Стратегия и процессы освоения георесурсов
Сборник «Стратегия и процессы освоения георесурсов» содержит труды сотрудников Горного института УрО РАН по широкому кругу фундаментальных и прикладных проблем и задач геологического техногенеза, механики горных пород, содержательной интерпретации геофизических полей, мониторинга природной и техногенной сейсмичности, аэрологии, теплофизики, геоэкологии и безопасности работ на горнодобывающих предприятиях.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОНОСНОСТИ ПОРОД СОЛЯНЫХ И ГЛИНИСТО-КАРБОНАТНЫХ ПАЧЕК, РАСПОЛОЖЕННЫХ ПО ГЕОЛОГИЧЕСКОМУ РАЗРЕЗУ МЕЖДУ III И IV КАЛИЙНЫМИ ГОРИЗОНТАМИ, ПРИ ПРОХОДКЕ ВСКРЫВАЮЩИХ УКЛОНОВ НА ШАХТНОМ ПОЛЕ РУДНИКА 2 РУ ОАО «БЕЛАРУСЬКАЛИЙ»
В статье приведены результаты исследований, целью которых являлась количе- ственная оценка показателей газоносности и газодинамических характеристик пород глинисто-карбонатных и соляных пачек, расположенных по геологическому разрезу Старобинского месторождения калийных солей между III и IV калийными горизонта- ми. Шахтные экспериментальные исследования газоносности и газодинамических ха- рактеристик пород глинисто-карбонатных и соляных пачек проводились во вскрываю- щих IV калийный горизонт уклонах на шахтном поле рудника 2 РУ ОАО «Беларуська- лий». Методикой шахтных экспериментальных исследований предусматривалась коли- чественная оценка следующих показателей: газоносности по свободным газам, началь- ной скорости газовыделения и давления свободных газов в породах 12, 10, 8 глинисто- карбонатных пачек, а также 11 и 9 соляных пачек.[1-3] Геологическое строение глинисто-карбонатных пачек в условиях Старобинского месторождения калийных солей характеризуется: частым чередованием прослоев глин с доломито-известковыми глинистыми породами, неслоистых и слабо слоистых пород; наличием слоев песчаников и алевролитов; наличием в верхней части пачек слоев ка- менной соли, играющих своего рода роль «газонепроницаемых экранов»; наличием в породах пачек органического вещества (до 1%). Все эти особенности геологического строения глинисто-карбонатных пачек позволяют предполагать протекание в толще пород процессов образования свободных газов и, соответственно, формирование при- контактных и очаговых скоплений свободных газов, которые при ведении горных работ - проходке вскрывающих уклонов, могут быть очагами газодинамических явлений. 326 ----------------------- Page 327----------------------- Породы 11, 9 и 7 соляных пачек содержат слои и прослои несоляных пород - галопели- тов, мощность которых колеблется от долей миллиметров до нескольких десятков сан- тиметров. К таким галопелитовым слоям и прослоям, как показывает практика ведения горных работ в калийных рудниках, могут быть приурочены приконтактные скопления свободных газов, которые также могут быть очагами таких газодинамических явлений, как внезапные обрушения (разрушения) пород кровли (почвы) горных выработок, со- провождающиеся газовыделением.[4, 5 ] Для обеспечения безопасности ведения горных работ при проходке вскрываю- щих уклонов были разработаны временные рекомендации по безопасному ведению горных работ при проходке вскрывающих уклонов по 12, 10 и 8 глинисто-карбонатным пачкам (ГКП) и 11, 9 и 7 соляным пачкам (СП) при вскрытии IV калийного горизонта на шахтном поле рудника 2 РУ ОАО «Беларуськалий», которые включают параметры профилактического дегазационного бурения, параметры буровзрывных работ для тор- педирования и дегазации приконтурной части уклонов при появлении предвестников газодинамических явлений, а также рекомендации по контролю предупредительных признаков и предвестников газодинамических явлений. В процессе проходки вскрывающих уклонов предусмотрено научное сопро- вождение, заключающееся в проведении научно-исследовательских работ по изуче- нию газоносности и газодинамических характеристик нижележащей толщи пород для своевременной корректировки и уточнению мероприятий по обеспечению безо- пасной проходки уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2 РУ. Газоносность пород изучалась путем отбора проб и замеров характеристик вы- деляющихся из исследовательских скважин газов [6, 7]. По мере проходки уклонов, вскрывающих IV калийный горизонт, скважины бурились поинтервально в почву вы- работки нормально к напластованию пород. При проходке транспортного, конвейерного и вентиляционного уклонов, вскры- вающих IV калийный горизонт на шахтном поле рудника 2РУ, пробурено 14 скважин с целью определения газоносности и газодинамических характеристик пород слоя под- стилающей каменной соли и 12 глинисто-карбонатной пачки, а также 5 комплектов по 3 скважины в каждом для исследования газоносности пород 10, 8 глинисто- карбонатных и 11, 9 соляных пачек. Всего в процессе научного сопровождения проход- ки вскрывающих уклонов было пробурено 29 исследовательских скважин. Распределе- ние показателей газоносности пород по свободным газам и начальной скорости газовы- деления в исследовательских скважинах по геологическому разрезу толщи пород меж- ду III и IV калийными горизонтами на шахтном поле рудника 2 РУ представлены на рисунке 1. Как видно из рисунка, наиболее газоносными являются породы четвертого (верхнего) слоя мощностью 6,1 м 12 глинисто-карбонатной пачки, отнесенной к опас- ным по газодинамическим явлениям. Газоносность по свободным газам изменяется от 3 3 3 3 1,33 м /м до 2,44 м /м , что в 12-20 раз превышает газоносность других слоев 12 гли- нисто-карбонатной пачки, расположенных ниже по геологическому разрезу. К этому же слою приурочены максимумы начальной скорости газовыделения, которые превышают начальную скорость газовыделения других пород 12 глинисто- карбонатной пачки, расположенных ниже по геологическому разрезу, в 5-8 раз, а также высока вероятность нахождения скоплений свободных газов, которые в соответствую- щих горнотехнических условиях могут представлять собой очаги газодинамических явлений. Газоносность по свободным газам и газодинамические характеристики пород 10 и 8 глинисто-мергелистых пачек существенно ниже показателей 12 глинисто- 327 ----------------------- Page 328----------------------- карбонатной пачки. Газоносность пород по свободным газам 10 и 8 ГКП изменяется от 3 3 3 3 0,10 м /м до 0,25 м /м . Начальная скорость газовыделения свободных газов изменяет- ся в пределах от 0,03 л/мин до 0,41 л/мин. Давление свободных газов в массиве не пре- вышает 0,192 МПа. Рис. 1. Газоносность пород и начальная скорость газовыделения в скважинах по разрезу толщи пород между III и IV калийными горизонтами В породах 11 и 9 соляных пачек газоносность по свободным газам изменяется от 3 3 3 3 0,1 м /м до 0,29 м /м , а начальная скорость газовыделения - от 0,03 л/мин до 0,33 л/мин. При этом максимальные значения газоносности (0,29 м3 3 /м) и начальной скоро- сти газовыделения (0,33 л/мин) приурочены к галопелитовым прослойкам. Давление свободных газов в породах 11 и 9 соляных пачек не превышает 0,192 МПа.
ПРОБЛЕМА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ СЛОЕВОЙ ВЫЕМКИ ТРЕТЬЕГО КАЛИЙНОГО ПЛАСТА В УСЛОВИЯХ СТАРОБИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ КАЛИЙНЫХ СОЛЕЙ
«Если существует два способа сделать что-либо, один из которых ведет к катастрофе, то кто-нибудь изберет именно этот способ» Закон Мерфи Газодинамические явления в рудниках ОАО «Беларуськалий», сопровож- дающиеся гибелью шахтеров, не происходили с сентября 1983 года, т.е. практически 35 лет. Как показывает практика ведения горных работ на пластах, опасных по газо- динамическим явлениям, в настоящее время на Старобинском месторождении ка- лийных солей решена значительная часть вопросов, связанных с предотвращением внезапных газодинамических явлений (ГДЯ). Разработаны и внедрены эффективные методы контроля предупредительных признаков и предвестников ГДЯ, а также эф- фективные способы предотвращения известных видов газодинамических явлений [1-10]. Исследования природы, механизма, разработку теории газодинамических яв- лений и методов борьбы с новыми их видами продолжаются и в настоящее время [12-18]. Однако, практика ведения горных работ на Третьем калийном пласте в ус- ловиях рудников ОАО «Беларускалий» в 2018 году показала, что проблема ГДЯ да- лека еще от своего окончательного решения и самое пристальное внимание следует уделить влиянию человеческого фактора на опасность проявления газодинамиче- ских явлений различного вида. На руднике 3 РУ ОАО Беларуськалий» 9 марта 2018 года на подземном горном участке № 10 при выполнении комплексом ПКС-8 № 4 зарубки на технологическую сбойку № 22-б западного столба горизонта -620 м произошел внезапный выброс соли и газа. Интенсивность внезапного выброса соли и газа составила порядка 600 м³ горной массы. Проходческий комбайн и самоходный вагон оказались полностью засыпаны вы- брошенной породой. Машинист горных выемочных машин М. Иванов 1973 года рож- дения и горнорабочий очистного забоя Д. Вальков 1985 года рождения погибли. На данном участке шахтного поля проводились испытания новой для рудников ОАО «Беларуськалий» технологической схемы выемки 4 сильвинитового слоя III ка- лийного горизонта через длительный (не менее 25 лет) промежуток времени после его подработки лавой по слоям 2, 2-3 и 3 (рисунок 1). На шахтных полях калийных рудни- ков ОАО «Беларуськалий» имеются участки Третьего калийного пласта на III калийном горизонте, которые из-за сложных геологических условий или ограничений на выни- маемую мощность по фактору водозащитной толщи были отработаны только по слоям 2, 2-3 и 3, а 4 сильвинитовый слой был временно законсервирован. В настоящее время на основании результатов специальных исследований, проведенных УП «Институт горного дела» г. Солигорск (д.т.н. В.А. Губанов, д.т.н. Б.И. Петровский, к.т.н. А.Л. По- ляков и др.), доказана возможность проведения и поддержания в безопасном состоянии подготовительных выработок для выемки подработанного 25-30 лет назад 4 сильвини- тового слоя и списанных запасов в охранных междустолбовых целиках [11]. Техноло- 300 ----------------------- Page 301----------------------- гия такой выемки подработанных запасов определяется правильным выбором мест за- ложения и привязки к пласту подготовительных выработок выемочного столба, кото- рый обеспечивает их устойчивость в течение всего периода эксплуатации в конкретных горнотехнических условиях ведения горных работ. На рисунке 2 приведен пример тех- нологической выемки 4 сильвинитового слоя лавой № 11-3 на 22-а западной панели III калийного горизонта (-620 м) рудника 3 РУ после его подработки более 30 лет назад лавой № 7 по слоям 2, 2-3 и 3 Третьего калийного пласта. Как видно из рисунка 1 под- готовка 22-а панели для отработки лавой № 11-3 осуществлена проведением пяти вы- работок: панельного вентиляционного штрека 12 и штреков лавы - конвейерного 6, вентиляционного 7, транспортного 8, вспомогательного вентиляционного 9. В первую очередь одним ходом комбайна ПКС-8 проходятся конвейерный 6 и транспортный штрек 8 под выработанным пространством смежной лавы № 35 (в зоне разгрузки) с ос- тавлением в кровле до 0,3 м 3 сильвинитового слоя. Такое расположение конвейерного и транспортного штреков позволяет очистным забоем лавы № 11-3 кроме 4 сильвини- тового слоя производить выемку запасов слоев 2, 2-3 и 3 в межпанельном целике. По- сле расширения конвейерного штрека до 3,8 м осуществляется проходка вентиляцион- ного штрека 7 и вспомогательного вентиляционного штрека 9 с использованием техно- логических сбоек 18. Вентиляционный штрек шириной 3,0 м располагается в разру- шенном и спрессованном целике между конвейерным штреком 10 на 22-й западной па- нели и конвейерным штреком 1 лавы № 7 и используется в качестве запасного выхода, а вспомогательный вентиляционный штрек располагается в межпанельном целике на расстоянии 5,0 м от разгружающего штрека 4 лавы № 7. Панельный вентиляционный штрек 12 пройден в целике между выемочными столбами лав № 6 и № 7. Примерно по такой же схеме велась подготовка выемочного столба лавы № 11-4, где произошел вне- запный выброс соли и газа. Рис. 1. Пример технологической схемы выемки 4 сильвинитового слоя III калийного горизонта через длительный (не менее 25 лет) промежуток времени после его подработки лавой по слоям 2, 2-3 и 3 [11] 301 ----------------------- Page 302----------------------- В настоящее время горные работы в рудниках ОАО «Беларуськалий» на пластах, опасных по газодинамическим явлениям, ведутся в соответствие с требованиями «Ин- струкции по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по газодинамиче- ским явлениям. - Солигорск-Пермь: 2017.-93 с.», далее по тексту «Инструкции…». Об- следование места внезапного выброса соли и газа на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 показало, что в выработке отсутствуют предупредительные признаки выброса соли и газа, такие как: погружение слоев под уг- лом от 15° до 30°; полное замещение продуктивных слоев или их частичное замещение каменной солью более чем на 50 %; постепенное утончение верхних сильвинитовых прослойков по 3 слою; появление в кровле выработки трещин разрыва (трещин, «опе- ряющих» «мульду погружения»), ориентированных по касательной относительно кон- тура выбросоопасной зоны. В тоже время сегодня нельзя дать однозначного ответа на вопрос о присутствии в выработке предвестников выброса соли и газа. Достоверно можно сказать, что в вы- работке отсутствовала только часть предвестников выброса соли и газа, таких как: по- гружение слоев под углом 30° и более; полное или частичное замещение продуктивных слоев глинисто-карналлитовыми породами; появление 4 сильвинитового слоя на стен- ках или в забое горной выработки. Была ли в выработке другая часть предвестников в виде потрескивания массива и отскакивание кусочков породы, резкого увеличения га- зовыделения в выработку и развивающегося прогиба пород кровли, с образованием зи- яющих (открытых) трещин, сейчас установить невозможно, т.к. люди, которые могли зафиксировать эти предвестники, находясь в момент выброса в выработке, погибли. Отдельно следует остановиться применяемых в данной выработке параметрах профилактических мероприятий по предотвращению газодинамических явлений из кровли выработки. В соответствие с требованиями п. 5.1.1.1 «Инструкции…» при про- ходке подготовительных (капитальных, разведочных) и очистных выработок (за ис- ключением лав) на III калийном горизонте, должно применяться бурение шпуров в кровлю этих выработок: мелкошпуровое профилактическое бурение дегазационных шпуров и профилактическое бурение глубоких дегазационных шпуров (глубокое про- филактическое бурение). Бурение дегазационных шпуров проводится с целью сниже- ния давления свободных газов в породах кровли выработок. В связи с тем, что кровля выработки располагалась ниже 4 сильвинитового слоя, то при проходке конвейерного штрека лавы № 11-4 в соотвествие с требованиями п. 5.1.1.3 «Инструкции…» должны были применяться следующие параметры мелкошпурового профилактического буре- ния: в кровлю бурятся шпуры глубиной не менее 1,2 м, с шагом не более чем через 2,5 м вдоль выработки по мере проходки. Бурение осуществляется по оси выработки или с любой стороны от нее. Здесь особо следует отметить тот момент, что шпуры профилак- тического бурения должны буриться сразу по мере проходки, а не потом, когда выра- ботка пройдена. Обследование конвейерного штрека лавы № 11-4 показало, что все шпуры мелкошпурового профилактического бурения в выработке пробурены по центру выработки вертикально и в замковой части. На рисунке 2 показано расположение буро- вой установки на комбайне ПКС-8. Как видно из рисунка 2 расположение буровой установки на комбайне ПКС-8 по мере проходки выработки позволяет бурить шпуры мелкошпурового профилактическо- го бурения только с левой стороны по направлению проходки выработки под углом. Расположение вертикальных шпуров мелкошпурового профилактического бурения по центру выработки однозначно свидетельствует о бурении шпуров после проходки вы- работки, возможно поинтервального бурения. 302 ----------------------- Page 303----------------------- Рис. 2. Расположение буровой установки на комбайне ПКС-8 Таким образом, уже на стадии проходки конвейерного штрека лавы № 11-4 име- ло место нарушение требований п. 5.1.1.3 «Инструкции…» в части мелкошпурового профилактического бурения сразу по мере проходки выработки.В соответствие с тре- бованиями п. 5.1.1.4 «Инструкции…» бурение глубоких дегазационных шпуров осуще- ствляется во всех выработках, ширина которых 4,5 м и более. При этом в данной си- туации должны были применяться следующие параметры глубокого профилактическо- го бурения: глубина шпуров 6,0 м; шаг бурения - не более 6,0 м. Схема места внезапно- го выброса соли и газа представлена на рисунке 3, где красными точками показаны предполагаемые шпуры глубокого профилактического бурения. Рис. 3. Выкопировка из плана горных работ места внезапного выброса соли и газа с предполагаемым расположением глубоких дегазационных шпуров на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 (рудник 3 РУ, выемочный столб лавы № 11-4, III калийный горизонт) 303 ----------------------- Page 304----------------------- На рисунке 4 представлено предполагаемое расположение глубоких дегазацион- ных шпуров на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 относительно полости внезапного выброса соли и газа. Рис. 4. Предполагаемое расположение глубоких дегазационных шпуров на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 относительно полости внезапного выброса соли и газа Как видно из рисунка 4 в месте сопряжения конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 в соответствие с требованиями п. 5.1.1.4 «Инструк- ции…» должно быть пробурено два глубоких дегазационных шпура. При обследовании места внезапного выброса соли и газа первый глубокий дегазационный шпур по на- правлению проходки не обнаружен. Можно предположить, что этот шпур намерева- лись пробурить после предварительного расширения выработки до 0,7 м. Однако и в этом случае часть шпура была бы видна на обнажении пород в полости внезапного вы- броса соли и газа. Следовательно, с большой долей вероятности, можно предполагать отсутствие первого глубокого дегазационного шпура по направлению проходки сопря- жения конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5. Из рисунка 4 также видно, что второй глубокий дегазационный шпур по направлению проходки со- пряжения пространственно располагается в полости внезапного выброса соли и газа. Как показывает практика ведения горных работ на пластах, опасных по газодинамиче- ским явлениям на рудниках ОАО «Беларуськалий», при наличии этого шпура в процес- се его бурения должны были вскрываться и пересекаться в мульде погружения наибо- лее газоносные породы глинисто-карналлитовой пачки. В таком случае процесс буре- ния второго глубокого дегазационного шпура должен был бы сопровождаться как ми- нимум интенсивным газовыделением, а также выбросом бурового штыба, зажатием бу- ровых штанг и т.д. В соответствии с п. 3.8 «Инструкции…» резкое увеличение газовы- деления в выработку уже является предвестником выброса соли и газа. Далее в соот- ветствие с п. 4.2 «Инструкции…» рабочие должны были немедленно прекратить рабо- ту, удалиться в безопасное место. Доказать наличие или отсутствие бурения второго глубокого дегазационного шпура на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 в настоящее время практически невозможно, т.к. его 304 ----------------------- Page 305----------------------- предполагаемое местоложение находится в полости внезапного выброса породы и газа в области разрушенных соляных пород. Соляные породы в полости внезапного выброса соли и газ мелко раздроблены, поэтому при разборке завала следы этого шпура в кус- ках породы навряд ли будут обнаружены. В тоже время косвенные признаки (наруше- ние параметров мелкошпурового профилактического бурения, отсутствие первого глу- бокого дегазационного шпура, пересечение при его наличии вторым глубоким дегаза- ционным шпуром газоносных пород глинисто-карбонатной пачки в мульде погружения с последующим интенсивным газовыделением) позволяют предполагать отсутствие первого и второго глубоких дегазационных шпуров на сопряжении конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5, что является нарушением требо- ваний п. 5.1.1.4 «Инструкции…». Человеческий фактор часто становится официальным объяснением причин того или иного происшествия, аварии или катастрофы. Известно, что значительная доля опасностей в техногенной сфере возникает по вине человека. С ним связано свыше 60% аварий на объектах с повышенным риском, к которым относятся и рудники. В данной ситуации под «человеческим фактором» будем понимать воз- можность того, что при проходке сопряжения конвейерного штрека лавы № 11-4 с технологической сбойкой № 5 машинистом горновыемочной машины - комбайна ПКС-8 было принято неверное решение о бурении глубоких дегазационных шпу- ров после разделки сопряжения, что является нарушением требований п. 5.1.1.4 «Инструкции…» и которое, с большой долей вероятности, повлекло за собой воз- действие поражающих факторов внезапного выброса соли и газа на шахтеров со смертельным исходом. Человеческая личность - это до сих пор достаточно загадочное и многогран- ное явление, поэтому предсказать поведение конкретного человека в той или иной ситуации со стопроцентной уверенностью практически невозможно. Существующий уровень развития технологии подземной разработки не позволяет полностью ис- ключить человека из процесса принятия решений, следовательно, при ведении гор- ных работ на пластах, опасных по ГДЯ, остается только надеяться на уровень подго- товки шахтеров и следованию требованиям «Инструкции…». Для повышения уров- ня подготовки лиц горного надзора участков и шахтеров можно рекомендовать сле- дующие мероприятия: 1. Провести дополнительное обучение горных мастеров и горнорабочих забой- ной группы предупредительным признакам и предвестникам ГДЯ, а также особенно- стям ведения подготовительных горных работ при реализации технологической схемы выемки 4 сильвинитового слоя III калийного горизонта через длительный (более 25 лет) промежуток времени после подработки лавой по слоям 2, 2-3 и 3 Третьего пласта. 2. Подготовить для горных участков (мастеров, рабочих забойной группы) сбор- ник схем (иллюстраций) с примерами геологического строения слоев 2, 2-3 и 3 Третье- го калийного пласта при наличии предупредительных признаков внезапного выброса соли и газа и периодически два раза в год осуществлять тестирование по схемам; 3. При ведении подготовительных горных работ в межпанельных целиках при реализации технологической схемы выемки 4 сильвинитового слоя Третьего калийного горизонта через длительный (более 25 лет) промежуток времени после подработки ла- вой по слоям 2, 2-3 и 3 разделку сопряжений проводить в присутствии лица техниче- ского надзора горного участка. Выполнить корректировку п. 5.1.1.4 «Инструкции…» и изложить в следующей редакции: 305 ----------------------- Page 306----------------------- - бурение глубоких дегазационных шпуров осуществляется во всех выработках, ширина которых 4,5 м и более. При этом применяются следующие параметры (таблица 5.1): - бурение глубоких дегазационных шпуров в выработках производить до начала расширения выработки буровой установкой, расположенной на комбайне. Первый шпур бурится до начала расширения. В выработках, проходимых комбайнами типа ПКС, (ПК), КРП-3 при бурении дегазационных шпуров во время проходки буровыми станками, расположенными на комбайне, допускается перед бурением первого глубо- кого дегазационного шпура предварительное расширение выработки до 0,7 м. При оформлении сопряжения расстояние от второго глубокого дегазационного шпура до «утюга» должно быть не более 3,0 м. Допускается заблаговременное бурение глубоких дегазационных шпуров в местах предполагаемого расположения сопряжений буровыми станками, расположенными на комбайне, самоходными буровыми станками и буровы- ми колонками.
ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ЭКОНОМИКИ ПЕРМСКОГО КРАЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ
Энергоемкость Российской экономики в 2-2,5 раза выше, чем в передовых стра- нах мира. В себестоимости выпускаемой продукции доля энергетической составляю- щей в среднем в регионе 15%, а на крупных энергоемких производствах доходит до 50%, что отрицательно влияет на конкурентоспособность выпускаемой продукции. [1] Президентом России поставлена задача к 2020 году снизить энергоемкость ВВП не менее, чем на 40% от уровня 2007 года. Федеральный закон № 261 ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетиче- ской эффективности » предписывает ряд мер энергопотребителям, энергопроизводите- лям бюджетной сферы и ЖКХ для выполнения данного задания. [2] Для снижения энергоемкости на промышленных предприятиях нашим институ- том особое внимание уделялось научно-исследовательской работе и разработке эффек- тивных технологий по повышению энергетической эффективности. Нами разработаны научные основы создания энергоэффективной экономики Пермского края, комплексная инновационная система управления энергоэффективно- стью и экологизации производства, программа внедрения собственных автономных ис- точников энергоснабжения. Разработанная инновационная система управления энергоэффективности полу- чила признание со стороны МинПромЭнерго России, Комитета по возобновляемым ис- точникам энергии Союза научных инженерных организаций и рекомендована для вне- дрения в других регионах России. [5]. Ежегодно организовывались и проводились Международные и Российские кон- ференции, направленные на повышение энергетической эффективности, выполнен ряд издательских проектов, 18 лет выпускался ежеквартальный журнал «Энергосбереже- ние, проблемы энергетики Западного Урала», удостоенный премии Международной выставки и внесен в «Золотой фонд прессы». Была проведена большая научно-техническая и издательская работа. В 2000 го- ду написано и издано учебное пособие «Энергосбережение», в 2002 году научное изда- ние «Пермская область на пути к энергоэффективной экономике, в 2007 году «Управ- ление энергоэффективностью в регионе», в 2012 году книга «Энергетика. Энергоэф- фективность. Известные энергетики». Изданы тезисы докладов Международных и межрегиональных научно-практических конференций. Совместно с Ассоциаций энергетиков Западного Урала и НП «Сотрудничество» в течение 20 лет проводилась большая организационная, информационная работа, мо- ниторинг проводимой работы. На всех предприятиях входящих в состав Ассоциации энергетиков Западного Урала и НП «Сотрудничество» неоднократно были проведены энергетические аудиты, разработаны Программы энергосбережения, внедрены автома- тизированные системы учета потребления энергоресурсов, новые энергосберегающие технологии и оборудование, строятся автономные источники энергии. Организуется и проводится ежегодный конкурс на «Лучшее энергоэффективное предприятие Западного Урала», «Лучшую энергосервисную компанию», «Лучший энергетик Западного Урала». 333 ----------------------- Page 334----------------------- Разработаны меры морального поощрения бережливых людей награждением медалью Ассоциации энергетиков Западного Урала «За вклад в повышение энергоэф- фективности в регионе». Благодаря активной совместной работе с Правительством Пермского края дос- тигнуты хорошие результаты, значительно снижается энергоемкость производства, что подтверждается в государственном докладе «О состоянии энергосбережения и повы- шения энергетической эффективности». Темпы снижения энергоемкости ВРП кг. у. т./10 тыс. руб. в Пермском крае са- мые высокие по сравнению с нашими соседями и передовыми регионами РФ. Данные представлены в таблице [3]. Таблица Наименование 2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г. Снижение Процент за 4 года снижения Нижегородская об- 247 234 203 179 68 27,53 ласть Пензенская область 177 153 153 138 29 16,3 Республика Башкор- 232 227 214 199 33 14,2 тостан Республика 211 197 159 131 80 37,9 Марий Эл Республика Мордо- 264 234 228 174 90 34,09 вия Республика Татар- 184 153 144 124 60 32,6 стан Пермский край 328 308 217 191 137 41,76 Самарская область 278 249 255 203 75 26,97 Саратовская область 244 215 194 168 76 31,15 Удмуртская респуб- 168 187 166 141 27 16,07 лика Ульяновская область 210 191 176 161 49 23,3 Чувашская респуб- 194 180 173 157 37 19,07 лика Свердловская об- 263 238 212 195 68 25,85 ласть Челябинская область 460 423 376 312 148 32,17 По темпам снижения энергоемкости ВРП Пермский край перевыполнил задание, установленное Президентом РФ досрочно. По данным показателям 2015 года снизилась энергоемкость ВРП более, чем на 50% по сравнению с 2007 годом. В 2007 году энерго- емкость ВРП Пермского края составляла 390 кг у.т./10 тыс. рублей. Пермский край занимает одно из первых мест по России. Это подтверждается в сводном анализе мониторинга реализации Государственной политики на региональном уровне (стр. 114) государственного доклада «О состоянии энергосбережения и повы- шения энергетической эффективности», в котором отмечено, что наиболее значитель- ное сокращение энергоемкости ВРП в текущих ценах составило в Пермском крае. [3] В рамках мониторинга государственной политики на региональном уровне Мин- энерго РФ был произведен комплексный анализ реализации государственной политики в области энергосбережения и энергетической эффективности, в котором рассматрива- 334 ----------------------- Page 335----------------------- лись следующие ключевые направления государственной политики на региональном уровне: • система управления; • технологическое регулирование; • популяризация и пропаганда; • механизмы поддержки реализации государственной политики; • технические параметры. При активной, целенаправленной работе, внедрении передовых технологий и раз- работок можно значительно снизить энергоемкость производства. В 2017 году по результатам проведенных многолетних исследований и выполненной работы издана книга «Многолетний опыт повышения энергоэффективности на предпри- ятиях Западного Урала. Известные энергетики промышленных предприятий» [7].
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОВЕТРИВАНИЕМ
Задача снижения операционных затрат горнодобывающих компаний не может считаться решенной без обеспечения эффективного проветривания подземных шахт и рудников, что было подтверждено многочисленными исследованиями [1,3]. Реализация систем автоматического управления проветриванием (САУП) [4], ос- нованных на традиционном ПИД-регулировании, выявила ряд существенных недостат- ков такого подхода. Среди них можно выделить следующие: 1. Нелинейная зависимость скорости воздуха на регуляторе от угла его открытия. Проведенные замеры показали, что характер изменения аэродинамического сопротивления регулятора от степени открытия его створок существенно от- личается на малых и больших углах (рис.1). Рис. 1. Зависимость аэродинамического сопротивления регулятора от угла открытия створок 2. Значительное изменение заданных расходов воздуха на регуляторах (т.е. су- щественное перераспределение воздуха по шахте) может перевести отдельные регуляторы в неустойчивое состояние. 3. Постоянная изменчивость вентиляционной сети, вызванная непрерывными горными работами, обусловливает необходимость периодической коррекции коэффициентов в системе управления [2]. В качестве инструмента для решения данных проблем было решено разрабо- тать алгоритмы управления на основе нечеткой логики, поскольку они позволяют учесть нелинейность систем (при отсутствии формального математического описа- ния зависимости вход-выход), а также могут быть адаптированы в процессе их функционирования [5]. Элементами системы автоматического управления проветриванием являются вентиляторы главного проветривания и регуляторы (автоматические вентиляцион- ные двери) [6 - 8]. Входные и выходные параметры элементов САУП изображены на рис. 2. 296 ----------------------- Page 297----------------------- Рис. 2. Описание параметров элементов системы управления Обозначения N*, P* соответствуют значениям «отрицательное» и «положитель- ное», обозначения *Z, *S, *M, *L соответствуют значениям «близкое к нулю» / «нуле- вое», «малое», «среднее», «большое». Например, обозначение PM соответствует терму «положительное среднее». Функции принадлежности различных термов для переменной «Отклонение ско- рости воздуха» приведены на рис.3. Рис. 3. Функции принадлежности нечетких множеств для переменной «Отклонение скорости воздуха» На рис. 4 продемонстрирован фрагмент базы правил для элементов системы управления. На пересечении строки и столбца указано значение выходного параметра в случае, если входные переменные приняли значения, которым соответствуют выбран- ный столбец и строка. Например, первое правило в первой таблице формулируется сле- дующим образом: 297 ----------------------- Page 298----------------------- ЕСЛИ Отклонение скорости воздуха=Отрицательное И Минимальный угол открытия=Нулевой ТО Приращение частоты вращения=Положительное N NZ Z PZ P Z P PZ Z NZ N N NZ Z PZ P S NL NM Z PM PL Рис. 4. Фрагмент базы правил для нечеткого вывода: слева - таблица для вентилятора, справа - таблица для регулятора Для вычисления степени истинности правила используется операция умно- жения значений функций принадлежности для входящих в антецедент правила пе- ременных. Результирующее значение выходного сигнала рассчитывается по формуле: где правило из базы правил, а - вычисленная степень его истинности. В результате имитационного моделирования алгоритмов ПИД- регулирования и нечеткого регулирования были полученные следующие резуль- таты (рис. 5, 6): 1. При значительном перераспределении требуемого расхода воздуха по регуляторам система под управлением нечеткого алгоритма оста- ется устойчивой, в то время как в ПИД-регулируемой системе начи- нается колебательный процесс и требуется перенастройка коэффи- циентов. 2. Амплитуда колебаний выходного параметра до выхода на заданный уро- вень у нечеткого регулятора меньше, чем у ПИД-регулятора. 3. Скорость сходимости приблизительно одинаковая у обоих алгоритмов. Рис. 5. Сравнение результатов моделирования работы ПИД-алгоритма и нечеткого алгоритма для регулятора после настройки ПИД-алгоритма для заданного воздухораспределения 298 ----------------------- Page 299----------------------- Рис. 6. Сравнение результатов моделирования работы ПИД-алгоритма и нечеткого алгоритма для регулятора после значительного изменения требуемых расходов воздуха Дальнейшее направление исследований состоит в разработке алгоритмов автокоррекции системы в процессе ее эксплуатации на основе данных о ее работе.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГАЗОНОСНОСТИ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОД В ВЫРАБОТКАХ ОКОЛОСТВОЛЬНОГО ДВОРА РУДНИКА ГРЕМЯЧИНСКОГО ГОКА
Гремячинское месторождение калийных солей расположено на юге Волгоград- ской области в Котельниковском районе. В настоящее время его освоение и разработку осуществляет ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий». Для промышленного освоения запасов калийных солей на Гремячинском месторождении ведется строительство рудника по добыче сильвинитовой руды с производственной мощностью 7,3 млн. тонн в год для последующей ее переработки в калийные удобрения на обогатительной фабрике. По характеру связи с породой газы подразделяются на свободные, связанные и растворенные. Свободные газы находятся в открытых макропорах и трещинах породы под давлением, теоретически достигающим величины напряжений массива. Связанные газы представлены газами сорбированными, к которым относятся газы, удерживаемые на поверхности открытых микротрещин и пор, и газами окклюдированными, которые содержаться в закрытых порах горных пород. Методика проведения экспериментальных исследований газоносности и газоди- намических характеристик пород базального доломит-ангидрит-галитового пласта, пластов перекрывающей каменной соли и калийно-магниевых солей в условиях рудни- ка Гремячинского ГОКа включала: определение газоносности пород по свободным га- зам и определение компонентного состава свободных газов при условии их истечения из исследовательских шпуров [1, 2]. В ходе исследований по существующей методике в забоях горных выработок околоствольного двора бурились шпуры диаметром 42 мм на глубину до 4,0 м, выполнялись замеры объема свободных газов, выделившихся из за- герметизированных шпуров и начального давления газов в загерметизированной части шпура, установившегося за 30 сек. Производился отбор проб выделившихся свободных газов для определения компонентного состава свободных газов, а также отбирались об- разцы пород для определения газоносности по связанным газам. Химический анализ 313 ----------------------- Page 314----------------------- состава свободных газов и связанных газов проводился на газовом хроматографе СР- 450 GC компании Varian. Методика определения газоносности пород по связанным газам заключается в замере объема выделившихся газов при сухой механической дезинтеграции образцов пород с постоянным контролем давления и температуры в изолированном от атмосфе- ры сосуде, а также в отборе и хроматографическом анализе компонентного состава га- зов [3, 4]. В результате выполненных шахтных исследований установлено, что газонос- ность по свободным газам доломитовых, ангидритовых и ангидрит-галитовых пород 3 3 базального доломит-ангидрит-галитового пласта не превышает 0,05 м /м , что практи- чески на порядок ниже значения повышенной газоносности (0,4 м3 3 /м) и в 100 раз ниже газоносности соляных пород, опасных по газодинамическим явлениям. Максимальное начальное давление свободных газов в массиве не превышает атмосферное, начальная скорость газовыделения менее 0,03 л/мин, что также в 50-100 раз ниже начальной ско- рости газовыделения в газоносных и выбросоопасных соляных породах. Химический анализ компонентного состава свободных газов показал отсутствие в составе выделившихся газов горючих компонентов. Таким образом, установлено, что доломитовые, ангидритовые и ангидрит- галитовые породы базального доломит-ангидрит-галитового пласта в выработках око- лоствольного двора рудника Гремячинского ГОКа не газоносны по свободным горю- чим и ядовитым газам. 3 3 Газоносность по свободным газам каменной соли не превышает 0,20 м /м , что в 3 3 два раза ниже значения повышенной газоносности (0,4 м /м) и в 5 раз ниже газоносно- сти соляных пород, опасных по газодинамическим явлениям. Максимальное начальное давление свободных газов в массиве не превышает 0,191 МПа, начальная скорость га- зовыделения менее 0,05 л/мин, что также в десятки раз ниже начальной скорости газо- выделения в газоносных и выбросоопасных соляных породах. Отбор проб на анализ компонентного состава свободных газов в галитовых породах пласта перекрывающей каменной соли из-за низкого объема выделившихся газов не проводился. Газоносность по свободным газам карналлитовых пород в забое вспомогатель- 3 3 3 3 ного транспортного уклона № 1 изменяется от 0,15 м /м до 1,16 м /м , при среднем 3 3 значении 0,30 м /м . Максимальное начальное давление свободных газов в массиве со- ставило 0,207 МПа, начальная скорость газовыделения при этом составила 0,44 л/мин. Компонентный состав свободных газов: СН - 32,31%; Н - 4,69%; СН - 0,436%; СН 4 2 2 6 3 8 - 0,020%; iСН - 0,001%; nСН - 0,005%; N - 62,51%; СО и другие газы - 0,02%. 4 10 4 10 2 2 3 3 Средняя газоносность по условному метану составляет 0,48 м /м . Суммарное содержа- ние горючих газов (метан + водород) составляет 37,01%. Суммарное содержание угле- водородов метанового ряда - 0,463%. Газоносность по свободным газам карналлит-галитовых пород изменяется от 0,02 м3 3 3 3 3 3 /м до 0,32 м /м , при среднем значении 0,17 м /м . Максимальное начальное давление свободных газов в массиве составило 0,193 МПа, начальная скорость газовы- деления при этом составила 0,21 л/мин. Газоносность по свободным газам сильвинитовых пород в забое камеры навески 3 3 3 3 исполнительного органа изменяется от 0,02 м /м до 2,12 м /м , при среднем значении 3 3 0,31 м /м . Максимальное начальное давление свободных газов в массиве составило 0,225 МПа, начальная скорость газовыделения при этом составила 1,09 л/мин. Средний компонентный состав свободных газов: СН - 20,99%; Н - 6,48%; СН - 0,493%; СН 4 2 2 6 3 8 - 0,077%; iСН - 0,040%; nСН - 0,117%; iСН - 0,114%; nСН - 0,082%; nСН 4 10 4 10 5 12 5 12 6 14 - 0,028%;N - 71,52%; СО и другие газы - 0,05%. Средняя газоносность по условному 2 2 314 ----------------------- Page 315----------------------- 3 3 метану составляет 0,48 м /м . Суммарное содержание горючих газов (метан + водород) составляет 27,47%. Суммарное содержание углеводородов метанового ряда - 0,95%. Таким образом, установлено, что породы пласта перекрывающей каменной соли в выработках околоствольного двора и уклонах, вскрывающих продуктивный пласт, рудника Гремячинского ГОКа малогазоносны по свободным газам. Карналлитовые, карналлит-галитовые и сильвинитовые породы пласта калийно-магниевых солей весь- ма газоносны, при этом значения газоносности их в отдельных замерах достигают зна- чений в выбросоопасных соляных породах. Газоносность пород базального доломит-ангидрит-галитового пласта по связан- 3 3 3 3 ным газам изменяется от 0,006 до 0,054 м /м , при среднем значении 0,025 м /м , что в 4-10 раза ниже значения повышенной газоносности по связанным газам газоносных и выбросоопасных соляных пород. Минимальное значение газоносности по связанным газам отмечается в ангидритовых породах, максимальное значение - в доломитовых. По компонентному составу связанные газы - метаново-азотные. Максимальное содер- жание метана в составе связанных газов - 7,6% обнаружено в доломитовых породах. При этом суммарное содержание углеводородов метанового ряда достигает 8,35%, со- держание азота - 83,45%. Связанные газы в процессе ведения горных работ в атмосфе- ру горных выработок не выделяются. Для выделения связанных газов в атмосферу гор- ных выработок необходимо разрушение (измельчение) горных пород до пылеобразного состояния с размером частиц 1×10-4 ÷ 1×10-6 м. Газоносность галитовых пород пласта перекрывающей каменной соли по свя- 3 3 3 3 занным газам изменяется от 0,016 до 0,033 м /м , при среднем значении 0,028 м /м , что в 5 раз ниже значения газоносности по связанным газам соляных пород, опасных по газодинамическим явлениям. По компонентному составу связанные газы - метаново- азотные. Максимальное содержание метана в составе связанных газов - 3,74%. При этом суммарное содержание углеводородов метанового ряда достигает 0,57%, содер- жание азота - 95,63%. Газоносность сильвинитовых пород пласта калийно-магниевых солей по связан- 3 3 3 3 ным газам изменяется от 0,012 до 0,040 м /м , при среднем значении 0,029 м /м , что также в 5 раз ниже значения газоносности по связанным газам соляных пород, опасных по газодинамическим явлениям. По компонентному составу связанные газы - метано- во-азотные. Максимальное содержание метана в составе связанных газов - 18,99%. В составе связанных газов сильвинитовых пород обнаружен водород, максимальное зна- чение которого достигает 1,23%. При этом суммарное содержание углеводородов ме- танового ряда достигает 0,88%, содержание азота - 78,83%. Газоносность карналлитовых пород пласта калийно-магниевых солей по связан- 3 3 3 3 ным газам изменяется от 0,011 до 0,072 м /м , при среднем значении 0,039 м /м , что почти в 2 раза ниже значения газоносности по связанным газам соляных пород, опас- ных по газодинамическим явлениям. Максимальное значение газоносности по связан- ным газам (0,072 м3 3 /м), зафиксированное в линзе карналлитовых пород в пласте ка- лийно-магниевых солей в забое камеры навески исполнительного органа, приближается к значениям газоносности по связанным газам соляных пород, опасных по газодинами- ческим явлениям. По компонентному составу связанные газы - метаново-азотные. Максимальное содержание метана в составе связанных газов - 24,10%. В составе свя- занных газов карналлитовых пород также обнаружен водород, максимальное значение которого достигает 0,65%. При этом суммарное содержание углеводородов метанового ряда достигает 0,21%, содержание азота - 74,98%. Данные о газоносности по свободным и связанным газам пород базального до- ломит-ангидрит-галитового пласта, пластов перекрывающей каменной соли и калий- но-магниевых солей распространяются на площадь месторождения, в пределах кото- 315 ----------------------- Page 316----------------------- рой осуществляется проходка выработок околоствольного двора рудника Гремячин- ского ГОКа. На других участках шахтного поля рудника Гремячинского ГОКа необ- ходимо проводить дополнительные исследования для количественной оценки газо- носности пород.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА ЗОНЫ ЭФФЕКТИВНОГО ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ТОРПЕДИРОВАНИИ КАРНАЛЛИТОВОГО ПЛАСТА
