Обоснование технологии майнообразования при разработке обводненных месторождений

Известно, что большая часть инертных строительных материалов и россыпей Крайнего Севера и арктической зоны относится к обводненным, а их разработка осуществляется в основном землесосными снарядами, непредназначенными для работы в условиях длительных отрицательных температур воздуха, поэтому работы носят сезонный характер. Сезонность оказывает неблагоприятное влияние на деятельность горных предприятий, разрабатывающих обводненные месторождения. Это влияние заключается в снижении рентабельности этих предприятий за счет продолжительного периода зимнего отстоя земснарядов и, как следствие, их низкой годовой производительности.

Для обеспечения возможности технологических перемещений земснарядов в зимний период в забое поддерживают участок незамерзающей водной поверхности (майну).

Существуют различные способы майнообразования, имеющие свои достоинства и недостатки [1, 2]. К основным недостаткам известных способов образования майны можно отнести высокие энергетические затраты и большую трудоемкость работ, что ограничивает их применение для продления добычного сезона земснарядов [3, 4]. В этой связи создание эффективных технологий майнообразования при разработке месторождений нерудных материалов и россыпей является актуальной научно-практической задачей в современных условиях развития горнодобывающей отрасли.

Целью исследований стало увеличение продолжительности добычного сезона при разработке обводненных месторождений путем покрытия водоемов теплоизолирующим материа-

Результаты исследований применения ТИМ

При покрытии технологического водоема теплоизолирующим материалом происходит искусственное затухание конвекции в его верхних слоях. За счет покрытия ТИМ поверхности участков подготовленных запасов полезного ископаемого в зимний период предотвращается образование льда, что ведет к снижению энергетических затрат, связанных с уборкой льда в весенний период.

Нанесение теплоизолирующих конструктивных элементов в форме шаров и цилиндров, выполненных из материала (пенопласт, пластик, пенополиуретан и др.) темного цвета, на поверхность технологического водоема существенно сохраняет его теплоемкость [5, 6]. Соединение ТИМ цилиндрической формы между собой тягами и утяжеление осей чередованием через один цилиндр способствуют восстановлению прежнего состояния покрытия водоема после маневрирования (рис. 1). Шаровидная форма также придает свободное маневрирование земснарядам [7, 8].

В ходе разработки обводненных месторождений при устойчивых отрицательных температурах воздуха по условиям безопасности необходимо учитывать толщину замерзания грунта

Рис. 1. Майнообразование с использованием теплоизолирующих цилиндров и шаров: 1, 2 – цилиндры из ТИМ одинаковой длины большего диаметра верхнего ряда и меньшего диаметра нижнего ряда соответственно; 3 – ось цилиндров; 4 – тяги, шарнирно закрепленные к осям; 5 – понтон; 6 – ледяной покров; 7 – шары из ТИМ

Рис. 2. Пример технологической схемы зимней гидромеханизации: 1 – слой неразрыхленной мерзлоты; 2 – утепление карьера плитами ТИМ; 3 – слой разрыхленной мерзлоты, подготовленной к выемке; 4 – земснаряд; 5 – шары из ТИМ для поддержания майны; 6 – плавучий пульпопровод; 7 – ледяной покров; 8 – береговой пульпопровод надводного борта, так как при промерзании толщины грунта выше допускаемой нормы будут обрушаться мерзлые «козырьки» в зону грунтозабора (рис. 2). Поэтому грунт надводного борта необходимо утеплять [9, 10].

На основании основного закона теплопроводности (закона Фурье) разработана математическая модель зависимости удельного теплового потока от коэффициента теплопроводности, толщины теплоизолирующих материалов и температуры воздуха:

q = h тим 1 (3,828 X — 1,010 Z te — 0,024 te — 0,224Х                               (1)

где h тим – толщина ТИМ, покрывающего технологический водоем в месте производства горных работ, м; Z - коэффициент теплопроводности ТИМ, Вт/(м-⁰С); t_в - температура воздуха, ^оС.

