Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

На правах рукописи
БОНДАРЬ Ирина Алексеевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ
ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРНОГО ХРУСТАЛЯ
Специальность 25.00.22 – Геотехнология подземная,
открытая и строительная
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чита  2006
Диссертация выполнена в ГОУ ВПО
«Читинский государственный университет»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Резник Юрий Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Лизункин Владимир Михайлович
кандидат технических наук
Ермоленко Евгений Андреевич
Ведущая организация
Институт природных ресурсов, экологии и
криологии СО РАН
Защита диссертации состоится 20 октября 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Читинском государственном университете по адресу: г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого совета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита,
ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.299.01 Н.П. Котовой.
Факс: (3022) 26-43-93; Web-server: www.chitgu.ru;
e-mail: root@chitgu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Читинского государственного университета.
Автореферат разослан «___» сентября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
канд. геол.-минерал. наук
2
Н.П. Котова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Одним из стратегических видов минерального сырья является пьезокварц (горный хрусталь), который, благодаря своим замечательным пьезоэлектрическим и оптическим свойствам, нашел широкое применение в радиоэлектронике и оптике. Потребность в этом ценном сырье продолжает
неуклонно возрастать.
Традиционными хрусталедобывающими районами России в настоящее
время являются Саха-Якутия и Приполярный Урал (месторождения «Перекатное», «Додо», «Пуйва», «Желанное»). Однако горнопромышленное освоение месторождений горного хрусталя в районах Севера связано с проблемой
эффективности и безопасности горных работ, на которые огромное влияние
оказывает многолетняя мерзлота и суровые природно-климатические условия.
Отрицательные и знакопеременные температуры горных пород и
шахтного воздуха порождают на рудниках по добыче горного хрусталя
комплекс криогенно-технологических осложнений. При разработке месторождений горного хрусталя особое значение также приобретает применение
кристаллосберегающих технологий, обеспечивающих сохранность пьезооптического сырья.
В связи с этим, исследования по снижению негативного влияния природных условий вечной мерзлоты и взрывных работ на эффективность и
безопасность кристаллосберегающих геотехнологий добычи горного хрусталя являются весьма актуальными, т.к. открывают возможности многостороннего совершенствования и интенсификации подземных горных работ
в криолитозоне и повышения качества пьезооптического сырья.
Идея работы заключается в максимальном снижении негативного
влияния природных условий вечной мерзлоты на основные и вспомогательные технологические процессы при подземной добыче горного хрусталя на
базе более точного учета температурного фактора и управления криогенными процессами в горном массиве и в рудничной атмосфере.
Цель работы – инженерно-физическое обоснование технических и
технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности и
безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя в
условиях Севера и необходимую сохранность кристаллического пьезооптического сырья.
Объектом исследований являются месторождения горного хрусталя
Южной Якутии и Приполярного Урала.
Предмет исследований – основные и вспомогательные технологические процессы горного производства в сложных геокриологических условиях.
На разрешение были поставлены следующие основные задачи:
1. Выявить и дать анализ основных факторов, негативно влияющих на
основные и вспомогательные процессы при подземной разработке хруста3
леносных месторождений в сложных геокриологических условиях Южной
Якутии и Приполярного Урала.
2. Установить закономерности влияния отрицательной температуры
на физико-технологические свойства многолетнемерзлых горных пород
(динамическую прочность, хрупкость, абразивность, пылеобразующую способность) и обосновать возможность и эффективность использования тепловых методов интенсификации технологических процессов горного производства в криолитозоне (использование горячей воды; локальный подогрев
шахтного воздуха).
3. Обосновать, исследовать и разработать технологические мероприятия по предотвращению смерзаемости отбитой горной массы и нормализации производственных процессов при подземной разработке месторождений горного хрусталя.
4. Исследовать процессы обледенения откаточных и вентиляционных
выработок (штолен) и разработать технологические решения по регулированию теплового режима на базе использования теплообменных горнотехнических систем.
5. Обосновать и разработать безопасную кристаллосберегающую технологию очистной выемки крупнообъемных хрусталеносных «гнезд» на
месторождениях пьезокварца.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы аналитические исследования, лабораторные и производственные испытания, теоретическое обобщение и математическая обработка экспериментальных данных. Оценка эффективности результатов работ проводилась путем практического внедрения разработок, осуществленных на
подземных разведочно-эксплуатационных объектах производственных объединений «Востоккварсамоцветы», «Северкварцсамоцветы» и ЗАО «Турмалхан».
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Интенсификация основных процессов горного производства в
криолитозоне (бурение шпуров, погрузка руды, нормализация работы горного оборудования) достигается путем теплового воздействия на разрушаемый многолетнемерзлый массив горячей водой и локального подогрева
шахтного воздуха в рабочих забоях.
2. Горно-технологические осложнения криогенного характера (смерзаемость отбитой рудной массы в «магазинах», обледенение систем водоснабжения, откаточных и вентиляционных выработок) на рудниках по добыче горного хрусталя предотвращаются путем использования незамерзающих растворов хлористого натрия, воздушно-тепловой обработки очистных блоков, использования теплоаккумулирующих выработок и периодического реверсирования общештольневой вентиляции в зимний период для
формирования и стабилизации положительного теплового режима в подземных горных выработках.