В условиях Верхнекамского месторождения калийных солей из всех действующих рудников добыча карналлитовой породы осуществляется только на СКРУ-1. Карналлит нашел свое применение в различных производственных областях: строительстве, автомобилестроении, авиации, нефтяной и химической промышленности. Разработка сильвинитовых и карналлитовых пород осложняется различными видами газодинамических явлений, последствия которых приводят к значительным материальным ущербам предприятию, нарушению ритмичности работы, а также могут исчисляться человеческими жизнями.[1] Основная доля газодинамических явления при разработке карналлитового пласта В происходит из верхнего 6 слоя, который является самым выбросоопасным. Средняя мощность пласта В составляет 8 м. Газоносность 3 3 карналлитовых пород по свободным газам может достигать 1,7 м /м . Добыча карналлитовой породы на протяжении нескольких десятков лет в условиях СКРУ-1 ПАО «Уралкалий» осуществляется с применением комбайновых комплексов. Для безопасной механизированной отработки карналлитового пласта В применяется торпедирование (профилактическая отработка) карналлитовых пород [2,3]. Под торпедированием карналлитового пласта понимается взрывание зарядов взрывчатого вещества в шпурах с целью образования в массиве области повышенной трещиноватости, обеспечивающей снижение горного давления в призабойной зоне пласта, его дегазацию и предотвращение выбросов соли и газа. Данный способ используется при комбайновой технологии отработки первого выемочного слоя пласта В , а также перед отработкой последнего выемочного слоя к пласта Вк при недостаточной мощности междупластия Б-В. В связи с тем, что на предприятии возникла необходимость применения другого взрывчатого вещества, необходимо проведение опытных работ по определению радиуса зоны эффективного трещинообразования при применении ВВ V класса Угленит Э-6. Методика определения радиуса зоны эффективного трещинообразования Rэф заключается в сравнении газопроницаемости карналлитовых пород до и после торпедирования [3]. Для определения газопроницаемости карналлита в массиве в левой стенке очистной камеры № 100 11 восточной панели рудника СКРУ-1 на глубину 3,0 м пробурены два параллельных шпура: рабочий и контрольный на расстоянии 25 см друг от друга. Шпуры герметизировались механическими герметизаторами на глубину не менее 1,5 м. К герметизатору рабочего шпура присоединялся манометр для определения давления газа в газовой камере. Газ под давлением 5-15 атм подавался в шпур по трубопроводу. К штуцеру герметизатора контрольного шпура присоединялся расходомер (DPI 740). После подачи в рабочий шпур газа при определенном давлении измерялся расход газа из контрольного шпура. Таких измерений проведено 3 при разном давлении в рабочем шпуре (рис. 1). В правой стенке очистной камеры № 100 на расстоянии 10 м друг от друга пробурены 3 торпедируемых шпура диаметром 42 мм глубиной 4 м, масса заряда 324 ----------------------- Page 325----------------------- Угленита Э-6 2,4 кг в каждом шпуре. По принятой методике на различном расстоянии от торпедируемого шпура бурились рабочий и контрольный шпуры. В рабочий шпур подавался газ под давлением, в контрольном шпуре определялся расход. Результаты исследований по определению радиуса зоны эффективного трещинообразования представлены в таблице 1. Рис. 1. Схема к определению коэффициента газопроницаемости Таблица 1 Результаты опытных измерений Давление Расстояние от Объемный Коэффициент сжатого воздуха торпедируемого расход газа, газопроницаемости, в рабочем 3 шпура, м 2 см /сек мДарси шпуре, кгс/см 1 2 3 4 в массиве до торпедирования -3 6,5 0,007226 5,308×10 -3 7,5 0,012750 6,993×10 -3 8,5 0,018370 7,813×10 1 2 3 4 после торпедирования 0,8 9 0,236274 89,498×10-3 -3 1,0 8,5 0,165085 70,212×10 -3 1,2 10 0,123581 37,827×10 -3 1,3 9,5 0,081153 27,554×10 -3 1,4 9,5 0,035031 11,894×10 -3 1,5 9,5 0,036205 12,293×10 -3 1,6 9,5 0,031435 10,673×10 -3 1,8 9 0,010735 4,066×10 325 ----------------------- Page 326----------------------- Таким образом, коэффициент газопроницаемости в массиве до торпедирования равен: K = (5,308+6,993+7,813)×10-3/3 = 6,705×10-3 мДарси (среднее значение). По результатам экспериментальных исследований согласно методике расчета, содержащейся в технологическом регламенте, определен радиус эффективного трещинообразования при использовании Угленита Э-6 в условиях отработки карналлитового пласта.
ИССЛЕДОВАНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВРЕМЕНИ ДАВЛЕНИЯ СВОБОДНЫХ ГАЗОВ В ПОРОДАХ ПОЧВЫ ПОД- ГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В РУДНИКАХ ОАО «БЕЛАРУСЬКАЛИЙ»
Исследование динамики изменения во времени давления свободных газов в породах почвы подготовительных горных выработок в различных горнотехнических условиях необходимо для выбора эффективного способа предотвращения газодинами- ческих явлений из почвы на сопряжении лава-штрек при отработке слоев II, II-III, III при слоевой выемке Третьего пласта. В соответствии с существующими, в настоящее время, представлениями о ме- ханизме образования очаговых скоплений свободного газа в породах 12 глинисто- мергелистого горизонта аккумуляция свободных газов происходила в зонах динамиче- ского влияния разрывных нарушений. Именно внутренняя структура разрывных нару- шений определяет конкретные условия локализации очаговых скоплений свободного газа в породах Старобинского месторождения калийных солей. В зоне влияния очист- ных горных работ (передового опорного давления) в породах почвы происходит увели- чение или уменьшение давления свободного газа в очаговых скоплениях. Увеличение давления газа в породах почвы горных выработок создает дополнительную нагрузку и активизирует процесс расслоения и разрушения пород, что может привести к новому притоку газа в эти зоны. Такая взаимосвязь между напряженно-деформированным со- стоянием пород почвы, объемом газа и его давлением происходит в виде своего рода «цепной реакции», которая при определенном механическом состоянии пород почвы может привести к их газодинамическому разрушению в виде выброса соли и газа. Исследования проводились на всех рудниках ОАО «Беларуськалий». Всего было пробурено 9 исследовательских скважин на глубину, обеспечивающую перебури- вание контакта с 12 глинисто-мергелистым горизонтом. Скважины надежно гермети- зировались бетонной пробкой с металлической трубкой, к которой через штуцер под- ключался манометр для измерения давления свободного газа в камере. Наиболее часто встречающиеся графики изменения давления свободного газа представлены на рисунке 1. Как видно из рисунка 1 во времени наблюдается постепенный рост давления сво- бодных газов в измерительной камере. Максимум давления свободных газов в измеритель- ной камере был достигнут на 47 сутки наблюдений и составил 0,288 МПа. Далее на графике наблюдается снижение величины давления свободных газов примерно на 40%, которое на 54 сутки наблюдений составило 0,205 МПа. Такая динамика изменения во времени величи- ны давления свободных газов в измерительной камере станции объясняется воздействием на породы почвы передового опорного давления лавы 13н-2. По мере нарастания величины пе- редового опорного давления увеличивалось и давление свободных газов в измерительной камере станции. Спад величины давления свободных газов может быть объяснен изменени- ем газодинамических характеристик пород почвы при их надработке лавой, отрабатываю- щей IV сильвинитовый слой. По-видимому, при достижении величины давления, превы- шающей 0,288 МПа, в породах почвы градиент давления превышает градиент фильтрации. В этом случае под действием передового опорного началась фильтрация газа из измеритель- ной камеры в окружающие породы, и давление понизилось до величины 0,205 МПа. 320 ----------------------- Page 321----------------------- Рис. 1. График изменения во времени давления свободных газов в измерительной камере станции транспортном штреке лавы 13н-2 3РУ В тоже время на некоторых участках наблюдалась картина представленная на рисунке 2. Рис. 2. График изменения во времени давления свободных газов в измерительной камере замерной станции в конвейерном штреке 12А-2 4 РУ 321 ----------------------- Page 322----------------------- Как видно из рисунка 2 во времени наблюдается постепенный рост давления свободных газов в измерительной камере. Максимум значений давления свободных га- зов в измерительной камере был достигнут на 54 сутки наблюдений и составил 0,05 МПа. Далее на графике наблюдается снижение величины давления свободных газов, которое на 69 сутки наблюдений упало до нуля. Такая динамика изменения во времени величины давления свободных газов в измерительной камере станции конвейерного штрека объясняется воздействием на породы почвы передового опорного давления ла- вы 12А-2 и расположением замерной станции в поле лавы на расстоянии от межпа- нельного целика около 47 м. По мере нарастания величины передового опорного дав- ления увеличивалось и давление свободных газов в измерительной камере станции. Спад величины давления свободных газов на 69 сутки наблюдений до нуля с одной стороны может быть объяснен изменением газодинамических характеристик пород почвы при их надработке лавой, отрабатывающей IV сильвинитовый слой. Породы почвы, надработанные лавой 12А-1, несомненно, изменили свои фильтрационные свой- ства. Здесь, по-видимому, давление газа, так же как и в предыдущем случае, превышает градиент фильтрации и газ начинает распределяться по глинистым прослойкам в мас- сиве. Далее на графике вновь наблюдается повышение давления свободных газов в измерительной камере на 89 сутки до величины 0,045 МПа, а затем давление свобод- ных газов на 93 сутки снижается до 0,01 МПа. Далее вновь наблюдается некоторый рост давления свободных газов в измерительной камере, которое, на 98 сутки наблюде- ний, достигает величины 0,028 МПа. По-видимому, такие пульсационные изменения давления свободных газов в измерительной камере замерной станции конвейерного штрека лавы 12А-2 обусловлены: местоположением замерной станции в поле лавы; со- вместным влиянием вариаций величины передового опорного давления и газодинами- ческих характеристик пород почвы; наличием путей фильтрации газа из измерительной камеры. Рис. 3.График изменения во времени давления свободных газов в измерительной камере станции вентиляционного штрека 12А-2 4 РУ 322 ----------------------- Page 323----------------------- На рисунке 3 представлен ещё один характерный график. Такое монотонно на- растающее давление свободных газов наблюдается на участках близкорасположенных к межпанельным целикам. По-видимому, это связано с отсутствием расслоений, по ко- торым газ мог бы мигрировать в массив. На участках, где проводились исследовательские работы по измерению газо- динамических характеристик и газоносности свободных газов, там где были пробурены шпуры до контакта с 12 глинисто-мергелистым горизонтом, давление свободных газов в измерительных станций вообще не фиксировалось или достигало незначительных ве- личин, а потом его значение опускалось до 0 Мпа. Видимо, здесь сказывается эффект дегазации от исследовательских шпуров. Таким образом, можно сделать следующие выводы: • При наличии скопления свободных газов в породах 12 глинисто- мергелистого горизонта по мере приближения очистного забоя происходит нарастание давления свободных газов в замерных станциях. • При превышении градиента давления над градиентом фильтрации, про- исходит фильтрация свободных газов по образовавшимся трещинам и расслоениям в зоне передового опорного давления и падение давления свободных газов в замерных станциях. • Отсутствие в течение длительного времени избыточного давления сво- бодных газов в породах 12 глинисто-мергелистого горизонта в некоторых замерных станциях, расположенных в выемочном столбе даже в зоне передового опорного давле- ния свидетельствует о неравномерном распределении свободных газов в порода 12 глинисто-мергелистый горизонт, обусловленном литологической и тектонической не- однородностью отдельных его участков. • При расстоянии от межпанельных целиков менее 30 м породы почвы находятся в зоне изгиба, которая включает в себя часть зон повышенного горного давления и разгрузки. В пределах этой зоны протекают активные стадии процессов сдвижения, деформирования массива и перераспределения горного давления. В этой области породы почвы еще не имеют фильтрационных каналов, связывающих их с породами, где проявился эффект надработки, т.е. сохраняют при этом запас энергии сжатого газа. Росту давления газа в породах почвы горных выработок в этой области способствует опорное давление на породы почвы междувыработоч- ных целиков. В таких горнотехнических условиях и при таком давлении свобод- ных газов в породах почвы весьма вероятна динамическая форма разрушения в ви- де внезапного выброса соли и газа. • При реализации технологических схем слоевой выемки Третьего ка- лийного горизонта лавами, дегазацию пород почвы целесообразно проводить в подготовительных выработках, пройденных по слоям 2, 2-3, 3. Особенно необхо- дима дегазация на участках, где ширина выработки превышает 3,0 м (сопряжения выработок).
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СХЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКА «МОЛОДЕЖНЫЙ»
Рудник ведет добычу олова на месторождении «Фестивальное». Находится руд- ник в Хабаровском крае недалеко от Комсомольска на Амуре. Добираться до рудника необходимо через Хабаровск, и далее 450 км по грунтовке на автомобиле. Рудник был введен в эксплуатацию в 1971 году по проекту, разработанному в 1963 году. После полной остановки рудника в 2009 году старые вентиляционные установки глав- ного проветривания ВОКД 2,4 и ВОД-21 были выведены из рабочего состояния и в после- дующем демонтированы, а здания ГВУ подверглись частичному разрушению, восстановле- ние которых, на данный момент, является экономически нецелесообразным. Для безопасного ведения горных работ предусматривается временная схема вен- тиляции. При данной схеме проветривание горных выработок рудника "Молодежный" предусмотрена передвижная вентиляционная установка на базе вентиляторов ВМЭ- 12А, которая служит в качестве вентилятора главного проветривания. С 2013 года рудник пытаются реанимировать и выйти на проектную производи- тельность в 600 тыс. тонн руды в год. Сейчас производительность рудника составляет 240 тыс. тонн в год. Пик добычи руды достигал 1,2 млн. тонн руды в год. В мировом масштабе Россия добывает 1/100 часть олова, но при большом потреблении этого оказывается недостаточно, чтобы обеспечить нужды промышленности. Была поставлена следующая задача: выбрать вентилятор главного проветривания, который сможет обеспечить проветривание рудника при выходе на максимальную произво- дительность и с максимальным удалением горных работ. Сотрудники рудника настаивали на установке вентилятора эжекторного типа на базе существующих вентиляторов рудника. 316 ----------------------- Page 317----------------------- Для построения математическая модель, на которой проводились вычисления, были произведены замеры необходимых параметров по всему руднику. Как оказалось, в процессе исследования, в сбойке между штольней Капитальная и штольней Транспортная был установлен вентилятор эжекторного типа на базе венти- лятора ВО-12,5. На рис. 1 представлена схема вскрытия р. Молодежный. Изначально месторождение было вскрыто тремя вертикальными стволами. Пре- дусматривалось проветривание северной и южной части участка рудника по нагнета- тельной схеме вентиляционной установкой главного проветривания ВОКД 2,4, распо- ложенной на поверхности в районе ствола Эксплуатационно-вспомогательном. ВОД-21 располагался на Вентиляционном стволе. На данном этапе, в основном, идет отработка запасов на вышележащих горизон- тах: 525, 585, 650 метров и опустились на 500 горизонт, далее планируют вести отра- ботки до 310 горизонта, а в процессе будут проводить новые изыскания. Рудник «Молодежный» относится к типу нагорных рудников, проветривание которых заключается в отсутствии единой сборной исходящей струи воздуха и значи- тельным влиянием на проветривание естественной тяги. Рис. 1. Схема вскрытия р. Молодежный Месторождение «Фестивальное» не склонно к горным ударам и не опасно по внезапным выбросам горючих газов. Руды и породы не склонны к самовозгоранию. Среднегодовая температура воздуха составляет + 2,5°. Наиболее низкая темпе- ратура воздуха опускается до 40 - 43° (январь); максимально жаркий период приходит- ся на июль, когда температура достигает 35° - 38° С. Сезонное промерзание грунтов происходит на глубину 2,5 - 3,0 м. Естественная тяга большую часть года помогает работе подземной передвижной вентиляторной установке эжекторного типа (ППВУЭТ), а в теплое время года работает в противонапоре с ППВУЭТ. Максимальная амплитуда колебаний естественной тяги в течение года составляет около 701 Па, при этом, оказывает существенное влияние на работу ППВУЭТ. Как выяснилось, в результате обработанных данных, установленный вентилятор 3 не обеспечит расчетное количество воздуха (150 м /с) при максимальном развитии гор- ных работ. 317 ----------------------- Page 318----------------------- Для рудника «Молодежный» наиболее рационально использовать в качестве ГВУ вентилятор типа ВО-21К с электродвигателем 500 кВт и частотой вращения 1000 об/мин, который обеспечит необходимые параметры проветривании рудника как на три года вперед, так и на максимальное развитие горных работ с учетом влияния естест- венной тяги на режимы работы ГВУ [14]. Далее были построены характеристики рудника при развитии горных работ на три года вперед (рис.2) и при максимальном развитии (рис.3), которые были наложены на аэро- динамические характеристики подходящего для проветривания вентилятора ВО-21К. Рис. 2. Расположение рабочей точки при работе вентиляторов ВО-21К при развитии горных работ на три года вперед: 1 - характеристика вентиляционной сети рудника с учетом влияния максимальной положительной естественной тяги; 2 - характеристика вентиляционной сети рудника, приведенная к нормальным атмосферным условиям; 3 - характеристика вентиляционной сети рудника с учетом влияния максимальной отрицательной естественной тяги Рис. 3. Расположение рабочей точки при работе вентиляторов ВО-21К при максимальном развитии горных работ: 1 - характеристика вентиляционной сети рудника с учетом влияния максимальной положительной естественной тяги; 2 - характеристика вентиляционной сети рудника, приведенная к нормальным атмосферным условиям; 3 - характеристика вентиляционной сети рудника с учетом влияния максимальной отрицательной естественной тяги 318 ----------------------- Page 319----------------------- В результате построения расчетной модели вентиляционной сети рудника при максимальном развитии горных работ аэродинамическое сопротивление, преодолевае- 2 8 мое ГВУ, равно 0,102131 Нс /м , необходимое для проветривания рудника количество воздуха 147,0 м3/с. Вентилятор ГВУ должен развивать давление 2209 Па при произво- 3 дительности 147,0 м /с. Такой режим работы обеспечат вентиляторы ВО-21К, либо 5 параллельно установленных вентилятоов ВМЭ-12 с углом установки лопаток рабочих 0 колес +35 . В результате проведенного исследования предложены следующие рекомен- дации: 1. Основываясь на полученных результатах проведенных натурных замерах, расчете на разработанной математической модели рудника при развитии горных работ, как на три года, так и при максимальном развитии, необходимо установить для обеспе- чения расчетным количеством воздуха рабочих мест рудника «Молодежный» на весь период отработки месторождения вентиляторы типа ВО-21К в качестве ГВУ в одном из следующих мест (для выбора конкретного места установки вентиляторов ГВУ необхо- димо провести дополнительные исследования): - в устье штольни «Капитальная» гор. 525 м. - в устье штольни «Транспортная» гор. 525 м - в устье Наклонного съезда. 2. Для эффективного распределения воздушной струи по рабочим участкам руд- ника необходимо установить регулирующие устройства (двери), согласно, результатов воздухораспределения на математической модели рудника «Молодежный» при разви- тии горных работ, как на три года, так и при максимальном развитии. 3. Осуществлять контроль закрытия вентиляционных ворот, согласно, рас- четных схем. 4. Поставить перемычки на временно не используемых горизонтах для со- кращения количества воздуха, используемого для проветривания поддерживаемых выработок. 5. Необходимо пройти новый уклон с большим сечением (16 м2), как новые вы- работки, спроектированные под технику с ДВС.