При выборе ТИМ для определенной температуры воздуха предлагается использовать параметр произведения удельной теплоемкости на толщину ТИМ:

Рт= qxh_TИ м .                                                                      (2)

Эффективность материала можно оценить углом наклона прямых линий, представленных на графике (рис. 3):

α = arctg (Pt / tв).                                                                   (3)

Результаты расчетов по формуле (2) изображены в виде графиков на рис. 4.

Из представленных графиков видно, что ТИМ можно условно разделить на три категории: высоко-, средне- и низкоэффективные. Так, при α=0÷15 град – высокоэффективные ТИМ, α=15÷40 град – среднеэффективные ТИМ, α=40÷70 град – низкоэффективные ТИМ.

Лучшим вариантом теплоизолирующего материала является категория высокоэффективных ТИМ (пенополиуретан, а его толщина, препятствующая замерзанию водоема при температуре воздуха минус 30 °С, равна 0,05 м (рис. 4). Также хорошим теплоизолятором является воздух, при минус 30 °С слой воздуха в 0,25 м изолирует от промерзания водоема). Таким образом, учитывая теплофизические параметры ТИМ, оболочка шара может быть из пенополиуретана, а внутри шара – воздух. Диаметр шара 0,25 м, толщина оболочки шара примерно равна 0,005 м, масса одного шара 71 г.

Для выбора оптимальной толщины теплоизолирующего материала, покрывающего водоем для защиты от его промерзания, должно соблюдаться условие:

Рис. 3. Зависимость коэффициента Рт от отрицательной температуры воздуха для ТИМ (в скобках: плотность ТИМ в кг/м3 и коэффициент теплопроводности, Вт/м): 1 – воздух (1,29; 0,24), 2 – винил (1,517; 0,17), 3 – дерево (500-800; 0,12-0,20), 4 – минеральная шерсть (200; 0,92), 5 – пенопласт (75-100; 0,0370,043), 6 – пенополистирол (50; 0,033), 7 – пластик (1,8; 2,8), 8 – пенополиуретан (60; 0,025), 9 – пенобетон (400-600; 0,8-1,1), 10 – резина (1200; 0,16), 11 – шлак гранулированный (500-600; 0,1-015), 12 – шлаковата (200-300; 0,034-0,07)

Рис. 4. Зависимость удельного теплового потока от толщины пенополиуретана qтим < qл при температуре °С минус 30 °С,                              (4)

где qтим - удельный тепловой поток при покрытии водоема теплоизолирующим материалом, Вт/м2; qл - удельный тепловой поток при покрытии водоема ледяным покровом, qл = 26-32 Вт/м2.

Технологический водоем должен отрабатываться этапами. На примере Терентьевского песчано-гравийного месторождения (Красноярский край) показана схема отработки технологического водоема этапами (рис. 5).

А – разработка полезного ископаемого в летний период;

B - разработка полезного ископаемого с теплоизолирующим материалом (в форме шаров и цилиндров) в период с устойчивой отрицательной температурой (ноябрь и начало декабря);

• С – подготовка участка с запасами для выемки в весенний период (ТИМ в форме плит);

• С^/ – разработка подготовленного на этапе С участка с запасами в весенний период.

При разработке обводненных месторождений земснарядами при устойчивых отрицательных температурах воздуха майна делится на четыре зоны: левая бортовая зона (равна длине корпуса земснаряда L₆ .3 =L k ), правая бортовая зона (равна длине корпуса земснаряда L₆ .3 = L_k), кормовая зона (длина равна L_к . ₃= L - L_k - L_г p. _уст) и призабойная зона (равна расстоянию от начала грунтозаборного устройства земснаряда до забоя, L п.з ) (рис. 6).

В таблицах 1, 2 представлены параметры майнообразования для земснарядов разной производительности.

