Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород

 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке месторождений в условиях многолетнемерзлых пород (криолитозоны) системами с закладкой выработанного пространства при формировании закладочного массива (искусственного ледяного целика). Более половины территории России находится в условиях криолитозоны, в которой сосредоточены огромные запасы угля, железа, драгоценных металлов. Сущность изобретения: способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород, включающий образование первичных камерных выработок - формирование ледяного целика, заключающееся в подаче незамерзающего хладагента в них с удельным весом меньше удельного веса воды и отрицательной температурой, подаче воды порциями и отработку вторичных камер, при этом время замерзания ледяного целика определяют расчетным путем в зависимости от температуры хладагента. Изобретение обеспечивает сокращение сроков формирования ледяного целика в условиях вечной мерзлоты, что в целом обеспечивает повышение производительности подземной разработки месторождений полезных ископаемых. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при разработке месторождений в условиях многолетнемерзлых пород (криолитозоны) системами с закладкой выработанного пространства при формировании закладочного массива (искусственного ледяного целика). Более половины территории России находится в условиях криолитозоны, в которой сосредоточены огромные запасы угля, железа, драгоценных металлов.

Известен способ подземной разработки месторождений в условиях вечной мерзлоты, включающий отработку первичных камер, заполнение их ледяной закладкой (формирование которой выполняют за счет порций воды охлажденным воздухом), отработку вторичных камер с оставлением междукамерных целиков (см. Бакакин В. П. Основы ведения горных работ в условиях вечной мерзлоты. - М. : Металлургиздат, 1958. с. 93-94), Недостатком способа является то, что формирование ледяного целика занимает продолжительный период времени и не позволяет применить высокопроизводительную технологию добычи руды, а оставление междукамерных рудных целиков приводит к значительным потерям полезного ископаемого.

Наиболее близким техническим решением является "Способ возведения ледяного целика при подземной разработке многолетнемерзлых грунтов", а. с. 661117, E 21 F 15/00, 15.05.1979. В данном способе выполняется сооружение по периметру возводимого целика герметичной опалубки, подаче в опалубку незамерзающего хладагента с удельным весом меньше удельного веса воды и отрицательной температурой, подаче воды порциями из резервуаров, заполненных хладагентом и водой и установленных на поверхности, и возврате хладагента в резервуар, а для сокращения времени на возведение целика за счет увеличения теплообмена между хладагентом и водой и уменьшения количества хладагента предварительно перед подачей хладагента намораживают слой льда для получения герметичного днища, а подачу хладагента и воды осуществляют по разобщенным каналам с образованием слоя хладагента, толщину которого регулируют отводом хладагента из опалубки со стороны, противоположной его подаче в опалубку.

Применение данного способа позволяет сократить потери полезного ископаемого, однако недостатком этого способа является высокая трудоемкость и низкая производительность, отсутствие механизма управления временем формирования ледяного целика, обеспечение замораживания воды хладагентом за счет прерывистой теплопроводности, то есть статического теплообмена между водой и хладагентом (что приводит к большой продолжительности замораживания воды и набора необходимой прочности целика), высокие потери хладагента.

Цель изобретения заключается в снижении потерь полезного ископаемого и обеспечении применения высокопроизводительных систем с закладкой выработанного пространства за счет управляемого процесса формирования ледяного целика с необходимыми прочностными свойствами в технологически заданные сроки к зависимости от температуры и физических свойств хладагента, обеспечения конвективного (непрерывного) теплообмена между хладагентом и водой (циркуляции потока хладагента в замкнутой системе).

