъем. Для исключения конвекции воздуха конец трубы у транспортного штрека был
закрыт теплоизолирующим материалом. Верхняя часть скважины
на гор. +214 м предположительно перекрыта образовавшейся породной пробкой из илов, что определено при установке термогирлянды.
Результаты наблюдений распределения температур приведены
на рис. 2. Температурные замеры, сделанные зимой 2006-2007 гг.
показали, что на расстоянии 3-5 метров от выработки температура пород положительная, в ноябре
она была
Рис. 1. Схема расположения
контрольной скважины в подкарьерном защитном целике
Рис. 2. Графики изменения температуры пород по длине скважины
1,5-2,5 С, в конце февраля – 0,4-0,6 С. На большем удалении от выработки на высотной отметке с гор. +180 м до гор. +193 м температура
горных пород предохранительного целика была минус 0,8-0,9 С.
Проведённые замеры температур горных пород в ноябре-феврале
на дне осыпи (высот. отм. +205 м) были минус 0,4-0,5 С.
Таким образом, проведённые замеры показали, что горные породы осыпи на дне отработанного карьера через 8 лет после прекращения открытых работ находятся в вяло-мёрзлом состоянии.
Для оценки того, в каком состоянии (мёрзлом или талом) находятся породы осыпей на дне отработанного карьера нами было
проведено математическое моделирование их температурного режима и предохранительного целика при условии непрерывного изменения мощности осыпи от момента достижения дном карьера
предельной отметки.
При разработке математической модели учитывались следующие факторы: теплообмен горных пород осыпей с многолетнемерзлыми горными породами дна отработанного карьера и с атмосферным воздухом, результирующая лучистого теплообмена (солнечная радиация), толщина снежного покрова, скорость ветра, непрерывное изменение мощности осыпи, неоднородность массива
горных пород.
При разработке математической модели исследуемого процесса приняты следующие упрощающие допущения:
1. Поскольку поперечные размеры дна карьера в несколько раз
превышают глубину теплового влияния атмосферного воздуха, то
процесс распространения тепла рассматривается только по глубине. Здесь мы исходим из известного положения А.В. Лыкова [1],
согласно которому, если один из размеров тела не менее, чем в три
раза меньше остальных его размеров, то процесс переноса тепла,
идущий в направлении наименьшего размера, можно считать одномерным.
2. Теплообмен на дневной поверхности массива горных пород
с атмосферным воздухом определяется по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена .
3. Результирующую лучистого теплообмена (солнечную радиацию) контактного слоя определяем по формуле радиационного
баланса земной поверхности (QR) [2, 3].
Процесс распространения тепла в грунте с учетом фазовых переходов влаги описывается следующими уравнениями [4, 5]:
u
 
u 

  u, x   , 0<x<L, 0<tT;
(1)

t x 
x 
*
*
 cМ (x ) М (x ), u  u ;
 М (x ), u  u ;
c(u, x )  
(u, x )  
(2)
*
*
 cТ (x )Т (x ), u  u ;
 Т (x ), u  u ;
где u – температура горных пород, С; u* - температура фазового
перехода воды, С;  - интервал сглаживания; Lф – скрытая теплота
плавления (замерзания) воды, Дж/кг; W(x) – влажность грунта, доли единиц; сМ(x), М(x), М(x) (сТ(x), Т(x), Т(x)) – удельная теплоемкость (Дж/(кгК)), плотность (кг/м3) и коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)) соответственно для мерзлого и талого грунта.
На дневной поверхности задается граничное условие III рода:
u(0, t )
  u(0, t )
   u  0, t   uB (t )  Q R , t>0,
(3)
x
где  - коэффициент теплообмена воздуха с грунтом, Вт/(м2К); QR
- тепловой поток от солнечной радиации, Вт/м2.
Сезонные колебания атмосферного воздуха определяются по
формуле [6]:
U Uл
(t  365) U з  U л
uB (t )  з
cos

