Конструкции, технологии и температурный режим льдопородных сооружений, возводимых в россыпных шахтах Севера

Значительная часть золотодобывающих предприятий РФ расположено на территории Дальневосточного региона, в том числе в криолитозоне, где эффективную отработку мерзлых глубокопогребенных россыпных месторождений возможно производить только подземным способом. При этом поддерживать кровлю выработанного пространства россыпных шахт предлагается с помощью льдопородных целиков оригинальной конструкции, обеспечивающей повышенную несущую способность. Целики возводятся по усовершенствованной технологии с использованием металлических труб, послойно укладываемых в тело целика через определенные промежутки. Произведена оценка эффективности предлагаемого способа проморозки возводимого целика с использованием разработанной математической модели. В основу модели положено двумерное нелинейное уравнение теплопроводности (задача Стефана), которое позволяет прогнозировать термическое состояние вновь возводимого льдопородного целика и вмещающего массива многолетнемерзлых горных пород россыпной шахты. Разработана компьютерная программа, предусматривающая выбор геометрических размеров и оптимальные даты начала строительства льдопородного целика, физико-технических свойств горных пород, количество и порядок расположения металлических труб, по которым нагнетается холодный воздух для интенсификации проморозки возводимого целика. На компьютерных моделях проведено сравнение скорости возведения льдопородного целика традиционным и предлагаемым способами. Полученные результаты позволяют констатировать, что промораживание целика предлагаемой конструкции происходит намного быстрее в сравнении с обычным за счет принудительной циркуляции холодного воздушного потока по трубам. Установлена динамика охлаждения и последующего промерзания возводимого льдопородного целика в россыпных шахтах в условиях повышенной интенсивности вентиляции. Выявлены особенности процессов теплообмена между возводимым льдопородным целиком и окружающим многолетнемерзлым горным массивом россыпных шахт. Подтверждена возможность значительного ускорения процессов промораживания возводимого льдопородного целика предлагаемой конструкции и, как следствие этого, набора прочностных характеристик. Таким образом, возведенные целики будут иметь высокие прочностные характеристики, надежно поддерживая очистное пространство и обеспечивая безопасные условия эксплуатации россыпных шахт криолитозоны.

Каймонов М. В., Киселев В. В. Конструкции, технологии и температурный режим льдопородных сооружений, возводимых в россыпных шахтах Севера // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 8. – С. 118–129. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-8-0-118-129.

Каймонов Михаил Васильевич¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник,
Киселев Валерий Васильевич¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник,
¹ Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.

Каймонов М.В., e-mail: gtf@igds.ysn.ru.

1. Подземная разработка россыпных месторождений: Библиогр. указатель отеч. лит. (1965—2001 гг.) / Сост. В.А. Шерстов; РАН. Сиб. отд. Ин-т горн. дела Севера. НТБ. — Якутск: Типогр. ИМ, 2002. — 152 с.

2. Сальманов Р. Н., Мачнев Ф. Ф. О целесообразности применения искусственных ледяных целиков при подземной разработке вечномерзлых россыпей // Колыма. — 1977. — № 11. — С. 7—10.

3. Сальманов Р. Н., Красных С. Н. Разработка россыпных месторождений с применением замораживаемого закладочного материала // Колыма. — 1987. — № 3. — С. 19—20.

4. Необутов Г. П., Гринев В. Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты. — Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. — 104 с.

5. Петров А. Н., Алексеев А. М., Колесников С. Г., Петров Д. Н. Технологические решения по отработке подмерзлотных горизонтов месторождения Бадран // Горный журнал. — 2016. — № 9. — С. 46—50.

6. Необутов Г. П., Петров Д. Н., Никулин Е. В. Оценка изменения тенденций развития технологии разработки жильных месторождений криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2009. — № 4. — С. 14—22.

7. Каймонов М. В., Хохолов Ю. А. Выбор состава льдопородных закладочных массивов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2019. — № 5. — С. 179—188.

8. Киселев В. В., Хохолов Ю. А. Перспективные способы вторичной подземной разработки глубокопогребенных остаточно-целиковых россыпных месторождений криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — СВ 30. — С. 173—184.

9. Киселев В. В., Хохолов Ю. А., Каймонов М. В. Приоритетные направления подземной золотодобычи и крепления очистного пространства россыпных шахт криолитозоны // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 5. — С. 49—58.

10. Skudzzyk F. I., Barker I. C., Walsh D. Е., MacDonald R. Applicability оf Siberian placer mining technology tо Alaska; Finаl Report for the Alaska Scienceand Technology Foundation MIRL, Report № 89 University оf Alaska Fairbanks, 1991. 77 p.

11. Шерстов В. А., Шерстова Л. И., Маликов Е. Ф., Скрябин Р. М. Золотодобывающая промышленность Аляски. — Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1992. — 44 с.

12. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 2004. — 798 с.

13. Беляев Н. М., Рядно А. А. Методы теории теплопроводности. Ч. 2. — М.: Высшая школа, 1982. — 304 с.

14. Wei Cao, Yu Sheng, Jichun Wu, Jing Li, Yaling Chou, Jinping Li Simulation analysis of the impacts of underground mining on permafrost in an opencast coal mine in the northern Qinghai–Tibet Plateau // Environmental Earth Sciences. 2017. Vol. 76. No 20. Pp. 711.

15. Panteleev I.A., Kostina A.A., Plekhov O. A., Levin L.Y. Numerical simulation of artificial ground freezing in a fluid-saturated rock mass with account for filtration and mechanical processes // Sciencesin Cold and Arid Regions. 2017. Vol. 9. No 4. Pp. 1—15.

16. Zheng T., Miao X.-Y., Naumov D., Haibing Shao, Kolditz O., Nagel T. A Thermo-hydromechanical finite element model of freezing in porous media—thermo-mechanically consistent formulation and application to ground source heat pumps / VII International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, 2017.

17. Seon Hong Na, Wai Ching Sun Computational thermo-hydro-mechanics for multiphase freezing and thawing porous media in the finite deformation range // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2017. Vol. 318. No 667. DOI: 10.1016/j.cma.2017.01.028.

18. Mikkola M., Hartikainen J. Mathematical model of soil freezing and its numerical implementation // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2001. Vol. 52(5–6). Pp. 543—557.

19. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика. — М.: Стройиздат, 1972. — 648 с.

20. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. — М.: Едиториал УРСС, 2014. — 784 с.

21. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1983. — 616 с.

22. Мусакаев Н. Г., Романюк С. Н., Бородин С. Л. Численное исследование закономерностей движения фронта фазового перехода в многолетнемерзлых породах // Известия вузов. Нефть и газ. — 2011. — № 6. — С. 122—128.

23. Хасанов М. К., Столповский М. В. Численное решение задачи Стефана с несколькими границами фазовых переходов методом ловли фронта в узел сетки // Фундаментальные исследования. — 2015. —№ 11 (ч. 4). — С. 748—752.