Модель зависимости площади майны от ширины заходки земснаряда

S „ = 7,597^b² - 340 b + 4561,

или

Рис. 5. Пример распределения технологического водоема на этапы отработки (цифрами показаны месяцы года, буквами – этапы отработки)

Производительность земснаряда, м3/ч	Ширина заходки земснаряда (b), м	Длина майны, Lм	Длина бортовых зон, м L б.з = L к	Длина призабойной зоны, м L п.з	Длина кормовой зоны, м Lк.з= L – Lк – Lгр.уст
До 1200	20	30-40	22,02	3	5-15
1200-2200	26	39-46	31	5,5-10	2,5-5
2200-4000	35	40-52	33,6	3-12,4	3,5-6
Более 4000	40-45	62,5-89	36	15	11,5-38

Таблица 2. Скорость подвигания земснарядов

Производительность земснаряда, м3/ч	Ширина заходки земснаряда, м	Площадь майны, м2	Скорость подвигания земснаряда, м/ч	Скорость подвигания земснаряда с погружным грунтовым насосом, м/ч
До 1200	20	600-800	3,3-30	1,5
1200-2200	26	1000-1200	3,3-42,3	1,5-2,1
2200-4000	35	1400-2000	4,7-57,1	2,1-2,9
Более 4000	40	2500-4000	6,3-75	2,9-3,75

Рис. 6. Зоны майны: 1 – призабойная; 2 – правая бортовая; 3 – левая бортовая; 4 – кормовая; 5 – земснаряд; 6 – лед

L = 7,597∙b + ⁴⁵⁶¹ -340, b

где SM - площадь майны, м2; L - длина майны, м; b - ширина заходки земснаряда, м.

Зависимость площади майны от ширины заходки земснаряда носит экспоненциальный характер (рис. 7).

Были определены зависимости минимальной площади майны земснаряда от производительности по грунту и по пульпе, размеров понтона земснаряда. Зависимости на графиках носят линейный характер (рис. 8-10).

Ширина заходки земснаряда, b, м

Рис. 7. Зависимость площади майны от ширины заходки земснаряда

Рис. 8. Зависимость минимальной площади майны от площади корпуса

Производительность земснарядов по грунту, Sгр, м3/ч

Рис. 9. Зависимость минимальной площади майны от производительности земснарядов по грунту

Производительность земснарядов по пульпе, Sп, м3/ч

Рис. 10. Зависимость минимальной площади майны от производительности земснарядов по пульпе

В результате расчетов найдена минимальная площадь покрытия зоны водоема ТИМ в виде шаров и цилиндров.

Для исследования теплоизолирующих материалов на практике были проведены эксперименты по испытанию льда на сжатие и изгиб на разрывной машине LFM 20 kN, а также определена удельная нагрузка, необходимая для разрушения льда. Таким образом, из проведенных расчетов и опытов видно, что способы поддержания майны с использованием теплоизолирую -щих шаров и цилиндров позволят снизить прочность льда и, следовательно, продлить срок добычного сезона земснаряда.

Выводы

В результате проведенных расчетов выявлено, что при покрытии водоема теплоизолирующим материалом в зимний период происходит искусственное затухание конвекции в верхних слоях водоема и, следовательно, отодвигаются сроки льдообразования. Форма теплоизолирующего материала должна быть цилиндрической и (или) шарообразной, что обеспечивает свободное маневрирование в нем земснаряда.

На основании основного закона теплопроводности разработана математическая модель зависимости удельного теплового потока от коэффициента теплопроводности, толщины теплоизолирующих материалов и температуры воздуха, что позволяет определить эффективный теплоизолирующий материал, его рациональные размеры и количество.

Для создания эффективного маневрирования предложен раскрой майны относительно земснаряда на четыре зоны: левая бортовая, правая бортовая, кормовая и призабойная. Доказано, что наиболее эффективное распределение теплоизолирующего материала в форме цилиндров – это бортовые зоны майны, а шарообразной формы – остальные зоны майны.

Получена модель зависимости параметров майны (ширина, длина и площадь майны) от ширины заходки земснарядов. Определены зависимости минимальной площади майны от различных типов земснарядов. Зависимости носят линейный характер.

На примере Терентьевского песчано-гравийного месторождения (Красноярский край) рекомендовано технологический водоем отрабатывать в четыре этапа: А, B, С, C / .

Таким образом, доказано повышение эффективности разработки обводненных месторождений при устойчивых отрицательных температурах воздуха за счет принципиально новых – 401 – способов образования майны с применением плавающего теплоизолирующего материала, представленного в форме шаров и цилиндров, а также плит для участков, подготовленных к разработке.