4
3. Сохранность пьезооптического кристаллического сырья и безопасность очистных работ при отработке крупнообъемных хрусталеносных полостей («гнезд») достигается путем использования щадящей технологии
вскрытия полостей, ручной выборки кристаллического сырья и разработанного технологического регламента по обеспечению безопасности очистных
работ.
Достоверность научных положений подтверждена достаточной
сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и результатами внедрения эффективной технологии ведения подземных горных работ на месторождениях горного хрусталя в криолитозоне.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Применительно к условиям подземной разработки хрусталеносных
месторождений разработаны технологические основы производственных
процессов, базирующихся на выявленных закономерностях и учете комплексного влияния температурного фактора горного массива и рудничной
атмосферы на физико-технические свойства мерзлых пород, тепловой режим горных выработок, неледеобразование, смерзаемость горной массы и
другие технологические осложнения и негативные явления, характерные
для условий многолетней мерзлоты.
2. Установлены количественные зависимости физико-технологических свойств пород (прочность, хрупкость, абразивность, пылеобразующая
способность) от температуры многолетнемерзлого горного массива.
3. Дано теплофизическое обоснование технологических решений по
адаптации (изменению) вспомогательных производственных процессов эффективной разработки месторождений горного хрусталя для различных
геокриологических условий (тепловые методы интенсификации горных работ, незамерзающие системы водоснабжения, энергосберегающие горнотехнические системы естественного регулирования теплового режима рудников, защита от обмерзания откаточных выработок, локальный подогрев
шахтного воздуха в рабочих забоях и т.д.).
4. Разработана технология предотвращения смерзаемости горной массы на базе применения антифризных добавок и использования воздушнотепловой обработки очистных блоков с магазинированием руды.
5. Предложена кристаллосберегающая технология и определены рациональные параметры буровзрывных работ для «щадящего» вскрытия
хрусталеносных полостей большого объема с пьезооптическим сырьем.
Личный вклад автора заключается в: проведении экспериментальных исследований физико-технологических свойств мерзлых пород в зависимости от температуры; разработке инженерных методов расчета оптимальных режимов локального подогрева шахтного воздуха; обосновании
энергосберегающих горнотехнических систем регулирования естественного
теплового режима нагорных рудников по добыче горного хрусталя; теплофизическом обосновании технических и технологических решений по
предотвращению обледенения откаточных штолен в зимний период; обос5
новании безопасной технологии подземной отработки крупнообъемных полостей (объемом 500...1500 м3), заполненных рыхлым хрусталеносным материалом.
Практическое значение работы заключается в: разработке надежных систем горячего водоснабжения рабочих забоев в условиях отрицательных температур; в разработке комплекса мероприятий по предотвращению смерзаемости отбитой горной массы и регулированию температурного режима рудников по добыче горного хрусталя в зависимости от времени года; в обосновании и внедрении ресурсосберегающего способа
предотвращения обледенения воздухоподающих, водоотливных и откаточных выработок (штолен); в обосновании рациональной кристаллосберегающей технологии ведения очистных работ при отработке хрусталеносных
полостей («гнезд») большого объема.
Реализация работы.
Результаты исследований (комплекс рекомендаций по предотвращению криогенно-технологических осложнений для подземных горно-добычных работ; ресурсосберегающие горнотехнические системы по регулированию теплового режима; рациональные технологические схемы водоснабжения; безопасная кристаллосберегающая технология очистных работ
при отработке крупно-объемных хрусталесодержащих полостей) внедрены
на подземных разведочно-эксплуатационных объектах ГГП «Востоккварцсамоцветы», «Северкварцсамоцветы» и ЗАО «Турмалхан». Экономический эффект от внедрения рекомендаций составляет около 2,5 млн.
руб./год.
Результаты исследований использованы при разработке Методических
рекомендаций по предотвращению криогенно-технологических осложнений
при проведении подземных разведочно-эксплуатационных работ в условиях
Севера.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
V Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские
чтения», г. Чита, 2005 г.; Международной конференции «Теория и практика
оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменений», г. Тюмень,
2006 г.; Международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна 2006», г.
Комсомольск-на-Амуре, 2006 г.; расширенном семинаре кафедр подземной
разработки МПИ, открытых горных работ и безопасности жизнедеятельности ЧитГУ, 2006 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 13 работах, в том числе 1 монографии, 10 статьях и отраслевых методических
рекомендациях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 59 наименований и содержит 197 страниц машинописного текста, 61 рисунок, и 3 приложений о внедрении результатов диссертационной
работы в производство.
6
Работа выполнена на кафедре безопасности жизнедеятельности Читинского государственного университета при тесном сотрудничестве с лабораторией горно-разведочных работ Забайкальского комплексного научноисследовательского института, с которой проводились совместные исследования.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю д.т.н., профессору Ю.Н. Резнику за ценные консультации и постоянное внимание и консультанту, Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н.,
профессору Воронову Е.Т. за научно-методическую помощь в подготовке
диссертации.
Краткие сведения по изучаемому вопросу.
Одним из реальных путей дальнейшего повышения эффективности и
безопасности подземных горных работ в криолитозоне является повышение
качества проектирования на основе более внимательного учета температурного фактора, а также разработка научно-обоснованных технических и технологических решений, снижающих негативное влияние многолетней мерзлоты на процессы горного производства.
Фундаментальные исследования физико-механических свойств многолетнемерзлых пород проведены известными российскими учеными Вотяковым И.Н., Тютюновым И.А., Нарсесовой З.А., Шестерневым Д.М. и др.