Работниками Горного института УрО РАН при участии инженерно- технических работников рудника проведены исследования проветривания рудни- ка «Каральвеем». Цель - определение состояния вентиляции рудника (участоков «Безымянный» и «Промоина»), выявление недостатков и разработка рекомендаций по улучшению про- ветривания рудника. Основные факторы, вентиляционной сети рудника: - проветривание рудника производится нагнетательным способом по фланговой схеме; - ГВУ состоит из 2 осевых вентиляторов ВОД-21М; (+35 град.); - ГВУ в реверсивном режиме обеспечивает производительность не менее 60% от нормального режима проветривания. 307 ----------------------- Page 308----------------------- 1. Результаты замеров работы ГВУ Результаты замеров параметров работы ГВУ сведены в таблицу 2.1. При прове- дении ВДС в работе был вентилятор № 2 с углом установки лопаток рабочих колес +350. Реверсивный режим работы вентилятора № 2 был выполнен с тем же углом уста- новки лопаток рабочих колес. Параметры работы ГВУ, сведены в таблицу 2.1. Из таблицы 2.1 видно, что утечки в районе ГВУ в нормальном режиме проветривания ВУ-2 составляют 3 3 3,89 м /с или 3,96 % от производительности ГВУ - 98,13 м /с. Подача свежего воздуха в рудник ГВУ - 94,24 м3/с. По результатам воздушно-депрессионной съемки вентилятор ГВУ развивает давление в 1304,0 Па. Аэродинамическое со- противление, на которое работает ГВУ, составляет 0,135417 Нс2 8 /м , а эквива- 2 лентное отверстие составляет 3,23 м . Рудник можно считать средней тяжести проветривания. Таблица 2.1 Расчетные параметры работы ГВУ ВУ-2 № ВУ-2 0 Наименование параметра 0 +35 п/п +35 (реверс) 3 1 Производительность, м /с 98,13 65,62 2 3 3,89 2,15 Поверхностные утечки воздуха (суммарные), м /с, (%) (5,35) (6,60) 3 3 Количество воздуха, подаваемого в рудник, м /с 94,24 63,47 4 Развиваемое статическое давление, Па 1304 723 5 Мощность воздушного потока, Вт 127966 47507 6 Мощность, потребляемая из электрической сети, Вт 218232 197488 7 Статический к.п.д., % 58,64 24,06 3 8 Удельный расход энергии, Вт*с/м 0,62 0,84 9 Аэродинамическое сопротивление, на которое работа- 2 8 0,135417 0,168133 ет ГВУ, Нс /м 2 10 Эквивалентное отверстие, на которое работает ГВУ, м 3,23 2,90 0 Затем ВУ-2 была переведена в реверсивный режим работы (+35 ). Время пере- вода в реверсивный режим 6,2 мин. Аэродинамическое сопротивление, на которое ра- 2 8 ботает ГВУ увеличилось и стало 0,168133 Нс /м , это объясняется влиянием естествен- ной тяги, а также местными сопротивления на сопряжениях горных выработок. После реверсивного режима проветривания ВУ-2 была включена в нормальный режим про- ветривания. Режимы работы ВУ-2 (таблица 2.1) и анализ ВДС в 2014 году позволили сделать следующие вывод: аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети рудника значительно снизилось за счет расширения сети горных выработок. Для дальнейшего анализа были рассмотрены аэродинамические характеристики вентилятора ГВУ и характеристика вентиляционной сети, на которую работает ГВУ. Аэродинамические характеристики ВУ-2 получены при работе вентилятора ГВУ на разных режимах. Кривые характеристик описываются уравнением вида Н = А + ВQ + CQ2 , где Н - развиваемое давление вентилятора, даПа. 308 ----------------------- Page 309----------------------- Все замеренные параметры были приведены к стандартным атмосферным ус- ловиям [1, 2]: давление 101330 Па, температура 20 град. С и отсутствию естествен- ной тяги. Таблица 2.2 Значения коэффициентов для описания аэродинамических характеристик ВОД-21М № 2 Угол установки ло- паток рабочих ко- А В С лес, град. 45 236,702 5,367 -0,0506 40 72,144 10,224 -0,0903 35 191,911 6,912 -0,0813 30 24,013 12,570 -0,1383 25 -106,107 17,984 -0,2071 20 -73,422 18,653 -0,2695 15 204,320 5,702 -0,1795 Аэродинамические характеристики, построенные по приведенным в таблицах зависимостям, отличаются от паспортных на 0,77-3,29 %. Для инженерных расчетов целесообразно пользоваться заводскими аэродинамическими характеристиками, кото- рые приводятся для стандартных атмосферных условий (рисунок 2.1), или аналитиче- скими зависимостями, приведенными в таблице 2.2, которые также отражают стан- дартные атмосферные условия. Характеристики вентиляционной сети, внешних утечек воздуха и вентилятора ГВУ показаны на рисунке 2.1. При изменении окружающей температуры и температу- ры в руднике режим работы вентиляторов будет меняться в широких пределах. Рис. 2.1. Нормальный режим Рис.2.2. Реверсивный режим На рисунках 2.1 и 2.2 показаны аэродинамические характеристики вентилятора ВОД-21М и характеристики вентиляционной сети рудника в нормальном и реверсив- ном режиме проветривания: 1 - рабочая точка вентилятора ГВУ; 2 - количество возду- ха, поступающее в рудник при давлении на вентиляторе ГВУ 1304 Па; 3 - количество внешних утечек при давлении на вентиляторе ГВУ 1304 Па; 4 - аэродинамическая ха- 309 ----------------------- Page 310----------------------- рактеристика вентиляционной сети, на которую работает вентилятор ГВУ;5 - аэродинамическая характеристика вентиляционной сети рудника; 6 - аэродинамическая характеристика внешних утечек воздуха. Расход воздуха в реверсивном режиме подаваемого в рудник более 60% по срав- нению с нормальным режимом проветривания. 2. Депрессия рудника Величина общерудничной депрессии определяется из выражения h = h + k * h + h , Па, ш р н р е где: h - суммарная расчётная депрессия прямолинейных участков для данного расчёт- р ного маршрута, Па; h - депрессия естественной тяги, Па; k - коэффициент, учиты- е н вающий депрессию местных сопротивлений на всём пути движения воздуха, берётся как часть расчётной депрессии h , k =0,25. р н Депрессия естественной тяги определена аналитическим способом по формуле: h = γ *Н , мм вод.ст., е ср 3 где: γ - среднеконтурный удельный вес воздуха, кг/м ; Н - разность отметок воздухопо- ср дающей и воздуховыдающей выработок, м; tn - температура наружного воздуха в устье о о воздухоподающей выработки, С; tср - средняя температура рудничного воздуха, С. Рис. 2. Аксанометрия рудника «Каральвеем» При отработке запасов участоков «Безымянный» и «Промоина» в отработку будет включен в работу участок «Русловое», что изменит количество воздух, поступающее в рудник на разные участки, но оставит производительность рудника на прежнем уровне. 310 ----------------------- Page 311----------------------- 3. Расчёт расхода воздуха для проветривания рудника В нормальном режиме определяется по формуле: 3 Q = k (∑Q + ∑Q + ∑Q + ∑Q + ∑Q ) м /с, уч пр к пв ут где: k - коэффициент учитывающий неравномерность распределения воздуха (k = 1,05 при одном горизонте, k = 1,1 при двух горизонтах, k = 1,2 при трёх и более); ∑Qуч - сумма количества воздуха для проветривания выемочных участков, принимаются наи- 3 большие расходы воздуха полученные при расчётах по всем факторам, м /с; ∑ Qпр - сумма количества воздуха для обособленного проветривания проходческих выработок, 3 проводимых за пределами выемочных участков, м /с; ∑Q - сумма количества воздуха к для обособленного проветривания технологических камер, м3 /с; ∑ Qпв- сумма количе- ства воздуха для обособленного проветривания поддерживаемых выработок, м3 /с; ∑Qут - сумма утечек воздуха через вентиляционные сооружения за пределами выемоч- 3 ных блоков, м /с. Количество воздуха для проветривания рудника на участках «Промоина» и «Бе- зымянный», «гор. 480м - 370м и «гор. 520м» составит при: T = 30 мин, 3 Q =1,2х(23,60+22,75+11,01+3,52+60,60+1,06+4,26+1,06) = 153,43 м /с. Q 3 ГВУ = 1,05 х 153,43 = 161,10 м /с, где 1,05 - коэффициент утечек в районе ГВУ. 0 Угол установки лопаток рабочего колеса вентилятора ГВУ + 45 (летний период). Расчет потребности в свежем воздухе для проветривания подземных горных ра- бот, с учетом производства геологоразведочных работ, выполнен по норме расхода 5 3 м /мин на 1 л.с. мощности ДВС. Общепринятой практикой является сокращение нормы расхода свежего воздуха на 1 л.с. Кроме того, применение на проходке геологоразведочных выработок ПДМ Toro- 151 также даст значительное снижение потребности рудника в свежем воздухе. Обос- нование применения оптимальной нормы воздуха на 1 л.с. для транспорта с двигателя- ми внутреннего сгорания (ДВС) в условиях рудника и применение ПДМ Toro-151 соз- дает значительные резервы мощности ГВУ рудника. При завершении работ на участках «Безымянный» и «Промоина», горные рабо- ты будут сконцентрированы на горизонтах 480м - 355м. При неизменной производст- 3 венной мощности рудника и при норме воздуха на 1 л.с. техники с ДВС 2,5 м /мин рас- четное количество воздуха существенно снизится и ГВУ обеспечит подачу потребного количества воздуха в рудник [3]. Такой режим проветривания обеспечивает ГВУ при 0 угле установки лопаток рабочих колес +45 . 4. Естествення тяга Величина естественной тяги, приведенная в таблицах рассчитана по среднеме- сячным, максимальным и минимальным значениям температуры наружного воздух и температуры воздуха в руднике. На рисунках 3.1-3.3 видна динамика изменения есте- ственной тяги в течение года на участках рудника отнесенным к гор. 520 м, месту рас- положения ГВУ. Влияние естественной тяги на работу ГВУ значительно [4]. 311 ----------------------- Page 312----------------------- Рис. 4.1. Гор. 480 м и 520 м. Рис. 4.2. Гор. 520 м и 876 м. Рис. 4.3. Гор. 520 м и 777 м. Максимальные и минимальные значения естественной тяги, построенные по из- менению температур наружного воздуха в течении года. Естественная тяга большую часть года помогает работе ГВУ, а в теплое время года работает в противонапоре с ГВУ, что приводит к снижению производительности ГВУ и снижению поступления воздуха в горные выработки. В некоторых выработках за счет естественной тяги, в за- висимости от температуры наружного воздуха и температуры воздуха в руднике, может произойти как увеличение расхода воздуха в горных выработках, так и снижение рас- хода, вплоть до прекращения движения и опрокидывания струй. Исходя из этого, ре- жим работы вентиляторов ГВУ должен обеспечивать воздухом места ведения горных работ, как в нормальном режиме проветривания, так и в реверсивном. Рекомендации 1. Для более эффективного перераспределения воздуха по участкам вентиляци- онной сети рудника в основных узлах должны использоваться вентиляционные двери с регулируемыми вентиляционными окнами. 2. Необходимо установить капитальные регулируемые вентиляционные двери на штольне №19 в районе сопряжения с вентиляционным восстающий № 1 или вентиля- ционный двери должны быть перенесены от сопряжения со штольней «Капитальная», для снижения аэродинамического сопротивления участка вентиляционной сети и более эффективного распределения воздушной струю по участкам рудника; 3. Необходимо установить ППВУ на базе вентилятора ВМЭ-8 для распределения воздушной струи по рабочим зонам гор.355м в районе съезда; 4. Необходимо установить шлюзовые ворота с регулируемыми вентиляционны- ми окнами на гор. 430 м для эффективного распределения воздушной струю по участ- кам гор. 430м-355м рудника. 5. Необходимо увеличить производительность ГВУ рудника для обеспечения потребным количеством воздуха рабочих зон рудника, за счет установки лопаток рабо- чего колеса вентилятора на +450 в летний период. 6. Для инженерных расчетов целесообразно пользоваться заводскими аэродина- мическими характеристиками вентиляторов ГВУ рудника, которые приводятся для стандартных атмосферных условий. 7. При дальнейшей работе на нижележащих горизонтах необходимо разработать специальные технические условия по разбавлению свежим воздухом отработавших га- 3 зов машин с ДВС путем снижения потребного количества воздуха на 1 л.с. с 5 м /мин до 2,5 м3/мин, что позволит использовать большее количество техники с ДВС в рудни- ке, не нарушая ЕПБ. 8. Для рассмотрения вопроса, о дальнейшем снижении количества воздуха тре- буемого для проветривания рудника, необходимо разработать методику отбора проб отработанных газов в машинах с ДВС для снижения нормы количества воздуха на 1 л. с. номинальной мощности двигателя.
АНАЛИЗ СТРУКТУРНО-ТЕКТОНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В НАДВИГОВЫХ И СДВИГОВЫХ ЗОНАХ НА ШАХТНОМ ПОЛЕ РУДНИКА БКПРУ-2
Анализ геологических условий газодинамических явлений показал, что прак- тически все случаи интенсивных газовыделений при проходке подготовительных выра- боток соотносятся со складчатыми и разрывными дислокациями, образующие совре- менный структурный план шахтного поля Березниковского калийного рудоуправления 2 ПАО «Уралкалий». Поэтому предметом исследования в данной статье являются надвиговые и сдвиговые зоны на шахтном поле рудника БКПРУ-2. Целью работы является изучение механизма формирования зон, опасных по газодинамическим явлениям, в надвиговых и сдвиговых зонах с учетом факторов газоносности и тектонического строения разраба- тываемых калийных пластов на шахтном поле рудника БКПРУ-2 ПАО «Уралкалий». В процессе выполнения научно-исследовательских работ выполнен анализ и обобщение геологической информации на шахтном поле рудника БКПРУ-2, оцифрова- ны геологические разрезы, построены детальная структурная карта шахтного поля по пласту АБ и выделены надвиговые и сдвиговые зоны (рис. 1). 329 ----------------------- Page 330----------------------- Рис. 1. Рельеф поверхности пласта АБ шахтного поля рудника БКПРУ-2: 1 - линии сдвига, надвига и сброса; 2 - зона влияния Зырянского сдвига; 3 - зафиксированные газодинамические явления; 4 - характерные газодинамические явления из забоя и стенок выработки; 5 - точки повышенной газоносности; 6 - зоны замещения пласта АБ; ТН- Троицкий надвиг; ЛС- листрический сброс; ЗС - Зыряновский сдвиг Общий анализ структурно-тектонических условий в северо-западной части шахтного поля показывает, что на пространственное перераспределение свободных га- зов в северо-западной части БКРУ-2 могли влиять следующие факторы: 1. Положение самого Зырянского сдвига и зоны его влияния. Зафиксированный разворот простирания складок, примыкающих к сдвиговой зоне, дает основание счи- тать, что прилегающий к нему соляной массив был подвержен деформации, в процессе развития которой могли высвобождаться межзерновые и часть внутризерновых газовых включений. Кроме этого сама сдвиговая зона могла служить путем восходящей мигра- ции газонасыщенных водных растворов из подстилающей толщи пород. 2. Пространственное положение границы между участками карналлитового и сильвинитового состава пласта Б, как фронта высвобождения газа при замещении пер- вичных солей вторичными и дегазации газонасыщенных водных растворов. 3. Присутствие крупной зоны галитизации, вскрытой на 14 западной панели и являющейся, вероятно, эпицентром радиальной миграции водных растворов, вызвав- ших сильвинитизацию карналлитовых пород. Она контролируется пересечением суб- широтного прогиба и субмеридионального гребня. Вероятно, в местах пересечения по- добных структур и формируются субвертикальные зоны перетока водных растворов и высвобожденных при растворении соляных пород газов и дегазации газонасыщенных водных растворов [1-4]. Анализ рельефа поверхности пласта АБ шахтного поля рудника БКПРУ- 2показывает, что 4 ГДЯ произошли в зоне Троицкого надвига, 13 - в зоне влияния Ли- стрического сброса, а 42 газодинамических явлений произошло в зоне влияния Зырян- ского сдвига. В целом можно констатировать, что примерно 90% газодинамических 330 ----------------------- Page 331----------------------- явлений на пласте АБ приурочено к зонам сдвигов и надвигов. Кроме этого 70 произо- шедших ГДЯ связано с процессами эпигенетических изменений соляных пород под воздействием агрессивных водных растворов при их латеральной миграции от крупной зоны замещения продуктивных пластов каменной солью, расположенной на 5, 7 и 9 за- падных панелях рудника БКПРУ-2. На фоне этого можно утверждать о двух механиз- мах образования очагов газодинамических явлений на БКПРУ-2. Во-первых, формиро- вание части очагов газодинамических явлений связано с процессами эпигенетических изменений соляных пород под воздействием агрессивных водных растворов при их ла- теральной миграции от зон замещения продуктивных пластов каменной солью. Акку- муляция свободных газов в этом случае происходила, в основном, вблизи контуров развития карналлитовых и смешанных (карналлит + сильвинит) пород пластов АБ, В и других пластов сильвинит-карналлитовой зоны [4]. Во-вторых, механизм образования очагов, приуроченных зонам влияния сдви- гов и надвигов связан, по-видимому, с освобождением связанных газов под воздейст- вием деформационных процессов в зонах влияния сдвигов и надвигов и последующей их аккумуляцией в трещинах отрыва и трещин складок (рис. 2). Рис. 2. Схема формирования очагов газодинамических явлений в пределах зон влияния сдвигов и надвигов на шахтном поле рудника БКПРУ-2: 1 - пласт А (полосчатый сильвинит); 2 - пласт Б (пестрый сильвинит); 3 - пласт Б-В (каменная соль); 4 - трещины отрыва; 5 - трещины отслоения (складок); 6 - глинистые прослойки В виду тектонических процессов и процессов складкообразования происходит раскрытие трещин двух видов. Первая группа - трещины отслоения (складок), которые представлены секущими трещинами. Трещины складок по длине сомкнуты, но имеют отдельные участки с раскрытие - от долей до 11 см (среднее 1-1,5 см). Продольные трещины развиты, главным образом, на соляных поднятиях и обычно приурочены к замковым частям антиклинальных и синклинальных складок. Они обнаружены в ин- тервале пластов от А до Г. Длина трещин колеблется в интервале 0,5-20,0 м, зияние - 2,0-20 см [2]. В процессе формирования выбросоопасных зон складчатые структуры отслоения несут две функции: во-первых, они формируют «газовый коллектор» и зону пониженной прочности пород, во-вторых, собирают газ с окружающих участков пласта по принципу вакуумного насоса [5]. 331 ----------------------- Page 332----------------------- Вторые из представленных на рис. 2 трещин - трещины отрыва, среди которых встречаются как одиночные, так и группы трещин. Длина трещин - первые метры, вы- сота - до 1,7 м, раскрытие - от долей до 11 см (среднее 1-1,5 см). Трещины обычно су- хие, реже заполнены рыжеватым рассолом, и тяготеют к пластам каменной соли и уча- сткам развития крупноблочного пестрого сильвинита. Очевидно, что внутри области соляных пород в интервале от пласта ка- менной соли КрI-А до пласта В, содержащих свободные газы, возникнет перепад давления - газовая депрессия (геологический вакуум), величина которой будет оп- ределяться соотношением давление свободных газов на контуре раскрывшейся геологической трещины и давления в полости раскрывшейся геологической тре- щины [6]. Известно, что свободные газы в соляном породном массиве находятся макропорах, микротрещинах, трещинах, на границах зерен, в слоях и прослойках соленосных глин, на контактах разностей соляных пород. Поэтому, при превыше- нии давления свободных газов на контуре раскрывающейся геологической трещи- ны над давлением в полости данной трещины по флюидопроводникам (наиболее слабыми контактами - слоями и прослойками соленосных глин, микротрещинова- тостью пород и границами зерен) начнется приток свободных газов из окружаю- щего соляного породного массива в секущую трещину. Таким образом, раскрыв- шаяся трещина концентрирует в себе свободные газы, а замкнутость полости тре- щины будет препятствовать транзиту свободных газов как вверх по геологическо- му разрезу, так и в латеральном направлении. Таким образом, на шахтном поле рудника БКПРУ-2 прослеживается приуро- ченность очагов газодинамических явлений и участков с повышенной газоносностью пород пласта АБ к зонам формирования тектонических структур, в т.ч. в зонам влияния сдвигов и надвигов.
ОБОСНОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ РАБОЧИХ ЗОН НЕСКОЛЬКИХ ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТОК
В условиях возрастания объема добычи полезных ископаемых горнодобывающи- ми предприятиями увеличиваются глубина отработки и площадь шахтных полей. Вен- тиляционные сети рудников становятся более протяженными и разветвленными, ус- ложняется доставка воздуха в удаленные рабочие зоны. Согласно современным правилам безопасности, вентиляция шахт на рудных месторождениях должна быть организована таким образом, чтобы рабочие зоны проветривались обособленно, т.е. чтобы последовательное проветривание было исключено. 157. …Вентиляция шахты должна быть организована так, чтобы пласты, горизон- ты, панели, блоки и камеры проветривались обособленно за счет общешахтной депрес- сии или вентиляторными установками, допущенными для этих целей [1]. 245. Запрещается на шахтах последовательное проветривание рабочих мест (уча- стков, блоков, камер, забоев) [1]. В действительности же опасность представляет не последовательное проветрива- ние само по себе, а превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) ядовитых газов в воздухе, поэтому если в случае последовательного проветривания нескольких рабочих зон в воздушной струе не происходит накопление концентрации ядовитых га- зов выше ПДК, то последовательное проветривание является безопасным и экономиче- ски эффективным. 291 ----------------------- Page 292----------------------- Для обоснования последовательного проветривания необходимо рассмотреть операции технологического цикла в тупиковой выработке, во время которых про- исходит максимальный выброс ядовитых газов в рудничную атмосферу. Это глав- ным образом взрывание взрывчатых веществ (ВВ) и операции, связанные с рабо- той техники с двигателями внутреннего сгорания (ДВС): отгрузка взорванной по- роды погрузочно-доставочными машинами и работа кровлеоборочной техники. На калийных рудниках дополнительно возникает проблема обеспыливания атмосферы рабочих зон добычных комбайновых комплексов в тупиковых выработках, где концентрация витающей пыли в зоне работы машиниста комбайна может дости- 3 3 гать 500-1500 мг/м воздуха при ПДК 5 мг/м . В работе [2] представлены результа- ты численного трехмерного моделирования динамики и распределения пылевоз- душной смеси при работе комбайна с барабанным исполнительным органом в ту- пиковых выработках калийных рудников, и рекомендован всасывающий способ местного проветривания (вентиляции), обеспечивающий безопасность работы пер- сонала с использованием средств индивидуальной защиты от пыли - фильтрующих респираторов. Классическая схема проветривания тупиковых выработок после взрыва ВВ следующая: свежий воздух нагнетается с помощью вентиляторов местного провет- ривания (ВМП) через вентиляционные трубопроводы обособленными струями к забою каждой тупиковой выработки (рис. 1). Следует отметить, что после взрыва образуется зона отброса газов, или зона смешения, с некоторой начальной концен- трацией ядовитых газов, внутри которой происходит турбулентное перемешивание газо-воздушной смеси и постепенный вынос вредных примесей из тупиковых вы- работок. Рис. 1. Схема обособленного проветривания двух тупиковых выработок после взрыва ВВ Для определения динамики концентрации вредных примесей в зоне смешения В.Н. Ворониным предложена [3] и с различными модификациями до настоящего вре- мени используется [4,5,6] простая балансовая модель, использующая понятие «коэф- фициент турбулентной диффузии струи» КТ, не совпадающее с общепринятым коэф- фициентом диффузии. Параметр КТ определяется как отношение средней концентрации примеси в сечении ядра постоянной массы струи к концентрации на границе струи . Для частично загазированных струй был определен соответствующий КТ модифициро- ванный коэффициент КТ1: 292 ----------------------- Page 293----------------------- С 0 K =K + -K T1 T (1 T ) , С ср где C0 - концентрация примеси на оси струи в начальном ее сечении. Для расчетов параметра КТ в зависимости от диаметра трубопровода и его уда- ленности от забоя предложены специальные таблицы [2], но на практике распростране- но использование эмпирических значений [5,7], лежащих в интервале от 0,2 до 1,0. Принимается, что ск близко к средней по зоне смешения концентрации с [8]. Уравнение баланса массы вредной примеси в зоне смешения после взрыва и на- чальное условие имеют следующий вид: dC (t ) QВМП +KT C (t ) =0, dt 1 V ЗОГ A b C (0) =C0 = , V ЗОГ 3 где QВМП - производительность вентилятора местного проветривания, м /с; VЗОГ - объем зоны отброса газов, м3; А - расход ВВ на одно взрывание, кг; b - газовость ВВ, или объем газов, образующихся после взрыва 1 кг ВВ, л/кг. Решение уравнения имеет экспоненциальный вид: K Q T 1 ВМП - t V C (t ) =C0 e ЗОГ . Концентрация газов на выходе из зоны смешения К C(t). Т1 Для верификации модели было проведено сопоставление модельных данных с ре- зультатами, полученными в ходе эксперимента по дегазации тупиковой выработки по- сле взрыва ВВ, при этом коэффициент турбулентной диффузии КТ = 0,6 был подобран таким образом, чтобы экспериментальные точки легли максимально близко к модель- ной кривой (рис. 2) [9]. Из графика видно, что модель достаточно хорошо описывает явление. Рис. 2. Сопоставление модельных и экспериментальных данных 293 ----------------------- Page 294----------------------- Для рудников ПАО «ГМК «Норильский никель» были приняты следующие па- раметры: расход ВВ на одно взрывание А = 160 кг; газовость b = 22 л/кг; сечение ту- пиковой выработки S = 20 м2; длина зоны отброса газов согласно приближенной формуле А.И. Ксенофонтовой [10] L = 15+А/5 = 47 м; К = 0,2 (соответствует ЗОГ Т 3 наихудшему перемешиванию в зоне отброса газов); QВМП = 23,1 м /с; длина тупико- вой выработки 500 м. Первым этапом было проведено моделирование обособленного проветривания двух тупиковых выработок. Время проветривания до ПДК составило 25,2 минуты при 3 входящем расходе QВХ = 66 м /с. Далее был уменьшен входящий расход свежего воздуха в 2 раза и проведено мо- делирование последовательного проветривания двух тупиковых выработок. Время про- ветривания до ПДК составило 34 минуты. В случае организации последовательного проветривания трех тупиковых вырабо- 3 ток одной входящей струей (QВХ = 33 м /с) время проветривания всех выработок соста- вило 42,9 минут. Поскольку технологическим регламентом для рудников ПАО «ГМК «Норильский никель» предписывается проветривание рабочих зон после взрыва ВВ в течение 60 ми- нут, то организация последовательного проветривания трех тупиковых выработок не приведет к нарушению данного регламента. Далее следует рассмотреть возможность последовательного проветривания не- скольких тупиковых выработок в случае работы машин с двигателями внутреннего сгорания. Принципиальная схема последовательного проветривания нескольких тупи- ковых выработок в случае работы машин с двигателями внутреннего сгорания изобра- жена на рисунке 3, где g - количество выделяемых выхлопных газов, СО или NO , выхл 2 м3/с; С - концентрация соответствующего газа. ДВС Рис. 3. Схема последовательного проветривания двух тупиковых выработок во время работы техники с двигателями внутреннего сгорания Концентрация ядовитых газов на общей исходящей струе находится по следую- щей формуле: 294 ----------------------- Page 295----------------------- В рудниках ПАО «ГМК «Норильский никель» в 2017 году был произведен отбор проб концентраций отработанных выхлопных газов работающей техники и было рассчитано, согласно модели, что для двигателей со стандартами ток- сичности Tier 3 (Stage III) и Tier 4 (Stage IV) концентрации ядовитых газов не превышают ПДК при последовательном проветривании 2 и 3 тупиковых выра- боток. Таким образом, организация последовательного проветривания может су- щественно сократить издержки предприятий на вентиляцию путем сокращения подачи воздуха в рудник, а также обеспечивает технический резерв для увели- чения объемов добычи полезного ископаемого. При этом, безусловно, для обос- нования безопасности опасного производственного объекта при организации последовательного проветривания на каждом руднике следует провести серию экспериментов с целью уточнения аэродинамических параметров и верифика- ции модели.
ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ ПРИ ПОДЗЕМНОМ РАЗМЕЩЕНИИ ГЛАВНЫХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК
При размещении главной вентиляторной установки (ГВУ) в надшахтных здани- ях скиповых стволов калийных рудников имеют место значительные внешние утечки воздуха (от 33 % до 48 %). Это вызвано размещением в зданиях скиповых стволов подъемного оборудования, в частности подъемные канаты имеют выход в атмосферу, вследствие этого здание негерметично. Имеется положительный опыт запуска подземных ГВУ, осуществляющих про- ветривание II калийного горизонта рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий», приведший к снижению внешних утечек воздуха до 4 %. Схема движения воздуха при подземном размещении ГВУ существенно не изменяется относительно схемы движения воздуха при поверхностном размещении. Однако, за счет изменения направления движения воздуха в местах загрузки и разгрузки скипов не понятен характер распространения пыли. Также, в зумпфовой части ствола часть исходящей струи воздуха попадает в воз- духоподающие выработки, таким образом необходимо детально изучить аварийные режимы проветривания. При параллельном включении ГВУ необходимо предусмот- реть варианты регулирования подачи воздуха [1, 2]. С целью наиболее энергоэффективного и безопасного проветривания рудников подземными ГВУ решаются следующие задачи: 1. Исследование пылевой обстановки в башенном копре и подземном комплексе загрузки скипов; 2. Моделирование распространения продуктов горения при возникновении пожара; 3. Разработка вариантов регулирования подачи требуемого количества воздуха. При подземном размещении ГВУ воздушный поток в башенном копре движется снизу вверх. При этом за счет напора, развиваемого ГВУ, в здании наблюдается повы- шенное давление относительно атмосферного. При этом пыль, образующаяся при раз- грузке скипа, «запирается» в бункере. 287 ----------------------- Page 288----------------------- Рис. 1. Движение воздуха при подземном размещении ГВУ Подземное размещение ГВУ обуславливает движение воздушных потоков на участке от камер взвешивающих конвейеров до зумпфа (рисунок 1). При этом пыль, образующаяся при загрузке скипа, подхватывается воздушным потоком и движется в бункер улавливания рудной мелочи, налипая на стенках бункера, не попадая в ствол. Описанное выше способствует снижению концентрации пыли в башенном копре до 10 раз (рисунок 2). Рис. 2. Сравнение концентрации пыли в здании скипового ствола в зависимости от размещения ГВУ Для предотвращения налипания пыли на стенках бункера улавливания рудной мелочи необходимо оснастить бункер вибровстряхивающим устройством. В связи с тем, что часть исходящего воздуха через камеры взвешивающих кон- вейеров и уклон чистки зумпфа попадает в околоствольный двор (ОД) (рисунок 1) воз- можно попадание продуктов горения в главные воздухоподающие выработки. Произведено моделирование распространения продуктов горения в динамике при обнаружении пожара в камерах подземных ГВУ (рисунок 3). 288 ----------------------- Page 289----------------------- Рис. 3. Распространение дыма при проветривании подземными ГВУ Из рисунка 3 видно, что при обнаружении пожара в камерах размещения под- земных ГВУ продукты горения через выработки камер взвешивающих конвейеров и уклона чистки зумпфа попадают в воздухоподающие выработки. Такой сценарий раз- вития аварийной ситуации не подразумевает реверсирования воздушной струи, таким образом возникает ситуация с отсутствием безопасного выхода горнорабочих, застиг- нутых данной аварией в выработках уклона чистки зумпфа и камер взвешивающих конвейеров. Более того, продукты горения, попав в воздухоподающие выработки, рас- пространяются по вентиляционной сети, тем самым осуществляют загазование данных выработок, которые при данной аварийной ситуации являются аварийным выходом. С целью исключения попадания продуктов горения в воздухоподающие выра- ботки разработаны варианты изменения схемы проветривания выработок ОД, но они так или иначе не давали необходимого эффекта. Единственное техническое решение в условиях конкретного рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий» - это размещение датчи- ков обнаружения дыма и газа в камерах размещения подземных ГВУ и своевременный автоматизированный запуск поверхностного ГВУ. Зона распространения продуктов го- рения при данном мероприятии приведена на рисунке 4. На руднике 4 РУ внедрена система автоматизированного управления про- ветриванием (САУП) [3, 4], позволяющая регулировать подачу воздуха в зависи- мости от режима проветривания. Можно прогнозировать явление срыва потока в случае работы одного из вентиляторов в режиме «останов» и другого - в режиме «рабочая смена». Описание срыва потока (работы вентилятора в зоне помпажа) и некоторые мероприятия по его предотвращению описаны в работе [1]. В работе [2] произведено сравнение энергоэффективности вариантов регулирования подачи воздуха: - за счет изменения частоты вращения и/или угла установки лопаток рабочего колеса вентиляторов в составе подземных ГВУ [5]; - за счет изменения угла открытия автоматической вентиляционной двери (АВД), установленной на каждом из проветриваемых направлений параллель- ными подземными ГВУ [6]. 289 ----------------------- Page 290----------------------- Рис. 4. Распространение дыма при задействовании поверхностной ГВУ В результате сравнения сделан вывод, что энергопотребление при обоих вариан- тах управления проветриванием находится в диапазоне -18 % - +24 % от наименьше- го энергопотребления при режиме «рабочая смена» - «рабочая смена». Однако, так как большую часть времени рудник работает в режиме «рабочая смена», выбран вариант управления проветриванием производительностью подземной ГВУ. В результате исследования выявлены основные особенности проветривания руд- ников при подземном размещении ГВУ в вентиляционных выработках и выдаче исхо- дящей струи воздуха по скиповому стволу. Данные особенности позволили сформули- ровать некоторые преимущества и недостатки данной схемы проветривания. Дальней- шая проработка позволила определить мероприятия и технические решения по предот- вращению выявленных недостатков. Преимущества: 1. Исключение внешних утечек воздуха через надшахтное здание башенного копра; 2. Существенное снижение концентрации пыли в здании башенного копра; 3. «Запирание» образующейся при загрузке скипов пыли в зумпфовой части ствола. Недостатки: 1. Опасность попадания продуктов горения в воздухоподающие выработки через камеры взвешивающих конвейеров и уклон чистки зумпфа; 2. «Налипание» пыли на стенках бункера улавливания рудной мелочи; 3. Возможность попадания рабочей точки вентилятора в зону «помпажа» при изменении режима проветривания. Технические решения: 1. Оперативное реагирование на датчики задымленности и автоматический за- пуск поверхностной ГВУ; 2. Оснащение бункера улавливания рудной мелочи вибровстряхивающим уст- ройством; 3. Предварительное определение параметров работы вентиляторов при измене- нии режима проветривания.
СИСТЕМА ИНТЕРАКТИВНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ВОЗДУШНО-ДЕПРЕССИОННОЙ СЪЁМКИ РУДНИКОВ
Организация проветривания современных горнодобывающих предприятий явля- ется многофакторной задачей, трудоёмкость решения которой обусловлена сложно- стью и динамичностью структуры сети горных выработок. Количество и протяжён- ность выработок меняется со временем по мере эксплуатации рудника, разрабатывают- ся новые добычные участки, появляются новые выработки, закладывается выработан- ное пространство, возводятся вентиляционные перемычки. В результате меняется аэро- динамическое сопротивление рудника, как в целом, так и частично - по горизонтам, рабочим панелям и отдельным выработкам. Знание этих изменений даёт возможность корректировать режимы работы источников тяги и вентиляционных устройств, обеспе- чивая подачу нормативного количества свежего воздуха на каждый из участков рудни- ка [1]. Линейные сопротивления горных выработок определяются однозначно их типом и геометрическими размерами [2], однако на практике значительный вклад в потери давления вносят местные сопротивления, теоретическое определение которых, как пра- вило, не представляется возможным. К их числу относятся, прежде всего, уменьшение или увеличение сечения выработок, вызванные наличием зон обрушения породы, гор- ного оборудования и вентиляционных перемычек, а также, в меньшей степени, изгиба- ми и сопряжениями выработок [3,4,5]. Поэтому регулярные плановые воздушно- депрессионные съёмки (ВДС) являются актуальными мероприятиями для получения достоверной информации о текущем аэродинамическом состоянии рудничной сети. 3 Проведение ВДС предполагает измерение расходов воздуха Q , м /с и падений j давления (напора, депрессии) ΔP , Па во всех выработках рудника, по результатам ко- j 2 7 торого определяются их аэродинамические сопротивления R P Q= Δ / , кг/м . Для j j j определения всех сопротивлений сети, состоящей из n ветвей (выработок), необходимо знание 2n величин: n значений расходов воздуха и n значений падений давления на ка- ждой выработке. С учётом того, что граф сети связан первым и вторым законами сетей, отражающих законы сохранения массового расхода воздуха и энергии [6], количество необходимых для расчёта данных уменьшается в 2 раза с 2n до n. Сохранение массы воздуха постоянной плотности для рудничной сети, состоя- щей из n ветвей и k узлов, задаётся k-1 уравнениями: ( )i 0 = Q , (1) ∑ j j где i- номер узла (от 1 до k-1), j - номера выработок, инцидентных узлу с номером i. По- скольку общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных n, то оставшее- ся число уравнений в количестве m=n-(k-1) отвечают за сохранение энергии при дви- жении воздуха по замкнутым контурам: s s s s s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Δ = Δ = ±π P R( Q ) Q , (2) ∑ j ∑ j ∑ j j j j j j где s- номер (от 1 до m) уравнения (независимого контура), j - номера выработок, со- ( )s держащихся в контуре с номером s, Δπj , Па - напор источника тяги в выработке с но- мером j контура с номером s, ( )s ΔP , Па - падение напора в выработке с номером j кон- j тура с номером s. 282 ----------------------- Page 283----------------------- При известных значениях аэродинамических сопротивлений всех выработок и ис- точников тяги система уравнений (1)-(2) однозначно определяет все расходы воздуха, поскольку решаются n независимых уравнений для n неизвестных величин. Обратная же задача оказывается математически некорректной, т.к. при заданных напорах источников тяги и расходах воздуха определить однозначно сопротивления ветвей невозможно. Дей- ствительно, при задании всех расходов уравнения (1) принимают вид тождественных ра- венств или неравенств в случае несоблюдения нулевого баланса в узлах, а оставшегося количества m контурных уравнений (2) оказывается недостаточным для определения n неизвестных сопротивлений. Причина такой некорректности в том, что нельзя задавать n расходов, поскольку только m из них независимы, т.к. есть k-1 уравнений (1), их связы- вающих, а n-(k- 1)=m. Таким образом, задание m расходов однозначно определяет все ос- тальные k-1. В оставшихся m уравнениях (2) есть n неизвестных сопротивлений, значит, n-m из них должны быть заданы, т.е. должны быть известны n-m перепадов давлений, которые и являются необходимыми для решения обратной задачи данными. Из выше из- ложенного следует, что минимальное количество замеров ВДС для однозначного опре- деления аэродинамических сопротивлений всех n выработок рудничной сети равно n, причём из них должно быть m замеров расходов и n-m замеров перепадов давлений. Определение количества необходимых замеров ВДС не даёт информации о том, в каких выработках они должны быть проведены. Когда экспериментальных данных больше или меньше, чем нужно, возникает вопрос о том, какие данные должны быть взя- ты или дополнены для корректной постановки задачи определения сопротивлений. Если взять n данных (m расходов и n-m перепадов давлений) наугад в произвольной группе выработок, то, вероятнее всего, эти данные окажутся частично зависимыми, и потому задача решения иметь не будет. Выбор же совокупности независимых данных «на глаз» возможен лишь для очень простых вентиляционных сетей, состоящих из нескольких вы- работок. Следует заметить, что для любой вентиляционной сети существует множество групп независимых данных, причём каждая из них может иметь разные возможности для решения обратной задачи воздухораспределения конкретного рудника. При обработке результатов разумно исключать сомнительные и наименее достоверные избыточные данные. В связи с этим возникает необходимость разработки алгоритма поиска незави- симых подмножеств данных по заданной конфигурации рудничной сети. Алгоритм дол- жен быть достаточно гибким, предусматривающим выбор среди этих подмножеств в ин- терактивном режиме с целью нахождения оптимального решения. Возможность свободного перемещения по множеству групп ветвей рудничной сети с независимыми значениями расходов и падений напора реализована в алгоритме, работающем на базе графического интерфейса аналитического комплекса «АэроСеть» [7]. После активации системы обработки результатов ВДС каждая из n ветвей схемы рудничной сети становится доступной для выбора курсором. Изначально все ветви дос- тупны для выбора и имеют чёрный цвет. В меню задаётся режим выбора группы выра- боток - независимых по расходам воздуха или независимых по падениям напора. Алго- ритмы выбора в обоих режимах идентичны, разница заключается лишь в том, что в первом случае решается система узловых уравнений (1) относительно неизвестных расходов, а во втором случае - система контурных уравнений (2) относительно неиз- вестных падений напоров. Поэтому достаточно ограничиться изложением сути алго- ритма только для первого режима. Выбор курсором ветви с номером i означает задание расхода в выработке с дан- ным номером. После этого действия алгоритм определяет, какие ветви могут быть вы- браны далее, т.е. расходы в каких выработках могут быть заданы (измерены) после то- го, как зафиксирован расход в i-ой выработке. Очевидно, что по мере задания расходов в одних выработках, будут однозначно определяться расходы в других в соответствии с 283 ----------------------- Page 284----------------------- системой (1), и расходы в этих выработках задавать будет уже нельзя. Выбранные вет- ви с заданным расходом выделяются красным цветом, ветви, в которых расход ещё можно задать, остаются чёрными. Ветви, для которых расход предопределён расходами ветвей красного цвета и узловыми уравнениями, отмечаются белым цветом и становят- ся не доступными для выбора. В основу разработанного алгоритма положен метод Гаусса решения систем ли- нейных уравнений. Однако форма его применения не стандартна, т.к. метод Гаусса (ме- тод последовательного исключения переменных) используется для решения линейно- независимых систем уравнений. В данном случае метод используется для определения линейной зависимости системы уравнений, причём число уравнений в системе меньше, чем число неизвестных. Если уравнений меньше, чем переменных, но уравнения линейно - независимы, то применение метода исключения приводит к одному уравнению с избы- точным числом переменных. Если же применить метод Гаусса для решения системы ли- нейно-зависимых уравнений, то обязательно на каком-нибудь этапе исключения пере- менных должно возникнуть противоречие типа 1=0, либо тождество типа 0=0, что ин- терпретируется алгоритмом, как противоречие, и используется для определения зависи- мости ветвей по значениям расходов воздуха или падений напора. После выбора очеред- ной ветви i чёрного цвета значение соответствующего расхода полагается равным нулю (хотя, величина задаваемого расхода значения не имеет), в результате чего подсистема (1) изменяется. Выбранная ветвь меняет цвет с чёрного на красный, а для каждой из ос- тавшихся ветвей чёрного цвета применяется процедура поиска противоречия. Для этого значение расхода в каждой из этих ветвей поочерёдно полагается равным нулю, и ищется противоречие методом Гаусса. Если оно не найдено, то ветвь остаётся чёрной и доступ- ной для дальнейшего выбора, если найдено - меняет цвет на белый и далее в выборе не участвует. Расход в такой ветви определён заданными расходами в ветвях красного цвета и в дальнейшем полагается равным нулю. Уравнения подсистемы (1), в которых не оста- лось неопределённых расходов, участвовать в расчёте прекращают, поэтому алгоритм работает с ускорением, сначала выбор происходит медленно, затем - быстрее. Рис. 1. Модельная сеть - 56 выработок (n), 32 узла (k) 284 ----------------------- Page 285----------------------- Изложенный способ выбора подмножества независимых ветвей рудничной сети не полон без возможности отмены выбора любой из ветвей красного цвета с независи- мо задаваемым значением расхода воздуха. Целью отмены является организация гибко- го и быстрого поиска оптимальных вариантов из всей совокупности подмножеств. Для реализации этой функциональности алгоритма данные ветви остаются доступными для нажатия курсором, отменяющим выбор. Нажатие на красную ветвь возвращает ей чёр- ный цвет, и возвращает чёрный цвет всем ветвям белого цвета, расход в которых в те- кущей выборной конфигурации однозначно определялся узловыми уравнениями (1), они также становятся доступными для выбора. Процедура отмены работает аналогич- ным процедуре выбора образом. Для всех недоступных ветвей белого цвета применяет- ся процедура поиска противоречия на предмет проверки того, осталось ли противоре- чие после отмены выбора ветви красного цвета. Если противоречие исчезло, ветвь сно- ва становится доступной для выбора - чёрной, если нет - остаётся не доступной белой. Таким образом, реализуется удобный и быстрый способ перебора групп независимых выработок путём замены одной выработки на другую с целью выделения наиболее дос- товерных результатов для обработки уже проведённой ВДС. Рис. 2. Демонстрация работы алгоритма по выбору множества ветвей сети (n=56), независимых по расходам воздуха (m=25) Работа интерактивного алгоритма продемонстрирована на модельной сети, со- стоящей из 56 ветвей и 32 узлов. Система уравнений баланса расходов состоит из 31 уравнения в каждом узле, кроме одного любого, система контурных уравнений содер- жит 25 уравнений, строящихся по всем возможным замыканиям дерева сети, представ- 285 ----------------------- Page 286----------------------- ляющего собой произвольное подмножество ветвей с независимыми значениями паде- ний давления (рис. 1). На рис.2 приведён пример пошаговой работы алгоритма с де- монстрацией исключения зависимых ветвей и отмены с выбором другого подмножест- ва. Манипуляциями с подмножествами сети можно добиться исключения из расчёта ветвей с недостоверными или сомнительными замеренными данными. Сначала делает- ся выбор групп ветвей, независимых по расходам воздуха, затем переход к другим группам путём отмены выбора отдельных ветвей и заменой их другими. После выбора оптимального подмножества ветвей, независимых по расходам воздуха, аналогичным образом определяются ветви, независимые по потерям давления на них. Финальной стадией работы системы интерактивной обработки результатов ВДС является определение аэродинамических сопротивлений всех выработок руднич- ной сети. Исходными данными являются расходы воздуха и падения давления в вы- бранных подмножествах ветвей. Все остальные расходы и давления, даже если они фи- гурируют в замерах, полагаются неизвестными и определяются решением системы уравнений (1) - (2) обратным ходом методом Гаусса, после чего вычисляются сопро- тивления ветвей. В практике проведения ВДС бывает как избыток, так и дефицит заме- ренных данных. И если в первом случае избыточные данные исключаются по критерию наименьшей достоверности, то во втором случае они должны быть как-то дополнены. В основу способа такого дополнения, предложенного в работе [8], заложен принцип ми- нимизации суммарных отклонений значений сопротивлений выработок от их проект- ных значений, определяемых по типам и геометрическим размерам. В случае недоста- точного количества экспериментальных данных такой подход представляется наиболее рациональным для их получения и дальнейшего использования в расчётах. В заключении следует отметить, что представленный в статье метод выбора множеств ветвей рудничной сети, независимых по расходам воздуха и падениям давле- ния, реализованный численно в виде интерактивного расчётного модуля, позволяет ми- нимизировать затраты труда и времени при проведении воздушно-депрессионных съё- мок и обработке их результатов, а также увеличить точность определения аэродинами- ческих сопротивлений горных выработок.
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОВЕТРИВАНИЯ РУДНИКОВ СО СЛОЖНЫМИ СИСТЕМАМИ ВЕНТИЛЯЦИИ
Удаление фронта ведения горных работ и увеличение требуемого количества воздуха для проветривания рудников обычно приводит к необходимости замены глав- ной вентиляторной установки (ГВУ). В случаях, когда напора одной ГВУ становится 277 ----------------------- Page 278----------------------- недостаточно для проветривания удаленных участков рудника, появляется необходи- мость введения в работу дополнительных главных вентиляторных установок. При про- ектировании вентиляции рудников можно выделить класс рудников со сложными сис- темами вентиляции, которые характеризуются наличием двух и более главных венти- ляторных установок, расположенных на разных стволах и имеющих обособленные зо- ны влияния. В условиях рудников такого типа необходимо учитывать взаимное влия- ние ГВУ и настраивать режимы их работы таким образом, чтобы каждая из них работа- ла максимально эффективно на участки вентиляционной сети и не создавала помех для работы других главных вентиляторных установок. Вопросом регулирования воздухораспределения в вентиляционных сетях зани- мались Скочинский А.А., Медведев И.И., Абрамов Ф.А., Красноштейн А.Е., Мохирев Н.Н., Пучков Л.А., Цой С.В., M.J. McPherson, H. Cross и другие. Анализ литературных источников [1,2,3,4] и программных продуктов [5,6] показывает, что задача определе- ния эффективных параметров работы ГВУ при проектировании вентиляции рудников решена преимущественно для условий проветривания одной ГВУ. Вопросы же оптими- зации рабочих параметров нескольких главных вентиляторных установок, определения влияния каждой ГВУ на эффективность проветривания не рассматриваются. Повышения эффективности проветривания рудников со сложными системами вентиляции можно достигнуть за счет: - разработки детализированных моделей вентиляционных сетей (учет «старе- ния» горных выработок при эксплуатации); - определения зон влияния главных вентиляторных установок. В основу разработки детализированных моделей вентиляционных сетей поло- жено определение фактических аэродинамических сопротивлений всех горных вырабо- ток рудника. При проведении экспериментальных исследований можно выделить уча- стки вентиляционной сети определение аэродинамических сопротивлений которых вы- зывает наибольшие затруднения. К таким участкам относятся: - шахтные стволы на глубоких рудниках; - зоны выработанных пространств; - подсечные горизонты. Основная часть потери давления (до 70 %) приходится на шахтные стволы, по- этому от точности определения их аэродинамических сопротивлений зависит коррект- ность модели вентиляционной сети и в дальнейшем точность определения рабочей точ- ки главной вентиляторной установки. В шахтных стволах потеря давления происходит в результате преодоления воздушным потоком препятствий в виде расстрелов, лест- ничного и трубного отделений, а также под действием трения о крепь ствола. Много- образие вариантов комбинаций армирования и крепления стволов не позволяет с необ- ходимой точностью классифицировать стволы по величинам аэродинамических сопро- тивлений, поэтому они должны определяться индивидуально на основании натурных исследований [7]. При определении аэродинамического сопротивления шахтных стволов необхо- димо выделить участок ствола, на котором проводить экспериментальные измерения, определить количество замеров в пределах ствола, а также факторы влияющие на изме- ряемые величины. В работах [8,9] подробно приведено решение этих задач. Следующими участками, определение аэродинамических сопротивлений кото- рых вызывает затруднения, являются зоны выработанных пространств и подсечные го- ризонты. В условиях перечисленных участков проведение экспериментальных замеров представляется трудноосуществимым. Это связано в первую очередь с наличием выра- боток, находящихся в аварийном состоянии. Кроме того, существенное влияние на проведение замеров оказывает активное движение техники и наличие выработок со 278 ----------------------- Page 279----------------------- слабо выраженным движением воздушных потоков. В совокупности не учет этих фак- торов приводит к разработке искаженной модели. В дальнейшем это отразится на раз- работке технических решений при проектировании новых участков. Для решения задачи разработки детализированной модели вентиляционной сети разработан алгоритм автоматизированной обработки данных воздушно-депрессионной съемки. Принципиальная схема работы алгоритма приведена на рисунке 1. Рис. 1. Принципиальная схема работы алгоритма автоматизированной обработки данных воздушно-депрессионной съемки На первом этапе вносятся исходные данные в топологию вентиляционной сети: проектные (длины, сечения, коэффициенты аэродинамического сопротивления) и заме- ренные значения (расходы воздуха, давления). Второй этап характеризуется разделени- ем вентиляционной сети на подсети. Далее производится расчет стационарного возду- хораспределения в каждой подсети. После этого распределяется невязка расходов меж- ду подсетями и производится корректировка балансов расходов воздуха. На следую- щем этапе узлы с замеренными значениями давлений объединяются в одно множество замеренных узлов, а узлы, в которых отсутствуют значения в другое множество кор- ректируемых узлов. Далее в множестве корректируемых узлов пересчитываются давле- ния. В завершении на основании увязанных давлений и расходов воздуха производится расчет фактических аэродинамических сопротивлений всех горных выработок в венти- ляционной сети. Разработанный алгоритм реализован в АК «АэроСеть» [10] верифицирован на моделях вентиляционных сетей рудников ПАО ЗФ «ГМК «Норильский Никель», обла- дающих всеми элементами сложной системы вентиляции. В целях дальнейшего повышения эффективности проветривания рудников со сложными вентиляционными системами необходимо определить зоны влияния глав- ных вентиляторных установок. В дальнейшем наличие информации о зонах влияния ГВУ позволит подобрать энергоэффективный режим проветривания каждой из главных вентиляторных установок. 279 ----------------------- Page 280----------------------- Для определения степени влияния главных вентиляторных установок на провет- ривание участков вентиляционной сети рудников вводится матрица влияния I: ΔQjm Ijm = , (1) ΔQm где ΔQj m - изменение (отклик) количества воздуха в j-той выработке при малой ва- риации производительности m-ой ГВУ; ΔQm - вариация производительности m-ой ГВУ. Другими словами, матрица влияния характеризует, как производительность m- ой ГВУ влияет на величину расхода воздуха в каждой j-той выработке. ΔQ =Q -Q∗ , (2) j m jo jm где Qj o - расход воздуха в j-той выработке до изменения производительности m-ой главной вентиляторной установки; Q∗ - расход воздуха в j-той выработке после из- j m менения производительности m-ой главной вентиляторной установки. Расход воздуха в j-ой выработке является функцией производительностей всех источников тяги. Q =Q (QГВУ ,...,QГВУ ) , (3) j j 1 M где M - число всех ГВУ. Исходя из этого, формулу (1) можно интерпретировать как частную производную этой функции по расходам воздуха через ГВУ. ∂Q Q ⋅QГВУ -Q ⋅(QГВУ +ΔQ ) j j m j m m . ∼ (4) ∂Qm ΔQm В дальнейшем матрица влияния I используется для определения степени влия- ния каждой главной вентиляторной установки на сеть горных выработок. Для оптимизации режимов работы нескольких главных вентиляторных ус- тановок в вентиляционных сетях рудников выведена система уравнений позво- ляющая одновременно регулировать параметры работы ГВУ и вентиляционных сооружений. Подбор параметров главных вентиляторных установок и вентиляци- онных сооружений производится по критерию минимизации суммарной потреб- ляемой мощности. Δn =С⋅(k ⋅I ⋅ΔQ ) -F ⋅min ΔS ⎧⎪ m эфф.m jm j j j ⎨ , (5) ΔS =D ⋅k ⋅I ⋅ΔQ ⎪⎩ n эфф.n jn j где C, D, F - эмпирические параметры регулирования; n - частота вращения рабоче- m го колеса m-й главной вентиляторной установки; kэфф.m(n) - коэффициент, характери- зующий эффективность регулирования воздухораспределения частотой вращения ра- бочего колеса одной из ГВУ с наименьшей потребляемой мощностью (с помощью вен- тиляционных сооружений); I - матрица влияния, характеризующая влияние про- jm (jn) изводительности m-той ГВУ (n-ого вентиляционного сооружения) на величину расхода воздуха в каждой j- той выработке; ΔQ - ошибка управления расходами (отклонение j фактических расходов от требуемых). Разработанные и представленные в статье способы повышения эффективности проветривания рудников со сложными системами вентиляции (разработка детализиро- ванных моделей вентиляционных сетей, оптимизация режимов работы главных венти- ляторных установок) позволяют учитывать взаимное влияние ГВУ и настраивать ре- жимы их работы таким образом, чтобы каждая из них работала максимально эффек- тивно на участки вентиляционной сети и не создавала помех для работы других глав- ных вентиляторных установок.