Поставленная цель достигается тем, что способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород включает образование первичных камерных выработок, формирование ледяного целика, заключающееся в подаче незамерзающего хладагента в них, с удельным весом меньше удельного веса воды и отрицательной температурой, подаче воды порциями и отработку вторичных камер, при этом время замерзания ледяного целика рассчитывают по формуле t = k•N(δ/2•a_л-ν/α•T_хл), где t - время замораживания ледяного целика, с; k - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oC и охлаждения ледяного массива до устойчивого состояния; N - мощность (высота) формируемого ледяного целика, м; δ - толщина единичного слоя воды, м, δ - не более 0,5 м; a_л - коэффициент температуропроводности воды, м²/с; ν - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³; α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²•град);
Т_хл - температура хладагента, град.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что подачу хладагента выполняют по сообщающимся сосудам разных диаметров без разрыва потоков в замкнутой системе, при этом сумма сечений сосудов, подающих в камеру хладагент, должна быть меньше или равна сумме сечения сосудов (сосуда), выдающего утепленный хладагент к источнику охлаждения.

Также поставленная задача достигается тем, что в качестве хладагента применяют охлажденный воздух, при этом сначала подают единичный слой воды, замораживают, затем последовательно другие слои до полного заполнения первичной камеры и образования монолитного ледового целика.

Реализация способа поясняется схемой, представленной на чертеже. , где на фиг. 1 - вертикальный разрез массива, на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1.

Способ включает образование первичных камер 4, пройденных по рудному телу 5 в массиве многолетнемерзлых пород 6, формирование ледяного целика 7, заключающееся в подаче незамерзающего хладагента 8 с удельным весом, меньшим удельного веса воды (из которой формируют ледяной целик 7), и отрицательной температурой, подачу воды порциями 5 по сообщающимся подающим сосудам (скважинам) 2 или любым другим способом (например, через перемычки 9), отработку вторичных камер в рудном теле 5 впритык с первичными камерами 4 после набора необходимой прочности ледяного целика; время замораживания целика с набором необходимой прочности (то есть при достижении температуры целика минус ^oC) определяют по формуле
t = k•N(δ/2•a_л-ν/α•T_хл),
где t - время замораживания ледяного целика, с;
k - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oC и охлаждения ледяного массива до устойчивого состояния, то есть достижения температуры минус 4^oC;
N - мощность (высота) формируемого ледяного целика, м;
δ - толщина единичного слоя воды, м, δ - не более 0,5 м:
а_л - коэффициент температуропроводности воды, м²/с;
υ - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³;
α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²•град);
Т_хл - температура хладагента, град.

При этом подачу хладагента выполняют по сообщающимся сосудам (скважинам) 2 из резервуара с хладагентом 1 разных диаметров S₁ и S₂ без разрыва потоков в замкнутой системе, при этом сумма сечений сосудов 2 S₁+S₂+. . . , подающих в камеру хладагент, должна быть меньше или равна сумме сечения S сосуда (сосудов) 3, выдающего утепленный хладагент к источнику охлаждения.

Если в качестве хладагента применяют охлажденный воздух, то сначала подают единичный слой воды толщиной δ, замораживают его охлажденным воздухом, подаваемым по сосудам 2 или другим способом (например, через перемычки 9), затем последовательно подают другие слои воды 8 и охлаждают их, и так далее до полного заполнения первичной камеры и образования монолитного ледового целика. Время замораживания определяют по вышеприведенной формуле, в которой учтены и температура хладагента 8 (независимо от того, воздух это или керосин), и скорость теплообмена, определяемая свойствами применяемого хладагента, и конечная температура искусственного целика (минус 4^oC), время охлаждения воды до 0^oC, кристаллизации воды, охлаждения ледяного целика до конечной температуры.

Способ осуществляют следующим образом.

