повышение устойчивости горных выработок в криолитозоне

УДК 536:24:622:413
А.Ф.ГАЛКИН, д-р техн. наук, профессор, afgalkin@yandex.ru
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
A.F.GALKIN, Dr. in eng. sc., professor, afgalkin@yandex.ru
National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В КРИОЛИТОЗОНЕ
Изложены отдельные результаты экспериментальных исследований повышения ус­
тойчивости горных выработок в зоне многолетней мерзлоты с помощью теплоизоляции.
Рассмотрены проблемы тепловой защиты мерзлых пород при высоких температурах воз­
духа в выработках.
Ключевые слова: горная выработка, мерзлые породы, теплоизоляция, тепловая за­
щита, Север.
INCREASE OF STABILITY OF MINE WORKINGS
IN THE PERMAFROST ZONE
Some experimental results of increase of stability of mine workings are presented in this
article. The investigated mine workings are located in the permafrost conditions and the increas­
ing of stability is achieved by insulation. Problems of thermal protection of frozen breeds are
considered at high temperatures of air in mine workings.
Key words, mine workings, frozen breeds, insulation, thermal protection, the North.
Для подземных объектов криолитозоны
(зоны многолетней мерзлоты), эксплуати­
рующихся со знакопеременной во времени
температурой внутренней среды и сущест­
венно изменяющимися прочностными свой­
ствами горных пород при оттаивании, в це­
лях обеспечения безопасности необходимо
использовать тепловую защиту [4, 6, 7].
Обычно в качестве теплоизоляции пород ис­
пользуют синтетические материалы на осно­
ве пенополиуретанов или легкие бетоны [1,
4, 5]. Проведенные теоретические и экспери­
ментальные исследования показали, что ис­
пользование пенополиуретановых покрытий
является эффективным средством обеспече­
ния нормативных параметров теплового ре­
жима в подземных сооружениях криолитозоны и устойчивости горных выработок.
Результаты исследований в экспери­
ментальной выработке на угольной шахте
Ю жной Якутии, где использовалась тепло-
вая защита из пенополиуретана марки
ППУ-4н, позволили установить основные
закономерности формирования теплового
режима в теплоизолированных горных вы­
работках [1, 5]. В частности, установлено,
что наличие теплоизоляции существенно
снижает интенсивность теплообмена между
воздухом и горными породами. Так, темпе­
ратурный перепад воздуха по длине выра­
ботки на теплоизолированном участке был
равен 0,3 °С/м, а на участке без теплоизо­
ляции - почти в 3 раза больше (0,8 °С/м).
Обработка экспериментальных данных по­
казала, что наличие теплоизоляции снижает
температурный перепад по длине выработ­
ки в среднем на 0,2 °С/м. При этом c повы­
шением начальной температуры воздуха
роль теплоизоляции значительно возраста­
ет. Тепловую эффективность проветрива­
ния экспериментальной выработки можно
охарактеризовать количеством тепла, вы­
---------------------------------------------------------- 99
Санкт-Петербург. 2014
Интенсивность теплообмена на различных участках экспериментальной выработки
Характеристика
участков
Расход
воздуха, кг/с
С теплоизоляцией
1,04
1,01
1,95
1,62
1,04
1,01
1,95
1,62
Без теплоизоляции
Относительная влажность, %
Температура, °С
в начале участка
в конце участка
в начале участка
в конце участка
Интенсивность
теплообмена,
Дж/с
6
16
22
28
6
16
22
28
4,7
13,8
19,1
24,5
4,3
12,5
18,2
21,6
60
58
42
24
70
62
50
28
70
62
44
24
94
76
62
36
861
2121
4907
10904
1309
4650
14840
14350
ражающим разность теплосодержания вхо­
дящей и исходящей вентиляционных струй
(Qj) на различных участках.
Расчетные значения QJ для участков
выработки с теплоизоляцией и без нее
(см.таблицу) существенно отличаются друг
от друга, что свидетельствует о более ин­
тенсивном прогреве мерзлых пород на уча­
стках без теплоизоляции.
Для оценки влияния изоляционного
слоя на температурный режим горных пород
были проведены наблюдения за формирова­
нием температурного поля вокруг экспери­
ментальной выработки. Установлено, что
теплоизоляция значительно снижает интен­
сивность процесса аккумуляции тепла гор­
ными породами и препятствует распростра­
нению положительных температур в глубь
массива. Наличие теплоизоляции на стенке
выработки толщиной 5-7 см снижает глуби­
ну ореола оттаивания почти в 2 раза. При
этом температурные колебания пород прак­
тически затухают уже в 1,5-2 м от стенки
выработки.