Научные основы безопасной технологии подземной разработки месторождений в криолитозоне освещены в работах известных российских
ученых В.П. Бакакина, Ю.Д. Дядькина, С.В. Потемкина, А.А Зильберборда,
В.Н. Скубы, Д.П. Сенук, В.В. Кудряшова, Ю.В. Шувалова, Е.Т. Воронова,
В.А. Шерстова, Е.Н. Чемезова, В.Ю. Изаксона, С.Г. Гендлера, А.Ф. Галкина, П.Д. Чабана и других. Ведущими институтами в области совершенствования подземной разработки месторождений в условиях многолетней мерзлоты являются Санкт-Петербургский государственный горный институт
(ЛГИ), ВНИИ-1 (г. Магадан), ИГД Севера ЯФ СО РАН (г. Якутск), ИГД им.
А.А. Скочинского, Институт мерзлотоведения СО РАН, ИРГИРЕДМЕТ,
ЗабНИИ и другие.
Анализ направлений исследований и публикаций по данной проблеме
показывает, что недостаточно внимания уделено рассмотрению вопросов
повышения эффективности и безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя, расположенных, как правило, в районах Крайнего Севера. Большое разнообразие и специфика геокриологических и горнотехнических условий месторождений горного хрусталя обуславливает
необходимость адаптации и существенных изменений в традиционных технологиях подземной разработки рудных месторождений.
Анализ проведенных исследований на подземных горных работах показывает, что недостаточно внимания уделено рассмотрению комплексного
влияния температурного фактора на технологические процессы подземной
добычи горного хрусталя в криолитозоне.
При добыче пьезооптического сырья одним из важнейших факторов
является также обеспечение сохранности кристаллического сырья. Пробле7
мы буровзрывных работ освещены в работах известных ученых Барона
Л.И., Кутузова Б.Н., Демидюка Г.П., Брылова С.А., Мосинца В.Н., Дубинина Н.Г., Падукова В.А., Ханукаева А.Н. и других. Однако вопросы щадящей
технологии буровзрывных работ в основном рассмотрены с точки зрения
регулирования оптимальной кусковатости отбитой рудной массы. Данное
требование обуславливает необходимость разработки для каждого месторождения кристаллосырья буровзрывной «щадящей» технологии вскрышных очистных работ с учетом конкретных горно-геологических условий.
Основное содержание работы.
Традиционными хрусталедобывающими районами России в настоящее
время являются Саха-Якутия и Приполярный Урал (месторождения «Перекатное», «Додо», «Пуйва», «Желанное»). Наиболее характерными горнотехническими условиями для данных разведочно-эксплуатационных объектов
являются: труднодоступность районов и ограниченные энергоресурсы;
штольневое вскрытие месторождений; одновременное ведение подземных
горных работ как в зоне таликов, так и в зоне многолетней мерзлоты; различная протяженность вскрывающих штолен (от 500 до 3500 м); значительные водопритоки в таликовой зоне месторождений – до 30...40 м3/ч; суровые
природно-климатические условия (среднегодовая температура воздуха составляет минус 4...5 С; знакопеременная температура шахтного воздуха в
зоне проведения подземных горных работ от (– 4 до + 4 С); значительная
разбросанность очистных блоков и проходческих забоев; относительно небольшая производительность по горной массе (в пределах 30...50 тыс. т/год).
Наиболее характерные технологические осложнения, возникающие при
подземной разработке месторождений горного хрусталя приведены в табл. 1.
Отечественный опыт горнопромышленного освоения месторождений в
условиях Крайнего Севера показывает, что физико-механические свойства
многолетнемерзлых горных пород и энергоемкость их разрушения при ведении подземных горных работ прямо или косвенно связаны с температурным
режимом многолетнемерзлого горного массива.
Таблица 1
№
п/п
Наименование технологических
осложнений
Характерные причины
1
Перемерзание систем водоснабжения
(трубопроводов, шлангов, перфораторов)
2
Смерзаемость отбитой горной массы в
рудоспусках, магазинах и проходческих забоях. Обледенение шпуров,
полков, оборудования
Замерзание водоотливных систем (канав) и наледеобразование в воздухоподающих, откаточных и водоотливных
выработках в зимний период
3
8
Несоответствие пылеподавляющей
жидкости и системы водоснабжения
микроклиматическим условиям в забоях
Несоответствие концентрации растворов хлористого натрия температуре пород и шахтного воздуха
Переохлаждение водоотливных откаточных горных выработок (штолен) в
зимнее время
№
п/п
Наименование технологических
осложнений
Характерные причины
4
Образование снего-ледяных пробок в
вентиляционных трубопроводах
5
Налипание и примерзание увлажненной горной массы к стенкам вагонеток
в зимнее время
6
Переохлаждение горнорабочих при активной вентиляции забоев
Снижение несущей способности и
устойчивости мерзлых пород
Увеличение пылеобразующей способности многолетнемерзлых горных пород при их разрушении
7
8
Интенсификация конденсационных
процессов при резком охлаждении исходящего влажного шахтного воздуха
Низкая отрицательная температура на
поверхности
Отрицательная температура шахтного
воздуха в забоях
Растепление горных выработок в летний период
Повышение прочности и хрупкости
мерзлых горных пород при отрицательной температуре
Для выявления физической сущности влияния температурного фактора
на процессы разрушения мерзлых пород и пылеобразования проведены исследования их физико-механических свойств при отрицательной температуре (пределы прочности на сжатие и растяжение, коэффициенты хрупкости,
абразивности и динамической прочности).