В рудном теле 5, расположенном в толще многолетнемерзлых пород 6, проводят первичные камеры с выемкой руды и шириной камеры L с интервалом L по простиранию (или вкрест простирания) рудного тела. Затем выполняют сообщающиеся сосуды 2 и 3 (например, скважины или трубопроводы) таким образом, чтобы обеспечить неразрывность потока хладагента в замкнутой системе (первичные камеры 4 - сообщающиеся сосуды 2 и 3 - резервуар с хладагентом 1), которая поддерживается полнотой заполнения резервуара. При этом сумма сечений подающих сосудов 2 (скважин) должна быть меньше или равна сечению сосуда 3 (скважины), выдающей утепленный хладагент к источнику охлаждения (то есть обратно в резервуар). Это обстоятельство, а именно, замкнутость системы и соблюдение указанного соотношения сечений, обеспечивает автономность поддержания температуры охлаждения воды в необходимом режиме за счет циркуляции хладагента, обеспечивается конвективный, а значит, самый быстрый способ теплообмена (то есть обеспечивается постоянство заданной температуры хладагента на контакте с водой). Это достигается за счет того, что при теплообмене между хладагентом и водой хладагент нагревается с изменением своего удельного веса, что и приводит к движению его наверх. При этом согласованное движение вниз по подающим сосудам 2 и движение вверх по выдающему сосуду 3 будет выполняться, если будут обеспечены условия соотношения сечений сосудов, указанные выше.

После этого первичную камеру заполняют хладагентом 8, а затем подают порции воды (через подающие сосуды 2 или любым другим способом, например через перемычки 9) толщиной единичного слоя δ, которая выбирается исходя из необходимых технологических требований времени образования ледяного целика и температуры хладагента. Например, при температуре хладагента минус 20^oC, мощности рудного тела (высоте камеры) 2,4 м, применении в качестве хладагента керосина, толщине единичного слоя воды 0,2 м время замораживания ледяного целика составит 480 ч или 20 суток. В случае необходимости сокращения сроков формирования искусственного целика можно уменьшить толщину единичного слоя замораживаемой воды или охладить хладагент до более низких значений. При увеличении толщины единичного слоя воды время формирования целика возрастает, а точность расчетов по предлагаемой формуле уменьшается (погрешность расчетов растет от 10% к 20% и более), область применения которой ограничивается толщиной единичного слоя воды до 0,5 м. Как показывают опытно-промышленные испытания, оптимальная толщина единичного слоя воды составляет 0,1-0,2 м.

После полного заполнения первичных камер ледяным целиком 7 и набора его прочности отрабатывают вторичные камеры, расположенные между первичными на расстоянии L и менее между друг другом.

Такая технология отработки месторождений исключает необходимость оставления междукамерных целиков, то есть обеспечивает наибольшую полноту извлечения полезных ископаемых из недр при их добыче. Наряду с этим управляемое формирование ледяного целика обеспечивает применение высокопроизводительной технологии, так как позволяет возводить искусственный целик в заданные технологические сроки.

Формула изобретения

1. Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях многолетнемерзлых пород, включающий образование первичных камерных выработок, формирование ледяного целика, заключающееся в подаче незамерзающего хладагента в них с удельным весом меньше удельного веса воды и отрицательной температурой, подаче воды порциями и отработку вторичных камер, отличающийся тем, что время замерзания ледяного целика рассчитывают по формуле
t = k•N•(δ/2•a_л-ν/α•T_xл),
где t - время замораживания ледяного целика, с;
k - коэффициент, учитывающий время охлаждения воды до 0^oС и охлаждения ледяного массива до устойчивого состояния;
N - мощность (высота) формируемого ледяного целика, м;
δ - толщина единичного слоя воды, м, δ - не более 0,5 м;
а_л - коэффициент температуропроводности воды, м²/с;
ν - скрытая теплота кристаллизации воды, Дж/м³;
α - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м² •град);
Т_хл - температура хладагента, град.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу хладагента выполняют по сообщающимся сосудам разных диаметров без разрыва потоков в замкнутой системе, при этом сумма сечений сосудов, подающих в камеру хладагент, должна быть меньше или равна сумме сечения сосудов (сосуда), выдающих утепленный хладагент к источнику охлаждения.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве хладагента применяют охлажденный воздух, при этом сначала подают единичный слой воды, замораживают, затем последовательно другие слои до полного заполнения первичной камеры и образования монолитного ледового целика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2