КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

Аннотация

Введение При разработке месторождений полезных ископаемых наиболее дорогостоящим, долгосрочным и трудоемким процессом является строительство комплекса капиталь- ных горных выработок, в особенности вертикальных шахтных стволов. При этом, как показывает опыт, на месторождениях калийных солей каждый ствол пересекает толщу неустойчивых пород с высокой обводненностью. В результате для исключения про- 266 ----------------------- Page 267----------------------- никновения подземных вод в горные выработки строительство шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях осуществляется с применением специальных способов проходки, которые приводят к значительному увеличению объемов капиталь- ных вложений, а также продолжительности срока строительства. Основным специальным способом проходки стволов в обводненном породном массиве является искусственное замораживание горных пород с использованием холо- дильных установок. Конечной целью замораживания породного массива является обра- зование ледопородного ограждения (ЛПО) проектных параметров, обеспечивающих необходимую прочность для сдерживания давления подземных вод [1]. Процесс искусственного замораживания породного массива принято делить на периоды формирования и поддержания ЛПО требуемых размеров: активное заморажи- вание - образование ледопородного ограждения до начала проходки ствола; пассивное замораживание - поддержание сформированного ограждения в замороженном состоя- нии до возведения постоянной крепи; размораживание - оттаивание замороженных горных пород до их естественного состояния. Для каждого периода рассчитываются параметры работы замораживающего комплекса строящихся стволов, которые напря- мую зависят от естественной температуры породного массива, времени замораживания, а также от площади поверхности ледопородного ограждения. В период активного замораживания горных пород холодильные станции, как пра- вило, используются на полную мощность до создания ЛПО проектных размеров. В этот период количество теплоты, отводимое от охлаждаемого породного массива, является максимальным. После того как ледопородное ограждение сформировано, дальнейшее увеличение толщины ЛПО будет являться нецелесообразной затратой средств, поэтому режим работы замораживающего комплекса меняется [2]. При переходе на режим пассивного замораживания пород ледопородное ог- раждение должно сохранять свои размеры и прочность. Задача поддержания ЛПО в этот период сводится к отведению от мерзлых горных пород теплопритока со стороны незамороженного породного массива. Однако на практике замораживаю- щие комплексы в большинстве случаев работают с полной нагрузкой от начала за- мораживания до возведения постоянной крепи в стволе. В результате этого ледо- породное ограждение непрерывно увеличивается и на момент окончания периода пассивного замораживания имеет значительно большие размеры, чем те, которые были определены проектом. В связи с чем, в процессе контроля за формированием ЛПО на основе интеграции современных технологий мониторинга температуры и методов математического моде- лирования поставлена цель не только повысить безопасность ведения горных работ, но и вывести на качественно новый уровень управление состоянием ледопородного огра- ждения с учетом обеспечения минимальных затрат на материальные, финансовые и трудовые ресурсы. Контроль формирования и состояния ледопородного ограждения В начале 2016 года на Петриковском месторождении калийных солей ОАО «Беларуськалий» началось строительство вертикальных шахтных стволов. Со- гласно проекту организации строительства Петриковского горно-обогатительного ком- бината (ГОК) проходка стволов осуществляется при помощи искусственного замора- живания горных пород. Для оперативного контроля за процессом формирования и состояния ледопород- ного ограждения на участке строительства шахтных стволов Петриковского ГОК вне- дрена интеллектуальная система контроля, разработанная «ГИ УрО РАН», которая ба- зируется на использовании технологии оптоволоконной термометрии. Основное отли- чие системы «ГИ УрО РАН» от аналогов заключается в том, что ее структурные эле- 267 ----------------------- Page 268----------------------- менты позволяют хранить все данные геологических и теплофизических свойств гор- ных пород, осуществлять сбор параметров работы замораживающих станций стволов и непрерывно обрабатывать данные экспериментальных измерений распределенной тем- пературы породного массива (рисунок 1). Кроме того, при помощи данной системы производится математическая интерпретация результатов термометрии скважин, на ос- новании которой определяется трехмерное температурное поле во всем замораживае- мом породном массиве [3]. Рис. 1. Обобщенная структурная схема интеллектуальной системы контроля ЛПО Для определения температурного поля во всем замораживаемом породном масси- ве решаются прямая и обратная задачи Стефана (задачи теплопроводности с подвиж- ной границей) [4]. Благодаря применению современных технологий контроля и численных ме- тодов значительно повышается качество прогноза процесса замораживания, и при необходимости обеспечивается возможность его регулирования и оптимиза- ции [5]. Управление формированием и состоянием ледопородного ограждения В соответствии с проектной документацией для достижения ледопородными ограждениями шахтных стволов Петриковского ГОКа проектных параметров рас- считанное время работы замораживающего комплекса в активном режиме состав- ляет 121 сутки. После образования ЛПО