Результаты исследований приведены на рис. 1, 2.
Рис. 1. Изменение предела прочности мерзлых песчаников на сжатие (а)
и растяжение (б) в зависимости от температуры
Анализ полученных данных (рис. 1) показывает, что физикомеханические свойства мерзлых горных пород существенно зависят от их
температуры. Так, если предел прочности песчаников при сжатии сж мало
зависит от температуры пород, то предел прочности на растяжение р резко
возрастает с понижением температуры. Поскольку сж при этом остается
практически неизменным, коэффициент хрупкости пород р/сж также резко
увеличивается при понижении температуры.
9
Рис. 2. Влияние отрицательной
температуры на хрупкость (1),
абразивность (2), динамическую
прочность (3) кварцевых
песчаников
Как видно из рис. 2, при понижении температуры мерзлых пород (от 0
до минус 8 С) на 40...50 % возрастает их хрупкость, динамическая прочность и абразивность. Отмеченная выше зависимость изменения прочности
кварцитовых песчаников от температуры объясняется изменением содержания в них незамерзшей влаги и образованием напряжений, возникающих
при замерзании гравитационной воды при понижении температуры.
Анализ условий ведения подземных горных работ в криолитозоне показывает, что запыленность воздуха в горных выработках также прямо или
косвенно связана с температурным режимом окружающего мерзлого горного массива. Многолетняя мерзлота существенно изменяет динамику процесса и влияет на интенсивность пылевыделения и дисперсный состав продуктов разрушения. На основании математической обработки результатов
экспериментальных исследований получена эмпирическая зависимость интенсивности пылеобразования при различных процессах горного производства в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород.
(1)
Ft  F0 (1   t 273  Т п )
где F и F0 – удельное пылеобразование соответственно в криолитозоне и
зоне положительных температур (при бурении в г/пог. м; при взрывании в
г/кг ВВ; при погрузке в г/т); Тп – температура горных пород, К; t - геокриологический коэффициент приращения интенсивности пылеобразования
(при бурении – 0,29; при погрузке – 0,218; при взрывании – 0,306), град-1/2.
Выявленные закономерности изменения физико-технических свойств
мерзлых горных пород в криолитозоне дают основания рекомендовать использовать тепловые методы интенсификации процессов разрушения горных
пород и снижения пылеобразования при различных производственных процессах (использование горячей воды для промывки шпуров; перевод рабочих
забоев на положительный тепловой режим). Так, по данным производственных испытаний, использование горячей воды (+50...60 С) для промывки
шпуров позволяет на 60...70 % снизить запыленность воздуха, на 25...30 %
повысить скорость бурения шпуров и снизить износ буровых коронок.
Для реализации тепловых методов интенсификации процессов бурения шпуров, нормализации условий для работы горно-шахтного оборудова-
10
ния, а также снижения запыленности воздуха разработаны и внедрены
участковые и автономные системы горячего водоснабжения рабочих забоев.
Допустимое время нахождения (эксплуатации) автономных емкостей
с подогретой водой в рабочих забоях рекомендуется определять по формуле

Р  Св tн  tк
ln
, ч,
  S tк  t з
(2)
где Р  масса воды в передвижном бачке, кг; tн, tк  температура воды соответственно начальная и конечная, °С (рекомендуется tн = 50...60 °С; tк =
+20 °С); tз  температура воздуха в забое, °С; Св  удельная теплоемкость
воды (Дж/кгК); S  площадь поверхности резервуара с водой, м2;   коэффициент теплопередачи через стенки емкости, Вт/м2К.
Расчеты показывают, что при температуре воды +50...60 °С и температуре воздуха в забое минус 3...4 °С допустимое время эксплуатации бачков
не превышает 6...8 ч. Использование теплоизоляции (например, напыление
слоя пенополиуретана на стенки бачков толщиной 3...4 см) позволяет увеличить их оптимальное время работы в условиях отрицательных температур в 2...3 раза.
Для обеспечения надежной работы горношахтного оборудования,
устойчивой работы систем гидрообеспыливания, а также создания оптимальных условий труда горнорабочих при проведении горных работ в условиях многолетней мерзлоты важное значение имеет создание положительного теплового режима в рабочих забоях.
Для создания положительного теплового режима рекомендован и испытан локальный подогрев шахтного воздуха непосредственно в зоне призабойного пространства с использованием переносных забойных электрокалориферов.
Тепловой баланс при локальном подогреве воздуха можно представить уравнением
qкал – qтр – qперф – qзаб = QвСt,
(3)
где qкал – количество тепловой энергии, выделяемой калорифером, кДж/ч;
qтp – потери тепловой энергии в нагнетательном трубопроводе, кДж/ч;
qзаб – потери тепловой энергии в результате теплообмена шахтного воздуха со стенками проходческого забоя, кДж/ч; qперф – количество холода,
выделяющееся при работе пневматических машин, кДж/ч; Qв – производительность вентилятора, кг/с; С – теплоемкость воздуха, Дж/кгК; t –
приращение температуры воздуха в забое, °С.
Количество выделяющегося тепловой энергии при работе электрокалорифера составит
qкал = 860 Nэл , кДж/ч,
(4)
где Nэл – мощность электрокалорифера, кВт.