Сравнительная оценка данных показы­
вает, что наличие теплоизоляции увеличи­
вает время начала оттаивания пород, окру­
жающих выработку, причем время наступ­
ления положительной температуры на
стенке выработки зависит от толщины теп­
лоизоляции и естественной температуры
мерзлых пород. Так, при толщине теплоизо­
ляции 3 см (Те = -0,68 °С) оттаивание пород
начинается через сутки, а при толщине
5-7 см (Те = -1,1 °С) - через трое суток по­
сле начала проветривания. На участке без
теплоизоляции (Те = -1,5 °С) оттаивание по­
род началось через 16 ч.
Результаты экспериментальных иссле­
дований также показали, что скорость от­
таивания пород за теплоизоляцией ниже,
чем на неизолированных участках: скорость
движения ореола оттаивания за теплоизоля­
цией толщиной 6 см в 2 раза ниже, чем на
участке без теплоизоляции. Следует отме­
тить, что скорость изменения ореола оттаи­
вания велика лишь в первые 10-12 суток
проветривания выработки воздухом с поло­
жительной температурой. С течением вре­
мени она резко уменьшается, причем темп
понижения скорости на теплоизолирован­
ных участках значительно выше.
По результатам натурных исследований
можно сделать следующие выводы:
1. На теплоизоляционных участках ко­
лебания температуры воздуха незначитель­
ны, так как интенсивность теплообмена с
породами резко уменьшается.
2. Наличие изоляции на стенках выра­
ботки существенно снижает интенсивность
массообменных процессов, так как исклю­
чается прямой контакт воздуха с увлажнен­
ными поверхностями выработки.
3. При проветривании выработок нали­
чие теплоизоляционного слоя на стенках
существенно снижает процесс аккумуляции
тепла мерзлыми породами. Так, теплоизоля­
ция толщиной 5-7 см уменьшает глубину
оттаивания в 2 раза, при этом скорость из­
менения ореола оттаивания за теплоизоля­
цией в 2 раза ниже, чем на участках без теп­
лоизоляции.
4. Теплоизоляция горных выработок
является эффективным средством конди­
ционирования рудничного воздуха, позво­
100 ---------------------------------------------------------------I S S N 0135-3500. Записки Горного инст ит ут а. Т.207
ляющим обеспечить заданные термовлаж­ разным в таких случаях является использова­
ностные параметры вентиляционной струи и ние универсальных теплозащитных покрытий
уменьшить глубину оттаивания пород, ок­ с переменным термическим сопротивлением.
При отрицательной температуре воздуха в
ружающих выработку.
Недостатком покрытий из пенополиуре­ сооружении термическое сопротивление по­
тана являются их невысокие прочностные ха­ крытия минимально, что обеспечивает эффек­
рактеристики и сложность нанесения в под­ тивное охлаждение горных пород, а при экс­
земных условиях из-за выделения большого плуатации с положительной температурой
объема вредных газов в период твердения. В внутренней среды термическое сопротивле­
связи с этим нами были разработаны новые ние покрытия возрастает, причем тем больше,
несущие теплозащитные покрытия на основе чем выше температура воздуха. При обратном
легкого набрызг-бетона [2, 3, 5], отличитель­ изменении температуры, с плюса на минус,
ной особенностью которых является повы­ термическое сопротивление защитного по­
шенное термическое сопротивление при по­ крытия уменьшается и достигает своего пер­
стоянной прочности. Последнее достигается воначального расчетного значения.
Для реализации данной идеи нами пред­
тем, что теплозащитное покрытие выполняет­
ся слоистым, когда несущие прочные слои ложена оригинальная конструкция элемен­
чередуются с легкими теплоизоляционными тарной ячейки покрытия, которая состоит из
слоями. Набрызг-бетонная технология позво­ слоистых элементов, соединенных между со­
ляет создать такую конструкцию даже в тече­ бой определенным образом, и элементов с
ние одного цикла простым изменением со­ существенно изменяющимся от температуры
держания пористого заполнителя и тяжелой коэффициентом линейного расширения. При
фракции в загружаемой смеси.