требуемых размеров и выдачи заключения о возможности начала горнопроходческих работ замораживающий комплекс дол- жен быть переведен в пассивный режим. Продолжительность работы в пассивном режиме составляет 512 суток и складывается из времени, необходимого для про- ходки стволов, сооружения постоянной крепи и цементационной завесы ниже уча- стка замороженных пород. При этом проектом организации строительства преду- 268 ----------------------- Page 269----------------------- смотрено, что пассивное замораживание производится при такой же температуре подачи хладоносителя (-20 °С) в замораживающие колонки, как и при активном замораживании. Однако в результате выполнения оперативного контроля за состоянием за- мороженного породного массива на базе экспериментальных измерений темпе- ратуры горных пород по всей глубине контрольно-термических скважин, а так- же решения обратной задачи Стефана [4], установлено, что для условий строя- щегося ствола № 1 Петриковского ГОК при переходе на пассивный режим за- мораживания ледопородное ограждение продолжало устойчиво расти. Кроме того, фактическая толщина ЛПО на 87 сутки с начала активного замораживания превысила проектную более чем в 1,5 раза для всех исследуемых слоев пород- ного массива. Рассчитанная толщина ледопородного ограждения явно свидетельствовала о неэффективной трате средств, используемых для его формирования и даль- нейшего поддержания обводненных горных пород в замороженном состоянии. Поэтому, на основании полученных результатов принято решение о начале про- ходки ствола № 1 после 87 суток работы замораживающих станций в активном режиме. Кроме этого, с целью организации режима пассивного замораживания пород и выбора требуемой холодопроизводительности замораживающего комплекса для под- держания ЛПО выполнено математическое моделирование термодинамических про- цессов, происходящих в породном массиве при различных параметрах работы замора- живающих станций ствола с учетом перехода с активного режима на пассивный режим после 3 месяцев замораживания. Анализ произведен для наименее благоприятного слоя породного массива - «пес- чаник кварцевый» (критерий - максимальная температуропроводность 2,4• 10-6 м2/с). В качестве расчетных параметров задачи приняты: теплопроводность в зоне льда 5,99 Вт/(м•°С); теплопроводность в зоне охлаждения 5,01 Вт/(м•°С); удельная теплоемкость в зоне льда 775 Дж/(кг•°С); удельная теплоемкость в зоне охлаждения 868 Дж/(кг•°С); плотность среды 2450 кг/м3; температура фазового перехода -0,16 °С; удельная теплота плавления льда 330 кДж/кг; влагосодержание массива 0,04 кг/кг; температура непотре- воженного породного массива +7,3 °С. В результате моделирования установлено, что при сохранении параметров работы замораживающих станций строящегося ствола № 1 (температура хладоно- сителя -20 °С, расход - 380 м3/ч) в соответствии с проектом организации строи- тельства Петриковского ГОКа, замораживание породного массива приводит к дальнейшему увеличению толщины ледопородного ограждения. На момент окон- чания возведения цементационной завесы строящегося ствола № 1 (621 сутки) толщина ЛПО достигнет 9,9 метров, что составляет 495 % от проектного значения. При повышении температуры хладоносителя до -14 °С толщина ледопородного ог- раждения составит -8,4 метров (420 %), до -8 °С - 6,2 метра (310 %), до -6 °С - 3,9 метра (195 %), а при температуре подачи хладоносителя равной -4 °С - требуе- мая толщина ЛПО сохранится только на период 36 суток, что является недопусти- мым (рисунок 2). Следует отметить, что расход хладоносителя в отличии от про- ектных параметров был снижен до 280 м3/ч. 269 ----------------------- Page 270----------------------- Рис. 2. Динамика толщины ледопородного ограждения Отсюда следует, что для отвода теплопритока от мерзлых горных пород со сторо- ны незамороженного породного массива с целью поддержания требуемых параметров ледопородного ограждения достаточно обеспечить рабочие параметры замораживаю- щих станций с температурой подачи хладоносителя в замораживающие колонки равной -6 °С и его расходом 280 м3/ч. При этом к окончанию периода пассивного заморажива- ния водонасыщенных горных пород рассчитанная толщина будет превышать проект- ную с достаточным запасом. Полученные результаты указывают на то, что использование передовых тех- нологий мониторинга температуры породного массива совместно с математиче- ским моделированием термодинамических процессов, происходящих в породном массиве в условиях искусственного замораживания, позволяет не только осущест- влять прогноз формирования и состояния ледопородного ограждения, но и опера- тивно принимать технические решения по корректировке режима работы замора- живающего комплекса. В конечном итоге, в связи с переносом начала срока строительства на более ранний период, определением и регулированием параметров работы заморажи- вающего комплекса в пассивном режиме, а также обоснованием раннего срока от- ключения замораживающих станций ствола № 1 сроки строительства ствола в об- водненном породном массиве сокращены на 63 суток в сравнении с проектом (ри- сунок 3). 270 ----------------------- Page 271----------------------- Рис. 3. Совмещенные графики строительства и замораживания горных пород ствола № 1 с учетом и без оптимизации процесса формирования ЛПО В настоящее время выполняется аналогичное исследование для условий строи- тельства шахтного ствола № 2 Петриковского ГОК, кроме этого успешно продолжают- ся работы по контролю за температурным полем ствола № 1 при оттаивании заморо- женных горных пород.