Количество тепловой энергии, проходящее через стенки забойного
нагнетательного трубопровода в течение 1 ч, составит
11
qтр = Sтрkтр(tкал – tпр), кДж/ч.
(5)
Количество тепла, теряемое вентиляционной струей, омывающей забой, составит
qзаб = Sзаб3(t1 – tп,),
(6)
2
где Sзаб – площадь стенок призабойного пространства, м ; 3 – коэффициент
теплоотдачи, Вт/м2К; t1 – температура воздуха у поверхности массива
мерзлых пород, °С (согласно экспериментальным данным принимается
t тр  t заб ); t
заб – температура воздуха на выходе из забоя, °С; tп – темпеt1 
2
ратура свежеобнаженного многолетнемерзлого массива, °С.
Температуру воздуха непосредственно в рабочем забое после теплообмена для практических расчетов рекомендуется определять по формуле
 з S заб
(7)
(t1  t п ),
Qв с
где tзаб – температура воздуха в забое после теплообмена, °С;
QВ – производительность нагнетательного вентилятора, кг/с;
с – теплоемкость воздуха, Дж/кгК;
 – плотность воздуха, кг/м3.
Схема подогрева и температурная обстановка при локальном подогреве воздуха приведена на рис. 3.
t заб  t тр 
а)
б)
Рис. 3. Динамика температуры шахтного воздуха при локальном подогреве:
а) схема расположения электрокалориферов: 1– нагнетательный вентилятор ВМ-5;
2 – отсасывающий вентилятор ВМ-6; 3 – электрокалорифер СФО-20; 4 – шпуры для замера ореола оттаивания мерзлых пород; б) график изменения температуры воздуха в забое: 5 – за калорифером; 6 – в нагнетательном трубопроводе; 7 – в призабойной зоне;
8 – при естественном тепловом режиме (без подогрева)
12
Как видно из рис. 3, зона положительных температур в призабойном
пространстве распространяется на длину 40...60 м.
Локальный подогрев по данной схеме повышает температуру рудничного воздуха только в месте производства работ. В остальных выработках
температура воздуха остается отрицательной, что обеспечивает необходимую устойчивость выработок без дополнительного крепления. Опыт применения локального подогрева шахтного воздуха показал его эффективность как для снижения технологических осложнений в рабочих забоях,
так и для улучшения микроклиматических условий и повышения производительности труда.
Одним из характерных технологических осложнений при разработке
месторождений горного хрусталя в суровых природно-климатических условиях Севера является смерзаемость отбитой рудной массы как в проходческих забоях, так и в очистных блоках (см. рис. 4).
0
-1
-2
-3
-4
Температура пород, °С
-5
-6
-7
Рис. 4. Затраты времени на бурение 1 пог. м шпура (1); настилку 1 пог. м путей (2);
уборку 1 т породы (3); люковую погрузку руды (4)
в зависимости от температуры многолетнемерзлых пород при использовании
чистой воды для гидрообеспыливания
Как видно из графиков (рис. 4), фактор смерзаемости отбитой горной
массы наиболее сильно начинает проявляться в интервале температур минус 3...4 С и ниже. При этом наиболее негативную роль этот фактор играет
при проходке вертикальных горных выработок и в очистных блоках с магазинированием руды, т.е. когда отбитая влажная горная масса длительное
время находится в рудоспусках и магазинах при отрицательных температурах.
Для предотвращения смерзаемости отбитого жильного кварца при добыче рассмотрено два способа:
а) применение антифризных добавок (хлористого натрия) для увлажнения породы;
13
б) воздушно-тепловая обработка руды в очистных блоках в процессе
ее выпуска.
Для установления оптимальной концентрации раствора хлористого
натрия для увлажнения жильного кварца в магазинах были проведены промышленные исследования смерзаемости горной массы в зависимости от доли замерзшего раствора. В результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ получено следующее уравнение зависимости прочности отбитого жильного кварца от доли замерзшего рассола:
сж = 93,5+316,1 +161,32 – 268,7 3 + 163,44,
(8)
где  – доля замерзшего рассола (формула справедлива для  = 0,35…0,90).
Полученные результаты показывают, что независимо от исходной
концентрации рассола и температуры среды содержание льда в замерзшем
растворе соли является определяющим параметром при оценке смерзаемости увлажненной горной породы и прочности замерзших рассолов. Допустимые значения содержания льда в замерзающем рассоле при увлажнении
породы, при которых не будет происходить смерзание кусков, составляет
0,5…0,6.
На основании выполненных лабораторных и производственных исследований на рудниках по добыче жильного кварца установлено, что при температуре горных пород 0...3 °С вполне допустимо применять для гидрообеспыливания теплую воду, а при более низкой температуре  растворы
хлористого натрия.
Нами предложен и испытан в натурных условиях способ управления
процессами тепломассопереноса, заключающийся в продувке через отбитую руду нагретого воздуха, который назван воздушно-тепловой обработкой руды. Уравнение теплового баланса имеет вид
, (9)
G   (t  t )  К К
2 1
 агр S р (T0  0,5t2  0,5t1)  rS р (ср Р1  Р2 )
где Кагр, К  соответственно коэффициенты агрегатных переходных влаги и
нестационарного теплообмена между воздухом и рудными отдельностями,
Вт/(м2К); Sр – площадь поверхности руды в «магазине», м2; Т0 – начальная
температура пород и руды, С;   коэффициент массоотдачи, кг/м2сПа;  –
плотность воздуха, кг/м3; r – удельная теплота конденсации (испарения влаги), Дж/кг; ср – средняя относительная влажность воздуха в «магазине»; t1 –
температура воздуха на выходе из электрокалорифера, С; t2 – температура
воздуха на выходе из «магазина», С; Р1, Р2 – парциальное давление в воздухе насыщенного пара при средней температуре фильтрующегося воздуха tср
= 0,5(t1 + t2) и температуре поверхности рудных отдельностей Тпов, Па.