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ОТКЛОНЕНИЙ ПРОВОДНИКОВ СТВОЛА
Шахтные стволы являются главными технологическими артериями, обеспечи- вающими функционирование горных предприятий. Их функции состоят из практически непрерывной доставки на поверхность добываемого полезного ископаемого, транспор- тировки производственного персонала, оборудования и материалов, необходимых для ведения горных работ. Ствол представляет собой весьма сложный инженерный объект, состоящий из множество взаимосвязанных конструкций: трубы; кабели; вертикальные направ- ляющие (проводники) для передвижения транспортных сосудов (клетей или ски- пов); горизонтальные стальные балки (расстрелы), к которым крепятся проводники и другие элементы. Чтобы 50 тонный скип мог двигаться со скоростью 12-18 м/с, направляющие должны быть идеально выровнены. Поэтому нормативными документами регламенти- руется инструментальный контроль геометрического соотношения элементов ствола. Его периодичность определяется техническим руководителем предприятия, но не реже, чем раз в три года, согласно требованиям пункта 114 «Правил безопасности…» [1]. 275 ----------------------- Page 276----------------------- Кроме того, согласно требованиям пункта 111 «Правил безопасности…» [1], не реже одного раза неделю эксплуатация ствола останавливается на несколько часов для проведения визуального осмотра, а в случае отсутствия систем контроля плавности движения сосудов осмотры требуется проводить ежесуточно. Как показывает практика, несовершенство контроля состояния проводников при- водит к приостановке работы подъема, что в лучшем случае приводит к снижению по- казателей добычи, а в худшем - к серьезным авариям с выходом из строя ствола на не- сколько месяцев и даже лет. В настоящее время применяются системы контроля плавности движения сосу- дов [2], которые позволят сократить количество визуальных осмотров ствола. Они про- изводят контроль боковых и лобовых ускорений скипа и работают как индикатор - оп- ределяют участок ствола, на котором требуется провести осмотр. При этом инструмен- тальный контроль проводников обычно проводится вручную специалистами маркшей- дерской службы рудника. Мы предлагаем систему, позволяющую автоматически фиксировать величину от- клонения геометрических параметров проводников ствола от проектных. Она построе- на на основе оптических триангуляционных датчиков и бесплатформенной инерциаль- ной навигационной системы. Подобная система имеет успешный опыт использования на железных дорогах [3]. Оптические триангуляционный блок производит замеры параметров относитель- но подъемного сосуда. Лазеры, установленные в оптических профилометрах, подсвечи- вают проводники ствола, образуя единую линию засветки. Объективы видеокамер тех- нического зрения, установленных в профилометрах, фиксируют отраженные лучи в точки на матрицах камер, формируя профили каждого проводника. Контроллер профи- лометра ведет точный расчет угла распределения света на фотодиодной линии и по этим данным определяет расстояние до объекта. По смещению точек профилей про- водников вычисляются параметры геометрии проводников. Навигационная система построена на основе высокоточных волоконно- оптических датчиков угловой скорости и акселерометров навигационного класса точ- ности. Она измеряет продольные и поперечные ускорения, угловые скорости по трем осям, возникающие при движении сосуда. На основе этих измерений бесплатформен- ная инерциальная навигационная система определяет положение сосуда в пространст- ве. Полученная в комплексе информация поступает в бортовой компьютер для первич- ной обработки и записывается в память системы. Из-за отсутствия контакта с измеряемым объектом предлагаемая система произ- водит точные измерения без снижения рабочей скорости скипа. Предложенное решение позволит осуществлять непрерывный контроль следующих параметров: - ширина колеи, - отклонений проводников от вертикали, - износ проводников, - стыковые зазоры, - кривизна проводников, - лобовые и боковые ускорения сосуда. Система в режиме реального времени получает и обрабатывает результаты инст- рументальных измерений трехмерной математической модели, выдает отчеты, в кото- рых показаны слабые места и предложены рекомендации по их устранению. [4,5] Внедрение такой системы полностью автоматизирует профильную съемку и ис- ключит простои подъемного оборудования, связанные с обследованием армировки ствола. 276 ----------------------- Page 277----------------------- Бесплатформенная инерциальная навигационная система Определяет ускорения сосуда и положение в пространстве Пр ово дни к Оптический триангуляционный блок Определяет геометрию проводников Рис. 1. Общий вид аппаратной части системы контроля проводников
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ
На современном этапе развития многие горные предприятия для решения задач поддержания и увеличения мощности добычи сталкиваются с необходимостью вовлечения в отработку новых, глубокозалегающих и труднодоступных залежей. При этом при увели- чении глубины ведения горных работ возрастает температура окружающего породного массива и снижается количество вскрывающих горных выработок, что приводит к невоз- можности подачи больших объемов воздуха и усилению влияния техногенных источников тепловыделения на формирование неблагоприятных микроклиматических условий в гор- 257 ----------------------- Page 258----------------------- ных выработках. В результате температура воздуха в горных выработках повышается до сверхнормативных величин - согласно действующим Федеральным нормам и правилам «Правила безопасности при ведении горных работ …», температура воздуха не должна превышать +26 °С [1]. Решение задачи нормализации микроклиматических условий в сети горных выработок глубоких рудников требует разработки комплексных технических сис- тем, отличающихся оптимальными капитальными и эксплуатационными затратами с уче- том индивидуальных особенностей шахты или рудника. Первоочередной задачей разработки ресурсосберегающих систем является обос- нование адекватной системы нормирования микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников, исключающей избыточные запасы параметров. В рабо- те [2] на основе обширного обзора параметров нормирования микроклимата в нашей стране и за рубежом и анализа функциональных зависимостей обоснован комплексный критерий нормирования микроклиматических условий, учитывающий температуру, от- носительную влажность и скорость движения воздушной среды ( ) = + ⋅ ⋅ - T- t ⋅ - 0,006539,06 ϕ0,7 t 4 v ef d d На следующем этапе решается задача выбора, комплексирования и определения параметров применения отдельных способов регулирования теплового режима решает- ся на основе метода вариантов, с использованием численного моделирования сопря- женных процессов тепло- и воздухораспределения в сети горных выработок с учетом термодинамических факторов, влияющих на микроклиматические условия рудничной атмосферы [3]. Технологическими компонентами комплексных систем нормализации микроклиматических условий являются горнотехнические способы и ресурсосбере- гающие технологические схемы кондиционирования, эффективность которых зависит от глубины, а в конечном итоге от температуры горных пород, и типа горных вырабо- ток [4,5]. Определение областей эффективности различных мероприятий в координат- ных осях «температура массива горных пород - удаленность рабочих зон по тракту движения воздуха» так, как это представлено на рисунке 1, осуществляется на основе многовариантного численного моделирования на тепловой модели рудника с учетом его индивидуальных особенностей [6]. Рис. 1. Диаграмма к определению эффективных мероприятий регулирования теплового режима 258 ----------------------- Page 259----------------------- Рис. 2. Классификация систем кондиционирования воздуха Для этого производится моделирование вариантов использования теплотехниче- ских вариантов, расчет эффективности и эксплуатационных затрат при их применении. Дополнительно при оценке теплотехнических мероприятий регулирования теплового режима с точки зрения эксплуатационных затрат производится суммарный расчет энер- гетических затрат на работу и обслуживание технических средств систем кондициони- рования воздуха по следующему выражению N K ⋅W + N +(N →R F P ) min ∑ Ni i i i i =1 где N - общее число холодильных машин в разрабатываемой системе кондициониро- вания; W R - холодильная мощность i-ой холодильной машины, кВт; K - безраз- i Ni мерный коэффициент холодильной мощности, равный отношению электрической мощности холодильной машины к холодильной, зависит от типа оборудования и усло- вий его работы и варьируется в интервале от 0,4 до 1; N F - суммарная мощность вен- i тиляторов, обеспечивающих проток воздуха через систему теплообменных аппаратов i- ой холодильной машины, кВт; N P - суммарная мощность насосов, обеспечивающих i проток масла, тепло- и хладоносителей в i-ой холодильной машине, кВт. Разработанные методические, технологические и программные средства приме- нены при разработке ресурсосберегающей системы нормализации микроклиматических условий в шахте «Глубокая» ЗФ ПАО «ГМК «Норильский никель». На строящейся шахте «Глубокая» глубина ведения горных работ достигает 1700-2100 метров, темпера- тура пород достигает +53,4 °С. Климат района субарктический, характеризуется отри- цательной среднегодовой температурой воздуха (-9,8 °С), продолжительным холодным периодом (248 дней) с сильными морозами и метелями, средняя месячная температура воздуха наиболее холодного месяца -28,2 °С. 259 ----------------------- Page 260----------------------- Согласно разработанной методике разработки ресурсосберегающих систем нор- мализации микроклиматических условий, выполнено исследование и разработка горно- технических и теплотехнических мероприятий по охлаждению рудничного воздуха в горных выработках шахты для обеспечения теплового режима во всех рабочих зонах на все периоды развития горных работ. Для этого на основании результатов численного моделирования проведен сравнительный анализ эффективности различных техниче- ских мероприятий регулирования теплового режима шахты «Глубокая» установлено, что достичь требуемой температуры воздуха во всех рабочих зонах шахты можно толь- ко за счет местного охлаждения воздуха. В результате с помощью расчетов параметров местного охлаждения воздуха в рабочих зонах установлено, что на период максималь- ного развития горных работ требуемая мощность системы кондиционирования соста- вит 5783 кВт. Рис. 3. Распределение температуры воздуха в шахте «Глубокая» при применении местного охлаждения воздуха Для условий шахты «Глубокая» рассмотрены все возможные варианты: подзем- ное и наземное размещение центральной холодильной машины, применение местных холодильных машин, схемы с утилизацией избыточной теплоты либо в систему главно- го водоотлива, либо в атмосферу на поверхности. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 1. Каждый из вариантов рассчитан на одинаковую холодиль- ную мощность 5783 кВт и согласно результатам расчета одинаковая холодильная мощ- ность обеспечивается комплексами, существенно различающимися по суммарной уста- новленной электрической мощности и годовому энергопотреблению. 260 ----------------------- Page 261----------------------- Таблица 1 Сравнительный анализ энергоэффективности различных систем кондиционирования воздуха для обеспечения холодопроизводительности 5783 кВт Поверхностная атмо- Рудничная атмо- Шахтных водоот- сфера сфера лив Центральная хо- 559,1 кВт лодильная маши- - - 4,9 МВт⋅ч на на поверхности Центральная хо- 3349,4 кВт Не достаточно 5400 кВт лодильная маши- мощности утили- 29,3 МВт⋅ч 47,3 МВт⋅ч на под землей зации тепла Не достаточно Местная холо- 6480 кВт - мощности утили- дильная машина 56,7 МВт⋅ч зации тепла Из приведенных в таблице № 1 результатов расчета следует, что наиболее целе- сообразным и выгодным вариантом является поверхностное размещение холодильной машины с градирней на промплощадке вентиляционного ствола. Это объясняется тем, что требуемую большую холодильную мощность большую часть года можно будет обеспечивать за счет холодного климата региона, без дополнительных затрат электро- энергии. Таким образом, построение систем нормализации микроклиматических пара- метров, основанное на численном моделировании процессов тепло- и воздухораспреде- ления, позволяет разрабатывать комплексные системы кондиционирования воздуха, отличающиеся эффективностью использования и оптимальным сочетанием капиталь- ных и эксплуатационных затрат.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ РАЗМОРАЖИВАНИИ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ СТРОЯЩИХСЯ СТВОЛОВ
Строительство стволов в неустойчивых водонасыщенных грунтах обычно про- изводится под защитой искусственно созданного ледопородного ограждения (ЛПО). Искусственное замораживание грунта достигается посредством циркуляции хладоно- сителя в кольцевом контуре замораживающих скважин (колонок), окружающих про- странство будущего ствола. Хладоноситель, забирая тепло из массива, понижает тем- пературу породы, продуцируя превращение имеющейся в ней воды в лед, цементи- рующий частицы минерального скелета. При определенной отрицательной температуре ледопородное ограждение считается прочным и водонепроницаемым. Основной контроль за состоянием этой временной защитной оболочки осущест- вляется посредством измерений температуры в контрольно-термических скважинах. По данным измерений в результате численного моделирования восстанавливается поле температур в области формирования ледопородного ограждения [1, 2]. После проходки ствола в интервале ЛПО на этапе возведения тюбинговой ко- лонны в целях экономии затрат замораживающие станции обычно отключают. Грамот- ный инженерный расчет и непрерывный контроль состояния ледопородного огражде- ния минимизируют риск возникновения аварийной ситуации при раннем отключении холодильного оборудования. Существует одна проблема, требующая разрешения. При проходке ствола раз- мещение контрольно-термических скважин возможно только снаружи контура замора- живающих колонок. Однако исследование столь деликатного процесса, как таяние по- роды, требует получения информации о температурах внутренней части, поскольку именно со стороны ствола оказывают влияние различные технологические процессы, способствующие неравномерному оттаиванию ЛПО. Производство тампонажных работ по завершении строительства тюбинговой колонны также требует информации о раз- мораживании породы на определенное расстояние за передовым бетоном. Инъекция тампонажного раствора на границу талой породы с передовым бето- ном осуществляется через шпуры, пробуренные сквозь технологические отверстия в тюбингах. Традиционно строители используют периодические замеры термометром, погружая его в шпуры, как источник информации о температурном состоянии внутрен- ней части ледопородного ограждения. Очевидно, что использовать данный способ в качестве средства непрерывного контроля ЛПО не представляется возможным. В качестве одной из научных предпосылок, послужившей толчком для монтажа внутристволовой ветви датчиков и столь пристального изучения ледопородного ограж- дения необходимо привести следующий факт. При предварительном моделировании процессов размораживания после выключения замораживающего комплекса ледопо- родное ограждение испытывало быстрое повышение температур вплоть до температу- ры начала фазового перехода льда в воду с последующим крайне медленным снижени- ем толщины ЛПО и температуры. Ситуация требовала устранения дефицита данных для корректного изучения проблемы. Решение данной проблемы представлялось в виде модернизации системы тер- мометрического контроля. В настоящее время для контроля состояния ЛПО во время проходки стволов применяются распределенные DTS-системы, в которых в качестве 272 ----------------------- Page 273----------------------- датчика, измеряющего температуры в контрольно-термических скважинах, применяет- ся оптическое волокно [3]. Модернизация системы заключалась в размещении разрабо- танных институтом оптоволоконных датчиков в шпурах, пробуренных в бетонной кре- пи, а в последующем - через технологические отверстия в тюбингах. Схема модерни- зированной системы термометрического контроля показана на рисунке 1. Рис. 1. Схема модернизированной системы термометрического контроля Замораживание различных слоев массива происходит с разными скоростями вследствие разных теплофизических свойств горных пород. Глубины размещения дат- чиков определялись по результатам анализа геологии, физических свойств слоев и тер- мограмм, отражающих динамику замораживания. 273 ----------------------- Page 274----------------------- Модернизация системы термометрического контроля позволила изучить ледопо- родное ограждение изнутри и снаружи контура замораживающих скважин в процессе его оттаивания. Данные с внутристволовой ветви датчиков объединялись с показаниями внешних контрольно-термических скважин и сведениями о температуре и расходе хладо- носителя, циркулирующего в замораживающих колонках. Циркуляция хладоносителя в замораживающих колонках в режиме пассивного размораживания ЛПО (без подогрева хладоносителя) часто сохраняется для того, чтобы оттаивание породы на контакте с ко- лонками происходило более равномерно, по наименее стрессовому сценарию. Объединенные данные позволили составить адекватную математическую модель термодинамических процессов [1, 2], протекающих внутри ЛПО и изучить поведение теп- лового поля на стадии размораживания породы. Так, например, сохранение циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках приводит к разрезанию ледопородного огра- ждения на два кольца: внутреннее и внешнее, и если таяние внешнего кольца целиком за- висит от теплопритоков извне, то внутреннего - во многом определяется влиянием тех- нологических факторов, действующих как источники тепла внутри ствола. Данные фактических измерений подтвердили результаты предварительного чис- ленного моделирования. После отключения замораживающих станций температуры внутри ледопородного ограждения действительно испытывают быстрое повышение до температуры плавления льда, а затем изменяются крайне медленно (рис.2). Фазовый переход основной массы льда в воду осуществляется в малом интервале температур (порядка 0,3-0,5 ⁰С). В это время происходит постепенное увеличение количества талой воды и уменьшение льдистости в породе. Ледопородного ограждения медленно уменьшается в размерах с внешней и внутренней стороны. Рис. 2. Графики модельных температур через ледопородное ограждение по радиальному профилю от центра ствола на различные моменты времени после отключения замораживающей станции 274 ----------------------- Page 275----------------------- При известных теплофизических характеристиках чугунных тюбингов и бетоной крепи стало возможным выполнить оценку влияния теплообмена внутренней части ле- допородного ограждения с теплым воздухом, нагнетаемым в ствол для обогрева в зим- нее время. При длительном (несколько недель) постоянном обогреве крепи теплым воздухом отмечалось небольшое повышение скорости размораживания ледопородного ограждения со стороны ствола. Остается еще много нерешенных вопросов, связанных с поведением тепловых полей при искусственном замораживании и размораживании грунтов в их естественном залегании. Но уже на многие из них в скором времени будут найдены ответы благодаря разработанной институтом и внедренной на производстве системе интеллектуального мониторинга ледопородных ограждений и последующему системному анализу полу- ченных данных.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЫЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ НА РУДНИКАХ ОАО «БЕЛАРУСЬКАЛИЙ», ОПЫТ СНИЖЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ РАБОЧИХ МЕСТ
Технологический процесс добычи калийной руды сопровождается выделением целого ряда «вредностей» (шум, вибрации, повышенная температура и т.д.). Однако наиболее серьезное негативное влияние на организм человека оказывает соляная пыль, образующаяся в процессе добычи и транспортировки руды. Сложность борьбы с пылью на калийных рудниках традиционно заключается в невозможности в полной мере использовать такие эффективные и распространенные методы борьбы с пылью как орошение и вентиляционные методы. В случае с орошени- ем сдерживающим фактором является растворимость калийных солей и создание аг- рессивной среды, в которой оборудование быстро выходит из строя. Вентиляционные методы не дают полного эффекта из-за больших концентрация соляной пыли, обра- зующейся при технологических процессах. Тем не менее при любых вопросах, касаю- щихся борьбы с пылью в первую очередь необходимо рассматривать свойства самой пыли. Основные физико-химические свойства калийной пыли широко изучены и пред- ставлены в работах [1,2]. 249 ----------------------- Page 250----------------------- На предприятии ОАО «Беларуськалий» проведено масштабное исследование пылевой обстановки, в местах наиболее интенсивного пылевыделения. В частности, оценивалось содержание пыли в атмосфере рабочих зон: при добыче руды в селектив- ной лаве, в тупиковой камере (при работке комбайна с барабанным исполнительным органом), в месте разгрузки скипов в приемный бункер. Пылевая обстановка, при работе селективной лавы осложняется тем, что процесс добычи руды сопровождается процессом механической закладки глинисто-галитового слоя в выработанное пространство при этом выделяется значительное количество пы- ли. Особенностью технологического процесса является то, что установки механической закладки в процессе своей работы забрасывают закладочный материал на значительное расстояние (10-15 м) при этом поток глинисто-солевой породы увлекает за собой боль- шое количество воздуха - возникает эжекционный эффект [4]. Таким образом, рабо- тающие установки механической закладки являются своеобразными источниками тяги и создают воздушные рециркуляционные контуры запыленного воздуха в пределах ра- бочего пространства лавы, что еще больше усугубляет пылевую обстановку. Рис. 4. Схема расположения точек замеров в лаве В результате концентрация пыли при выемке глинисто-галитового слоя достига- ет 2250 мг/м3. Подробные результаты замеров концентрации пыли представлены в таб- лице 1. Точки замеров на рисунке 4. Таблица 1 Результаты замеров концентрации пыли Выемка глинисто-галитового слоя Точки проведения ПДК, Среднее значение запы- Максимальное значение 3 замеров 3 3 мг/м ленности, мг/м запыленности, мг/м № 1 28,7 38,9 5 № 2 163,3 173,5 5 № 3 1816,5 2075,8 5 № 4 338,4 388,9 5 № 5 2106,6 2258,9 5 № 6 373,7 399,0 5 250 ----------------------- Page 251----------------------- Анализ сложившейся ситуации показал, что для снижения концентрации пыли в селективной лаве, при выемке глинисто-галитового слоя возможно ис- пользовать элементы систем гидрообеспыливания на установках механической закладки. При использовании данной схемы увлажняется закладочный материал, который после увлажнения остается в выработанном пространстве и не контактирует с оборудо- ванием. Система оснащена блоком управления, который при включении закладоч- ной установки включает подачу воды. В результате факел мелкодиспергирован- ной воды направляется вдоль движения выбрасываемой метателем породы. Это позволяет сократить количество воздуха, эжектируемого метателем и одновре- менно увлажнить поверхность выбрасываемой породы. При этом происходит уве- личение относительной влажности воздуха и отсутствует опасность налипания глины на закладочную установку и конвейер. Эффективный расход воды соста- вил 7 л/мин. Испытание данной системы показало, что гидрообеспыливание позволяет суще- ственно снизить значения концентрации пыли в атмосфере рабочей зоны лавы. Однако достичь ПДК пыли не удалось. Сравнение полученных результатов показывает, что средняя концентрация пы- левого аэрозоля в лаве при выключенной системе обеспыливания составляет 804,5 3 3 мг/м , при включенной системе 428,1 мг/м . Таким образом, зафиксировано общее сни- жение концентрации пылевого аэрозоля в лаве на 46,8 %. Еще одним объектом интенсивного пылевыделения является комплекс раз- грузки скипов. Скиповой подъем представляет собой совокупность загрузочных устройств и механизмов, расположенных на горизонте рудника и служащих для загрузки скипов, а также разгрузочных устройств скипов и подъемных машин, расположенных в башенных копрах. На дневной поверхности объекты скипового подъема входят в подсистему поверхностного комплекса, а именно в подсистему башенных копров. Между отметками +30 м и +42,6 м расположены приемные бункеры. При разгрузке скипа происходит срыв пыли с разгружаемой руды потоками воз- духа и поступление из бункера пылевого облака, образующегося в результате избыточ- ного давления в бункере, создаваемого разгружающейся рудой [3]. В результате кон- центрация пыли на отметке разгрузки скипов может превышать предельно допустимую концентрацию в десятки раз. Основной опасность данного факта является возможность попадания пыли в электрооборудование, размещенное в башенном копре. В таблице 3 приведены значения концентрации пылевого аэрозоля на отметках 0 м и +42 м, скипо- вых стволов рудника 4 РУ. Следует отметить, что в настоящее время на руднике 4 РУ проведен целый комплекс мероприятий, позволивший нормализовать ситуацию. Во-первых, с це- лью снижения внешних утечек воздуха вентиляторы главного проветривания ство- ла № 3 размещены под землей на горизонте -440 м. Помимо снижения внешних утечек воздуха удалось создать избыточное давление в башенном копре, что в свою очередь обеспечило частичное «запирание» пылевого облака в бункере при разгрузке скипа. Подтверждением этого служат результаты замеров, приведенные на рисунке 10. 