,
(4)
2
4380
2
здесь Uз – средняя температура в январе, С; Uл – средняя температура в июле, С, t – время, час. По данным метеостанции п. Айхал
средняя температура в январе составляет минус 32,8 С, а средняя
темепература в июле 14,1 С.
В начальный момент времени задается распределение температур:
u(x ,0)  u0 (x ), 0<x<L.
(5)
Численная реализация задачи (1)-(5) осуществлялась методом
конечных разностей.
На основе разработанной программы для ПЭВМ, были проведены численные расчеты прогноза температурного режима осыпей
горных пород на дне отработанного карьера криолитозоны при
следующих исходных данных:
c(u, x )
 Место расположения: Мирнинский район Республики Саха
(Якутия), месторождение «Айхал», рудник "Айхал";
 Мощность осыпи изменялась от 15 до 25 м;
 Скорость накопления осыпи изменялась от 1,5 до 5 м в год.
На основании расчетов получены зависимости распределение
температуры в осыпи и горных породах дна отработанного карьера
после завершения открытых работ от влажности, мощности осыпи и
интенсивности ее формирования. На рис. 3 представлены графики
распределения температуры в осыпи и горных породах дна отработанного карьера через 8 лет после завершения открытых работ при условии разной скорости их накопления.
Как уже говорилось, осыпи горных пород образуются ежегодно в теплый период в процессе выветривания и оттайки бортов
карьера и формируют на его дне своеобразную периодически наращиваемую по высоте подушку, оказывающую растепляющее
воздействие на замёрзший в зимний период верхний слой.
Проведённые расчёты показывают, что наиболее значительным фактором определяющим интенсивность промерзания вновь
образованной подушки в зимний период является её мощность.
Так, например, при её ежегодном росте в три метра, в течение зимнего периода успеет промёрзнуть только верхний слой толщиной от 1,5 до 2 м, а остальная часть останется в талом состоянии. Очередное осыпание горных пород с положительной температурой на замерзший за зиму верхний слой осыпи приводит
к тому, что его температура начинает повышаться. Таким образом, как видно из графиков представленных на рис. 3, температура осыпи выравнивается и находится в пределах минус 0,10,3 С по всей её мощности.
При неравномерной скорости накопления осыпей на дне отработанного карьера, когда их основная мощность формируется в течение первых трех лет, горные породы осыпей после консервации
карьера до настоящего времени остаются в пределах от 0 до минус
0,3 С, что соответствует вяло-мёрзлому состоянию массива.
Рис. 3. Распределение температуры в осыпи и горных породах дна отработанного
карьера через 8 лет после завершения открытых работ
Уменьшение объемной влажности осыпей горных пород на
дне отработанного карьера с 40% до 20 % приводит к незначительному общему понижению температуры внутри осыпи.
Таким образом, как показывают проведенные натурные исследования и численные расчеты на математической модели, горные
породы осыпи на дне отработанного карьера после его консервации
до настоящего времени предположительно находятся в вяломёрзлом состоянии, что необходимо учитывать в процессе отработки подкарьерных запасов.
Для уточнения температурного прогноза и более адекватной
оценки геомеханического состояния предохранительного целика и
породной осыпи на дне карьера необходимо провести специальные
исследования с отбором проб пород для определения их засоленности и установкой датчиков температуры в специальных геотермических скважинах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. школа, 1967. – 599 с.
2. Перльштейн Г.З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород на СевероВостоке СССР. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1979. – 304 с.
3. Павлов А.В. Энергообмен в ландшафтной сфере Земли. – Новосибирск:
Наука, 1984. – 256 с.
4. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.:
Наука, 1977. - 736 с.
5. Самарский А.А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.
6. Галкин А.Ф., Хохолов Ю.А. Теплоаккумулирующие выработки. - Новосибирск: ВО «Наука». Сиб. издательская фирма, 1992. - 133 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Курилко А.С. – доктор технических наук, заведующий лабораторией горной теплофизики,
Ёлшин В.К. – кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Каймонов М.В. – научный сотрудник,
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН,
Олениус Д.Л. – гидрогеолог, АК «АЛРОСА», Айхальский ГОК, рудник «Айхал».