Производственные испытания воздушно-теплового метода профилактики отбитого жильного кварца проводились на руднике «Додо» при отработке блока жильного кварца с магазинированием руды. Схема тепловой
подготовки очистного блока приведена на рис. 5.
Высота блока составляла 20 м, длина  40 м. Мощность жилы кварца
колебалась от 2 до 3 м. Температура пород составляла минус 2 °С. Для про14
дувки руды был установлен вентилятор СВМ-6 с калорифером СФО-40, работающий на нагнетание через перемычку. Температура подаваемого в блок
(магазин) воздуха составляла 18…20 °С.
Рис. 5. Схема воздушно-тепловой
обработки очистного блока:
1 – вентиляционная дверь;
2 – ляда; 3 – выпускной люк;
4 – вентилятор СВМ-5;
5 – электрокалорифер СФО-40
Расход воздуха составлял 5,2 м3/с. Мощность калорифера 60 кВт.
Удельные затраты тепла на оттаивание 1 м3 пород составили около 20 МДж.
Коэффициенты использования тепла воздуха и конденсации влаги составили соответственно 0,8 и 0,6 при скорости воздуха в порах пород 0,005 м/с.
Производственные испытания при выпуске руды в зимнее время показали, что продувка блока в течение 3…4 дней обеспечивает нормальный
режим выпуска в течение 10…15 дней без зависаний отбитой горной массы.
При этом необходимее время продувки составляет двое суток на каждый
градус температуры мерзлых пород.
Учитывая, что рудники по добычи горного хрусталя, как правило,
расположены в труднодоступных районах Крайнего Севера, где остро
ощущается дефицит электроэнергии и энергоносителей, обоснованы и
внедрены безэнергетические системы регулирования теплового режима, основанные на использовании естественных запасов тепла в массиве горных
пород подмерзлотных горизонтов. На ряде подземных разведочноэксплуатационных объектов Приполярного Урала и Якутии были внедрены
энергосберегающие системы подогрева наружного воздуха с помощью теплоаккумулирующих выработок (ТАВ). В качестве ТАВ были использованы
нерабочие и геологоразведочные выработки (штольни). Один из внедренных вариантов регулирования теплового режима рудника «Додо» с использованием ТАВ приведен на рис. 6.
Одним из характерных горнотехнических осложнений на рудниках по
добыче горного хрусталя является обледенение откаточных и водоотливных
выработок (штолен) в зимний период. Особенно наледеобразование характерно для сети выработок, пройденных как в зоне многолетней мерзлоты,
так и в зоне таликов (Южная Якутия, Приполярный Урал).
15
Диаграмма для определения длины TAB, полученная на основании
температурных съемок и натурных наблюдений на рудниках по добыче
горного хрусталя, приведена на рис. 9.
1 – 2 – 3 – ТАВ
Рис. 6. Общешахтная
схема проветривания
рудника «Додо» с использованием теплоаккумулирующих
выработок (ТАВ):
1 – вентиляционная
дверь;
2 – вентилятор главного
проветривания
Рис. 7. Диаграмма для определения длины ТАВ для случая нагревания шахтного воздуха в зимний период до
уровня, близкого к естественной температуре горных
пород
Для предотвращения чрезвычайных ситуаций, нарушающих ритм работы рудников, нами были разработаны и внедрены технико-технологические мероприятия по борьбе с наледеобразованием, отличающиеся по способам воздействия и применяемым техническим решениям.
Для локализации наледей на почве штолен, образующихся на границе
зоны многолетней мерзлоты (в 600 м от устья штольни) в переходный период, был применен метод проморозки почвы за счет обдува почвы штольни на участках водопритоков вентилятором ВМ-6 в ночное время. Как правило, работа вентилятора ВМ-6 в течение 1...2 ночей (в холодное время)
обеспечивала локализацию наледи ледяной «рубашкой». Расход воздуха составлял 6…7 м3/с.
В наиболее холодные периоды года (январь-февраль) на расстоянии
1000…1200 м от устьев штолен (в районе геологического разлома), как правило, возникает такое явление как ледопад, т.е. образование огромных сосулек, свисающих с кровли и боков штолен. Ледопад уменьшает сечение
откаточных штолен и препятствует работе подземного рудничного транспорта (откатке) горной массы.
16
Для предотвращения обледенения воздухоподающих откаточных штолен в зимний период было дано теплофизическое обоснование и внедрен
энергосберегающий метод оттайки на базе периодического реверсирования
вентиляционной струи, позволяющий использовать для обогрева тепло таликовой зоны месторождений. Принципиальная схема общешахтного проветривания и реверсирования вентиляционной струи рудника «Перекатный» представлена на рис. 8. Внедрение данного способа показало, что при реверсировании струи за два выходных дня растапливается 6...8 т льда и предотвращается аварийное наледеобразование в основных откаточных штольнях.