отрицательной температуре ячейка покрытия
Существенным недостатком большин­ представляет собой достаточно плотный
ства теплоизоляционных материалов и за­ слоистый материал, количество слоев которо­
щитных конструкций на их основе является го определяется диапазоном возможного из­
практически постоянный коэффициент теп­ менения эксплуатационной температуры. При
лопроводности, изменение которого в зави­ повышении температуры происходит разуп­
симости от наружной температуры незначи­ лотнение слоистого материала за счет образо­
тельно. В период эксплуатации объекта с вания между слоями воздушных зазоров, раз­
положительной температурой теплоизоля­ мер которых тем больше, чем больше тепло­
ция обеспечивает мерзлое состояние горных вой поток, действующий на покрытие. При
пород и, как следствие, их устойчивость, но этом воздушные зазоры уменьшаются или
при эксплуатации с температурой ниже фа­ увеличиваются пропорционально поперечно­
зовых переходов влаги в породах и естест­ му градиенту температуры в покрытии. Соот­
венной температуры горных пород - пре­
ветственно, термическое сопротивление ячей­
пятствует их охлаждению. Выполненные
ки такого покрытия будет тем больше, чем
исследования показали [4, 6], что толщина
выше температура воздуха в сооружении. При
теплоизоляции, обеспечивающая безопас­
понижении температуры воздушные проме­
ный режим эксплуатации объекта при по­
жутки уменьшаются, отдельные слои смыка­
ложительной температуре воздуха, будет
тем меньше, а следовательно, и экономиче­ ются между собой и термическое сопротивле­
ски более эффективной, чем ниже темпера­ ние покрытия резко уменьшается, что позво­
ляет эффективно осуществлять охлаждение
тура окружающих пород.
Таким образом, очевидно, что традици­ горных пород.
Разработана методика расчета элемен­
онная тепловая защита выполняет в рассмат­
риваемых условиях эксплуатации объектов тарной ячейки универсального покрытия,
как положительную, так и отрицательную позволяющая определять изменение терми­
роль. На практике это приводит к необходи­ ческого сопротивления в зависимости от
мости существенного увеличения толщины плотности теплового потока и температуры в
теплоизоляции или использования усиленных сооружении, а также устанавливать конст­
видов крепи, что ведет к дополнительным руктивные оптимальные параметры ячейки
экономическим затратам. Наиболее целесооб­ покрытия.
Санкт-Петербург. 2014
101
ЛИТЕРАТУРА
REFERENCES
1. Авксеньтьев И.В. Теплоизоляция горных вырабо­
ток в условиях многолетней мерзлоты / И.В.Авксеньтьев,
B.Н.Скуба. Новосибирск: Наука, 1984. 176 с.
2. Галкин А.Ф. Набрызгбетонная теплозащитная
крепь / А.Ф.Галкин, В.В.Киселев, А.С.Курилко. Якутск:
ЯНЦ СО РАН, 1992. 164 с.
3. Галкин А .Ф. Новая технология крепления гор­
ных выработок в криолитозоне // Техника и технология.
2011. № 3. С.46-47.
4. Галкин А .Ф. Расчет параметров теплозащитных
покрытий подземных сооружений криолитозоны // Изв.
вузов. Горный журнал. 2008. № 6. С.81-89.
5. Галкин А .Ф. Тепловой режим подземных соору­
жений Севера. Новосибирск: Наука, 2000. 304 с.
6. Скуба В.Н. Исследование устойчивости горных
выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новоси­
бирск: Наука, 1974. 118 с.
7. Шувалов Ю.В. Теория и практика оптимального
управления тепловым режимом подземных сооружений
криолитозоны / Ю.В.Шувалов, А.Ф.Галкин // Горный
информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 8.
C.365-370.
1. Avksentyev I.V., Scuba V.N. Insulation of mining in
permafrost conditions. Novosibirsk: Nauka, 1984. 176 p.
2. Galkin A.F, Kiselev V.V., KurilkoA.S. Thermal pro­
tective shotcrete lining. Yakutsk: YaNTs of the Siberian
Branch of the Russian Academy of Science, 1992. 164 p.
3. Galkin A.F. The new technology of fixing mines
in permafrost // Technique and Technology. 2011. № 3.
P.46-47.
4. Galkin A.F. Calculation of parameters thermal
barrier coatings underground structures permafrost //
News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2008.
№ 6. P.81-89.
5. Galkin A.F. Thermal regime of underground struc­
tures of the North. Novosibirsk: Nauka, 2000. 304 p.
6. Scuba V.N. Investigation of the stability of mine
workings in permafrost conditions. Novosibirsk: Nauka,
1974. 118 p.
7. Shuvalov Y.V., Galkin A.F. The theory and practice
of optimal thermal management of underground facilities
permafrost // Mining informational and analytical bulletin.
2010. № 8. P.365-370.
102 ---------------------------------------------------------------I S S N 0135-3500. Записки Горного инст ит ут а. Т.207