Рис. 8. Принципиальная схема общешахтного проветривания и реверсирования вентиляционной струи на руднике «Перекатный»: 1 – главная вентиляционная установка
общешахтного проветривания; 2 – вспомогательные вентиляторы (типа ВМ-6)
для реверсирования вентиляционной струи
При добыче пьезокварца одним из важнейших факторов является
обеспечение сохранности кристаллического сырья. Особенно остро проблема кристаллосбережения стояла на руднике Перекатный, где горный
хрусталь добывается из хрусталеносных полостей растворения, отличающихся большими объемами (до 1000...1500 м3). Для отработки таких гнезд
разработан технологический регламент очистных работ.
Наиболее рациональные схемы вскрытия крупных гнезд горного хрусталя приведены на рис. 9, а, б. При выборе вариантов безопасной отработки «вывалов» учитывались следующие основные требования:
а) при вскрытии гнезда одной выработкой общая длина ее, включая
хрусталесодержащее гнездо, не должна превышать 10 м; в противном случае необходимо применять для проветривания гнезд вентиляторы местного
проветривания или проходить дополнительную выработку для обеспечения
сквозного проветривания;
б) при размере гнезда в поперечине до 8 м включительно хрусталесодержащее гнездо отрабатывается без крепления; при большем размере гнезд
необходимо применение анкерного крепления кровли;
17
в) для больших гнезд («вывалов») предусматривается проведение
наклонных или вертикальных вскрывающих рудоспусков, оборудованных
выпускными люками с наклонными желобами для улучшения условий выборки кристаллов хрусталя из кристаллосодержащей горной массы (см. рис. 9, б).
При вскрытии «вывала» горизонтальной выработкой оптимальной
схемой очистной выемки является поэтапное скреперование (растаскивание) кристаллосодержащей горной массы слоем 15...20 см с последующей
выборкой кристаллов кварца (рис. 9, а). Процесс этот полностью повторяется до полного извлечения кристаллосодержащей горной массы из естественной полости.
а)
б)
Рис. 9. Схемы выборки кристаллосырья из вывалов:
а) при вскрытии вывалов горизонтальными или наклонными выработками;
б) то же вертикальными или крутонаклонными выработками:
1 – вывал (полость); 2 – кристаллосодержащая горная масса; 3 – слой горной массы для
выборки кристаллов; 4 – скреперная установка; 5 – конечное положение ската рудоспуска; 6 – желоб; 7 – люк; 8 – штанговая крепь (с сеткой)
Для отработки крупных гнезд горного хрусталя на руднике «Перекатный» была отработана рациональная технология. Для безопасной очистной
выемки рекомендуется соблюдать следующую последовательность очистных работ:
1. В зоне вскрытия гнезда ортом вручную разбирается порода с перекидкой до 3 м.
2. Разобранная порода убирается скреперной лебедкой.
3. При наличии крупных глыб, перекрывающих сечение вскрывающей выработки, последние дробятся с применением накладных или шпуровых зарядов.
4. После получения свободного доступа в гнездо производится его обследование с целью определения параметров гнезда.
5. На сопряжении вскрывающей выработки и гнезда производится
оборка кровли и стенок гнезда.
6. Обследуется и приводится в безопасное состояние вся доступная
зона кровли и стенок гнезда.
18
7. Производится вручную дальнейшая разборка «вывала» и гнездовой
породы.
8. Осматриваются ранее приведенные в безопасное состояние кровля
и стенки гнезда с целью обнаружения новых заколов и своевременного
принятия мер безопасности.
9. По мере разборки «вывала» (гнездовой породы) и обнажения кровли и стенок «вывала», производится оборка дополнительно обнаженных поверхностей.
10. При наличии в кровле монолитных пород обнажение без крепления допускается по всей площади образованного свода гнезда. При этом периодически производится визуальное наблюдение за состоянием кровли.
25-летний опыт работы рудника Перекатный показал, что данная технология отработки крупных хрусталеносных полостей (гнезд) обеспечивает
безопасные условия труда. За весь период опасных обрушений пород и
несчастных случаев не отмечено.
Типовой паспорт БВР при вскрытии хрусталеносных гнезд приведен
на рис. 10.
Параметры буровзрывных работ
Наименование параметра
Един. изм.
Кол-во
1. Количество очередей взрывания
шт.
2
2. Распределение шпуров:
1-я очередь
1, 2, 3, 4, 5, 6
2-я очередь
7 – 16
3. Величина заряда
кг
0,2
4. Глубины шпуров
м
Lш = НП – 0,05
5. Расстояние между шпурами
м
а = НП– 0,05
6. Очередность взрывания шпуров
одновр.
Примечание. Обуривание шпуров и взрывание зарядов второй очереди производится
после осмотра результатов взрывания зарядов первой очереди
Рис.10. Паспорт БВР при «щадящей» технологии вскрытия хрусталеносных гнезд
(полостей) при толщине породной перемычки НП = 0,4...0,6 м
19
Заключение
В диссертационной работе, дано решение актуальной народнохозяйственной задачи по повышению эффективности и безопасности подземной
разработки месторождений горного хрусталя в сложных природноклиматических условиях на основе управления криогенными и тепловыми
процессами в многолетнемерзлом горном массиве и рудничной атмосфере.
Основные научно-практические результаты выполненных исследований сводятся к следующему.
1. Выделены основные природные факторы и выявлены наиболее характерные технологические осложнения криогенного характера, оказывающие негативное влияние на эффективность и безопасность подземной разработки месторождений горного хрусталя.
2. Установлены закономерности влияния температурного фактора на
физико-технические свойства многолетнемерзлых пород, позволяющие интенсифицировать производственные процессы на базе использования тепловых воздействий на разрушаемый многолетнемерзлый массив и регулирования теплового режима в зоне очистных и горнопроходческих работ.
3. Для интенсификации технологических процессов разработаны и
внедрены надежные автономные и участковые системы снабжения рабочих
забоев технологической водой с повышенной температурой, обеспечивающие тепловое воздействие на мерзлые породы.
4. Для нормализации производственных процессов в условиях отрицательных температур обоснован и внедрен локальный подогрев шахтного
воздуха в призабойной зоне, обеспечивающий применение средств гидрообеспыливания и повышение производительности труда горнорабочих.
5. Разработан и внедрен комплекс технических мероприятий по
предотвращению смерзаемости отбитой горной массы в очистных и проходческих забоях, на базе использования антифризных добавок (хлористого
натрия) и воздушно-тепловой обработки очистных блоков с замагазинированной рудной массой.
6. Разработаны и реализованы ресурсосберегающие антиобледенительные горнотехнические системы вентиляции и регулирования теплового
режима на рудниках по добыче хрусталя на базе использования теплоаккумулирующих выработок и периодического реверсирования общешахтной
вентиляции, предотвращающие обледенение откаточных, водоотливных и
воздухоподающих штолен.
7. Разработана и внедрена безопасная кристаллосберегающая технология очистной выемки крупнообъемных хрусталеносных полостей с использованием штангового крепления в открытом очистном пространстве.
8. Внедрение результатов исследований осуществлено на рудниках
«Перекатный», «Додо» и ЗАО «Турмалхан», что позволило повысить эффективность производства и обеспечить безопасность условий труда. Суммарный экономический эффект составил около 2,5 млн. рублей.
20
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Монографии и методические рекомендации
1. Повышение эффективности и безопасности подземной разработки месторождений горного хрусталя в криолитозоне / – Чита: ЧитГУ, 2006. – 242
с. (в соавторстве с Вороновым Е.Т. и Вороновым Д.Е.).
2. Методические
рекомендации
по
предотвращению
криогеннотехнологических осложнений при проведении подземных разведочноэксплуатационных работ в условиях Севера. – Чита: ЗабНИИ, 2001. – 48 с. (в
соавторстве с Вороновым Е.Т. и Резником Ю.Н.).
Статьи
3. Влияние деградации многолетней мерзлоты на устойчивость подземных
горных выработок. V Всероссийская научно-практическая конференция
(материалы конференции). – Чита: ЧитГУ, 2005.  Ч.1. – С. 9...12 (в соавторстве с Вороновым Е.Т.)
4. Влияние природных условий криолитозоны на технологические процессы при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. V
Всероссийская научно-практическая конференция (материалы конференции). – Чита: ЧитГУ, 2005.  Ч.1. – С. 12...15 (в соавторстве с Вороновым
Е.Т.)
5. Воздушно-тепловое разупрочнение отбитой руды при подземной разработке месторождений в криолитозоне. V Всероссийская научнопрактическая конференция (материалы конференции). – Чита: ЧитГУ, 2005.
 Ч.1. – С. 15 ...17 (в соавторстве с Вороновым Е.Т.)
6. Нормализация выпуска руды в мерзлом массиве при системах разработки с магазинированием руды // Вестник Читинского государственного
университета: Выпуск 40. – Чита: ЧитГУ, 2006.  С. 19...24 (в соавторстве с Вороновым Е.Т.)
7. Изыскание оптимальных щадящих технологий отбойки жильного кварца
// Вестник Чит. гос. ун-та. – Чита, 2006. – вып. 40.  С. 24...28 (в соавторстве с Вороновым Е.Т. и Найдановым К.Ц.)
8. Криогенно-технологические осложнения и комплекс мероприятий по их
предотвращению на рудниках Севера. / Доклад на международной конференции «Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и
прогноз ее изменений»: Материалы Международной конференции. Т. 2.
– Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С. 217...219 (в соавторстве с Вороновым
Е.Т.)
9. Влияние температурного фактора на процессы ведения подземных горных работ в условиях вечной (многолетней) мерзлоты // Известия вузов.
Горный журнал. Екатеринбург: УГГУ, № 4, 2006. – С. 55...62 (в соавторстве с Вороновым Е.Т., Вороновым Д.Е.)
10. Динамика изменения физико-технических свойств многолетнемерзлых
коренных пород в криолитозоне // Вестник МАНЭБ, № 5 (11), С.Петербург – Чита, 2006. – С. 73...78.
21
11. Совершенствование систем разработки при подземной добыче пьезокварца // Вестник МАНЭБ, № 5 (11), С.-Петербург – Чита, 2006. – С.
50...56 (в соавторстве с Вороновым Е.Т. и Вороновым Д.Е.).
12. Повышение безопасности и эффективности подземных горных работ на
рудниках Севера. Материалы международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна 2006». – Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2006. – С.
93...96.
22
Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97 г. Сдано в производство 01.09.2006 г.
Уч.-изд. л. 1
Усл. печ. л. 1
Тираж 100 экз. Заказ №
_________________________________________________________________
Читинский государственный университет
672039, Чита, ул. Александро-Заводская, 30
РИК ЧитГУ
23