251 ----------------------- Page 252----------------------- Таблица 3 Значения концентрации пылевого аэрозоля на отметках 0 м и +42 м, скиповых стволов рудника 4 РУ Результаты измере- ния запыленности, 3 мг/м Наименование Температура, Влажность, ПДК, Примечание 0 3 Среднее места отбора С % мг/м Среднее значение значение между стволами Отметка + 42 м, Ствол № 4, 11,7 55 5 126,9 Скип раз- отм. + 42 м, 107,7 гружался Ствол № 3, 12,1 50 5 88,5 отм. + 42 м, Отметка 0 м Ствол № 4, 15,2 54 5 175,2 Скип раз- отм. 0 м 127,8 гружался Ствол № 3, 9,9 60 5 80,4 отм. 0 м Рис. 10. Сравнение концентрации взвешенного аэрозоля на различных отметках башен- ного копра при проветривании рудника поверхностным ВГП и подземными ВГП Во-вторых, на отметке + 42 м размещены пылеуловители фирмы CFT GmbH Compact Filter Technic, (Gladbeck, Германия), позволившие снизить концентрацию пы- ли практически до допустимых значений. На рисунке 11 представлено сравнение концентрации пылевого аэрозоля на раз- личных отметках башенного копра при работающих и отключенных пылеуловителях. 252 ----------------------- Page 253----------------------- Рис. 11. Сравнение концентрации взвешенного аэрозоля на различных отметках башенного копра при работающих и отключенных пылеуловителях (режим с отключенным поверхностным ВГП) Как видно из диаграммы, работа пылеуловителей позволяет снизить концентра- цию пыли в воздухе на 25÷45 %. Общая концентрация пыли возрастает с увеличением высотной отметки, что связано с направлением движения воздуха, при этом количест- венно концентрация пыли значительно меньше, чем при других производственных процессах. Обобщая вышеизложенное можно сделать вывод, что пылевая обстановка на ка- лийных рудниках остается сложной. На сегодняшний день не существует универсаль- ных способов добиться снижения концентрации соляной пыли до значения ПДК в 5 3 мг/м . Однако, это не является поводом игнорировать данный вопрос, сегодня исполь- зуя индивидуальный подход возможно добиться существенного снижения концентра- ции пыли до значений, позволяющих эффективно использовать средства индивидуаль- ной защиты.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Современные условия добычи полезных ископаемых характеризуются усложне- нием горно-геологических и горнотехнических условий, что является фактором сниже- ния уровня рентабельности горнодобывающих предприятий, а также приводит к увели- чению сложности процесса обеспечения промышленной безопасности. Анализ аварийных случаев и случаев производственного травматизма показыва- ет превалирующую роль человеческого фактора среди причин возникновения данных ситуаций. Однако более детальное рассмотрение причин позволяет сделать вывод, что ошибки, совершаемые персоналом, происходят в условиях дефицита информации. Наиболее эффективным средством борьбы с травматизмом и аварийными ситуа- циями в описываемых условиях является автоматизация производственных процессов, одним из важнейших среди которых в горном деле является вентиляция. Наличие средств автоматизации позволяет с одной стороны, возложить часть функции управле- ния процессами на систему управления, а с другой стороны - увеличить объем посту- пающей информации об объектах и процессах в реальном времени. Важным процессом в развитии направления автоматизации является постепен- ный пересмотр требований промышленной безопасности: снижение величины техниче- ского запаса, являвшегося основным инструментом систем безопасности прошлого, в пользу внедрения средств автоматического мониторинга и управления технологиче- скими процессами. Отделом аэрологии и теплофизики Горного института УрО РАН разработаны теоретические основы системы интеллектуального мониторинга параметров рудничной атмосферы [1, 2, 3, 4]. Разработанные принципы вошли в основу системы аэрогазоди- намической безопасности, испытания которой произведены на руднике 4 РУ ОАО «Бе- ларуськалий». На рисунке 1 представлена принципиальная схема размещения измерительного оборудования системы аэрогазодинамической безопасности в рамках столба лавы руд- ника. Для испытаний системы выбран участок рудничного поля, на котором проявляют себя следующие вредные факторы рудничной атмосферы: - повышенные температуры воздуха вследствие значительной глубины залегания промышленных пластов и концентрации горного оборудования, являющегося мощным источником тепловыделения; - горючие газы, образующиеся в результате разрушения массива при ведении гор- ных работ, а также в результате оседания пород кровли в выработанном про- странстве лавы. Датчики скорости и температуры воздуха, расположенные в районе выработок главного направления, позволяют контролировать количество и температуру посту- пающего воздуха на участок, а также расход исходящей струи. Указанные датчики объ- единены в автоматизированную замерную станцию (АЗС) №1. Непосредственно в рабочей зоне лавы располагается АЗС №2, включающая дат- чики скорости воздуха, температуры и концентрации горючих газов. 254 ----------------------- Page 255----------------------- Рис. 1. Принципиальная схема системы аэрогазодинамической безопасности в условиях рудника 4 РУ ОАО «Беларуськалий» Расчетным ядром системы аэрогазодинамической безопасности является анали- тический комплекс «АэроСеть» [5]. Данные, получаемые с АЗС, в реальном времени вносятся в качестве исходных величин в математическую модель вентиляционной сети участка. Это позволяет в реальном времени рассчитывать качественные, количествен- ные и микроклиматические показатели рудничной атмосферы в пределах участка. В частности, такой функционал позволяет отследить возникающие утечки воздуха, спрогнозировать выход показателей за пределы допустимых правилами безопасности пределов. Аналитический комплекс «АэроСеть» используется не только как расчет- ный модуль системы, но и в качестве автоматизированного рабочего места дис- петчера [6]. Показания датчиков в реальном времени отображаются на аксонометриче- ской схеме (или погоризонтном плане по выбору пользователя) одновременно с рассчитанными параметрами атмосферы. Доступно отображение полей расхода, температуры воздуха или концентрации горючих газов. Предусмотрен функционал сигнализации диспетчеру о выходе контролируемых параметров из допустимого диапазона значений. Дополнительные возможности симбиоза системы мониторинга и матема- тической реализуются в возможности анализа и расчетов вентиляционных ре- жимов в нештатных ситуациях проветривания, что может быть использовано, к примеру, при разработке оперативных планов ликвидации аварийных ситуаций [7, 8, 9]. Показания датчиков расхода воздуха используются для расчета распределения воздуха по всем выработкам панели, не оборудованным средствами измерения (рису- нок 2). 255 ----------------------- Page 256----------------------- Рис. 2. Результат автоматического распределения расходов воздуха по данным датчиков скорости АЗС №1 и №2 Показания датчиков температуры/концентрации в совокупности с данными о скоро- сти воздуха (полученной как с датчиков, так и в результате распределения расходов воздуха) могут быть использованы для интерполяции значения температур/концентрации по всем остальным выработкам, по которым оперативных данных нет (рисунок 3). Рис. 3. Результат автоматического распределения температур воздуха по данным датчиков температуры АЗС №1 и №2 на основании распределенных ранее расходов воздуха
РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА РЕШЕНИЯ ДВУМЕРНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ СТЕФАНА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЛЕДОПОРОДНОГО ОГРАЖДЕНИЯ
Сложные инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительства подземных сооружений требуют применения специальных способов производства ра- бот, в частности, искусственного замораживания грунтов [1]. Применительно к строи- тельству шахтных стволов, искусственное замораживание грунтов и горных пород ис- пользуется для создания ледопородного ограждения (льдопородной завесы) вокруг за- проектированной горной выработки (см. рис. 1). Для этого по контуру запроектирован- ной к проходке выработки бурятся скважины, в которые опускаются замораживающие колонки. За счет работы холодильных станций по колонкам осуществляется циркуля- ция хладоносителя (рассола) с поддерживаемой температурой до -50 °С [1, 2]. В ре- зультате циркуляции охлаждающего рассола в замораживающей колонке окружающий ее породный массив постепенно охлаждается, а содержащаяся в массиве вода кристал- лизуется. По истечении некоторого времени вокруг замораживающих колонок образу- ются одиночные ледопородные цилиндры, которые в дальнейшем смыкаются, образуя сплошное ледопородное ограждение, предотвращающее попадание грунтовых вод в строящуюся горную выработку [3]. Согласно сводам правил [3, 4], для наблюдения за процессом искусственного за- мораживания грунтов и горных пород необходимо использовать контрольные скважи- ны - гидрогеологические и термометрические. Гидрологические скважины использу- ются для контроля уровня грунтовых вод, а термометрические - для измерения темпе- ратуры грунта по всей глубине скважины. Экспериментальная термометрия в кон- трольных скважинах имеет недостаток, связанный с локальностью измерения темпера- тур в отдельных скважинах. Наряду с экспериментальными измерениями параметров грунтов в скважинах, применяются теоретические методы прогнозирования теплового режима породного массива [5-7]. Теплофизические параметры для математических моделей породного массива определяются исходя из инженерно-геологических изысканий, проводимых на промплощадке рудника перед строительством стволов. Как показывает практика, теп- лофизические параметры слоев горных пород, получаемых в результате инженерно- геологических изысканий, зачастую имеют высокую погрешность, а математические модели, описывающие тепло- и массообменные процессы в горных породах, построен- ные с использованием этих параметров, оказываются неэффективны при решении практических задач [8]. 262 ----------------------- Page 263----------------------- Контрольная скважина Талый грунт Замораживающие колонки Мерзлый грунт Рис. 1. Ледопородное ограждение в горизонтальном разрезе массива горных пород Решение указанных недостатков экспериментальной термометрии и теоретиче- ских методов прогнозирования теплового режима породного массива достигается с ис- пользованием современных средств экспериментальных измерений, передачи и обра- ботки данных, которые позволяют расширить классический термометрический кон- троль в скважинах до системы непрерывного интеллектуального мониторинга теплово- го режима породного массива в целом [9 - 11]. Основополагающими принципами сис- темы непрерывного интеллектуального мониторинга являются: 1. Непрерывное измерение температуры по всей глубине контрольно- термических скважин с помощью оптического волокна. 2. Передача и хранение измеренных температур породного массива, а также 3. параметров системы заморозки в базе данных на сервере. Калибровка теплофизических параметров слоев горных пород в математиче- ской модели тепло- и массопереноса на основе измеренных температур в кон- трольных скважинах. 4. Прогнозирование динамики роста ледопородного ограждения со временем на основании численного моделирования тепло-и массопереноса в слоях горных пород. Калибровка теплофизических параметров слоев горных пород проводится путем минимизации критерия рассогласования I температур на контрольных скважинах, из- меренных экспериментально и рассчитанных теоретически путем решения прямой за- дачи Стефана [7, 12, 13]. (1) . Здесь - модельная температура на i-й скважине, °С; - эксперименталь- ная температура на i-й скважине, °С; - количество контрольных скважин, - время заморозки, сут. Минимизация функционала (1) в фазовом пространстве теплофизических свойств породного массива осуществляется с использованием модификации метода градиент- ного спуска. На каждой итерации алгоритм N+1 раз решается прямая задача Стефана 263 ----------------------- Page 264----------------------- для определения частных производных функционала F по N различным параметрам минимизации. Пусть - вектор калибруемых параметров задачи; - текущее значение функционала рассогласования, представляющее собой также ошибку расчета обратной задачи; - максимально допустимая ошибка решения обратной задачи. Тогда предложенный алгоритм включает в себя следующие шаги: 1. Определение начальных приближений . 2. Расчет прямой задачи Стефана, определение текущей ошибки по формуле (2), сравнение с максимально допустимой ошибкой . Если , то тре- буемая точность достигнута и следует завершить расчет, иначе - переход к шагу 3. 3. Выбор малых отклонений калибруемых параметров на k-й итерации ал- горитма. Расчет прямой задачи Стефана для каждой компоненты вектора . Вычисление частных производных функционала : . (19) 4. Расчет новых значений калибруемых параметров на (k+1)-й итерации задачи по формуле (20) . Здесь - параметр, характеризующий фактор предыстории, - параметр, определяющий скорость градиентного «спуска». 5. Проверка на невыход параметров калибровки из области допустимых зна- чений. (21) . 6. Если превысили максимальное количество итераций, то необходимо завер- шить расчет, иначе - возврат к шагу 2. На рис. 2 представлены значения влагосодержания различных слоев горных по- род, откалиброванные с использованием предложенного алгоритма на основе измерен- ных температур в контрольных скважинах для условий промплощадки строящегося рудника Нежинского ГОК ИООО «Славкалий». 264 ----------------------- Page 265----------------------- Рис. 2. Значения влагосодержания различных слоев горных пород, полученные в результате калибровки теплофизических свойств На рис. 2 представлены начальные значения влагосодержания, полученные из инженерно-геологических изысканий, а также откалиброванные значения для 30, 60 и 90 суток с момента начала заморозки. Получено, что присутствует зависи- мость калибруемых теплофизических свойств пород от времени. Предложены воз- можные объяснения данного эффекта: неоднородность и анизотропия реального породного массива, наличие вертикального градиента температур, наличие по- грешности данных инклинометрии скважин, пренебрежение фильтрационной ми- грацией грунтовых вод в математической модели. Для ряда слоев характерен по- степенный «откат» к начальным значениям влагосодержания, полученным из ин- женерно-геологических изысканий.
КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ СОСТОЯНИЕМ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ
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.
РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ВЭЗ МЕТОДОМ МИНИМИЗАЦИИ ЭМПИРИЧЕСКОГО РИСКА ДЛЯ ГРУППЫ ЗОНДИРОВАНИЙ
Метод ВЭЗ является одним из наиболее распространенных из методов сопротив- лений. Это обусловлено его простой при реализации полевых измерений, высокой опе- ративностью и относительно небольшой экономической стоимостью работ. Перечис- ленные факты позволяют при сравнительно небольших трудозатратах получить ценную информацию о распределении электрических свойств в зависимости от глубины, а так же вдоль исследуемого профиля. Однако сегодня большая часть геофизических наблюдений выполняется в преде- лах действующих промышленных объектов, городских агломераций в сложных геоло- гических условиях, что накладывает отпечаток на качество получаемого материала. Интенсивные помехи становятся неотъемлемой частью получаемых полевых данных, поэтому остро встает вопрос о разработке методов и алгоритмов способных выделять полезную информацию из «зашумленного» сигнала. Как было показано ранее [1, 2] на модельных примерах метод МЭР позволяет по- лучать относительно достоверные результаты, при интерпретации данных осложнен- ных помехой. При этом отсутствует необходимость знания закона распределения поме- хи в интерпретируемых значениях поля, достаточно выполнения предположения о бли- зости к нулю медианного значения помехи. На основе данного подхода успешно были реализованы алгоритмы решения ОЗ с подбором параметров вектора сопротивлений при фиксированных значениях мощности слоев, а так же подбора полного вектора па- раметров разреза [3]. В реальных условиях приходится иметь дело не с единичной кривой зондирова- ния, а с серией кривых вдоль профиля. Таким образом, в рамках данного подхода пред- принята попытка реализовать алгоритм, когда подбирается одновременно несколько кривых ВЭЗ. В качестве априорной информации выступают обобщенные параметры разреза, что в реальных условиях может соответствовать наличию данных бурения по скважине расположенной, где то вблизи профиля. Рис. 1. Модельный разрез кажущегося сопротивления и геоэлектрический разрез 230 ----------------------- Page 231----------------------- В качестве примера использована трехслойная модель типа Н, в которой прово- дящий слой постепенно погружается. Для данной модели рассчитана одномерная пря- мая задача ВЭЗ в пяти точках (рис.1). Рассчитанные кривые осложнены случайно сге- нерированной помехой. Для уменьшения количества возможных комбинаций в заданном коридоре значе- ний параметров использован общий критерий отбора, отсекающий варианты заведомо «далекие» от искомого решения. В качестве такого критерия выступает относительное среднеквадратичное отклонение (СКО) кривой рассчитанной для параметров случайно- го вектора значений от среднегеометрической кривой по профилю (для данной задачи принято, что СКО ≤ 100%). Если условие выполняется, то рассчитанная теоретическая кривая сравнивается уже с каждой кривой ВЭЗ вдоль профиля. В противном случае по- пытка не засчитывается и генерируется новый вектор случайных параметров разреза. При сравнении теоретической кривой, рассчитанной для параметров случайного вектора, с конкретной кривой ВЭЗ, так же в качестве критерия отбора используется СКО (для данной задачи СКО ≤ 50%). При выполнении условия, значения параметров случайного вектора относятся к одному из подмножеств множества D допустимых ре- шений для данной кривой зондирования, в противоположном случае, данное решение отбрасывается и впоследствии не учитывается. В конечном итоге рассчитывается функция плотности вероятностей на структури- рованном множестве допустимых вариантов решения обратной задачи для каждой кри- вой ВЭЗ и выбирается наилучшее решения по минимуму математического ожидания его погрешности[1, 2]. Рис. 2. Разрез кажущегося сопротивления, осложненный помехой и геоэлектрический разрез, полученный в результате решения обратной задачи Обобщенные результаты расчета 100 вариантов решения обратной задачи, сведе- ны в таблицу 1, а так же представлены в виде геоэлектрического разреза на рисунке 2. 231 ----------------------- Page 232----------------------- В таблице 1, так же отражены численные среднеквадратичные отклонения полученных параметров разреза от модельных по формуле (1): (1) где q - параметры разреза (сопротивление, мощность). Максимальное отклонение со- ставило 15,11 % на пикете 1, а минимальное - 3,7% (пк 4), при условии, что исходные параметры разреза были наиболее близкими к значениям сопротивления и мощности на пикете 4. Таблица 1 1 2 3 4 5 е е е е е ь и ь и ь и ь и ь и л л л л л е н е н е н е н е н д е д е д е д е д е о ш о ш о ш о ш о ш м е м е м е м е м е р р р р р ρ 103 100 103 98 103 100 103 103 103 105 1 ρ 15 16 12 11 10 11 12 12 15 16 2 ρ 165 130 130 130 100 130 130 130 165 130 3 h 11 13 15.2 18 19.3 21 23.1 25 27.1 27 1 h 109 125 116 125 121 130 124 125 125 120 2 δ ,% 14.48 9.93 15.11 3.7 9.69 отн Таким образом, показано метод минимизации эмпирического риска позволяет по- лучать относительно достоверные результаты даже при наличии помех в исходном по- ле. Кроме того, реализуемый подход позволяет проводить одновременный подбор се- рии кривых ВЭЗ вдоль профиля, что позволяет снизить затраты времени на количест- венную интерпретацию.
МЕТОД ЭМПИРИЧЕСКОЙ МОДОВОЙ ДЕКОМПОЗИЦИИ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ИНФОРМАТИВНЫХ КОМПОНЕНТ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭЛЕКТРОПРОФИЛИРОВАНИЯ
Графики геофизических полей отражают взаимодействие большого количества разнообразных процессов или факторов. Поэтому возникает закономерное желание разделить график на различные по спектру составляющие и анализировать каждую из компонент по отдельности. Задача разделения наблюденного поля на составляющие не является оригиналь- ной, т.к. исследования связанные с этим проводятся на протяжении ни одного десяти- летия. Оригинальными являются идеи или их реализация. Ими можно воспользоваться для решения практических задач, что в свою очередь, требует проведения некоторых вычислительных экспериментов. В статье представлены результаты вычислительных экспериментов по разложению данных электрометрических наблюдений на эмпириче- ские моды с помощью программы ЕМD, реализованной А.С.Долгалем [3]. Эмпирическая модовая декомпозиция (EMD) является важнейшей составляющей преобразования Гильберта-Хуанга (Huang-Hilbert Transform - HHT) [1]. Преобразова- ние ННТ производится в два этапа. Сначала при помощи алгоритма EMD находятся эмпирические моды или внутренние колебания (Intrinsic Mode Functions, IMF). На вто- ром этапе при помощи преобразования Гильберта на их основе определяется мгновен- ный спектр исходной последовательности данных. Преобразование Гильберта-Хуанга позволяет находить мгновенный спектр нелинейных нестационарных последовательно- стей данных. Соответственно и эмпирическая модовая декомпозиция предназначена для работы с нелинейными нестационарными последовательностями данных, к кото- рым относятся геофизические данные. В отличие от вейвлет-преобразования в процессе эмпирической модовой деком- позиции производится разложение на некоторое число функций (IMF), которые не за- даны аналитически и определяются исключительно самой анализируемой последова- тельностью данных. При этом базисные функции преобразования формируются адап- тивно, непосредственно из входных данных. Вейвлет-преобразование, так же как и преобразование Фурье, производит разложение в фиксированном базисе функций. Этот базис должен быть предварительно задан, то есть должна быть выбрана конкретная вейвлет-функция, используемая в процессе преобразования. В основе предложенного Хуангом алгоритма EMD лежит построение гладких огибающих по максимумам и минимумам последовательности, вычисление средних значений и дальнейшее вычитание среднего этих огибающих из исходной последова- тельности. В результате перечисленных шагов в первом приближении находится искомая эмпирическая функция. Для полноценного выделения IMF необходимо вновь найти максимумы и минимумы у этой оценки IMF, и повторить изложенные ранее действия. Этот повторяющийся процесс называется просеиванием (sifting). Процесс просеивания продолжается до тех пор, пока не будет достигнута заданная погрешность или осуще- ствлено требуемое число итераций. В процессе декомпозиции получается семейство IMF функций, упорядоченных по частоте. Каждая последующая IMF имеет более низкую частоту, чем предыдущая. Ис- 233 ----------------------- Page 234----------------------- пользование термина "частота" по отношению к IMF не совсем корректно, хотя, навер- ное, наилучшим образом подходит для определения ее характера. На рисунке 1 приведены результаты работы программы EMD на примере графика значений кажущегося сопротивления (КС). КС были получены в результате съемки ме- тодом срединного градиента с шагом 10 метров, выполненной в пределах шахтного по- ля ВКМКС. В результате вычисления по исходному графику были выделены 6 IMF и остаток r. На рисунке все графики представлены в едином масштабе, что позволяет оценить вклад каждой из найденных IMF в исходный график. Но при таком построении недостаточно отчетливо видны особенности каждой из IMF. Чтобы отразить эти осо- бенности можно использовать при построении индивидуальный масштаб для каждой IMF. Рис. 1. Разложение графика значений кажущегося сопротивления на функции IMF и остаток r На примере этого же графика наблюденных значений КС на рисунке 2 показан про- цесс получения первого приближения IMF_1: огибающая по максимумам (пунктирная ли- ния зеленого цвета); огибающая по минимумам (пунктирная линия бардового цвета); сред- няя (сплошная линия красного цвета); первое приближение для IMF_1, как результат вычи- тания средней из наблюденного графика (сплошная линия голубого цвета). Кроме разложения на составляющие, алгоритм EMD может быть использован для сглаживания графиков наблюденных параметров. Для этого можно просуммировать полученные в процессе декомпозиции пять IMF (начиная со 2-ой) и остаток r. Из ис- 234 ----------------------- Page 235----------------------- ходной последовательности значений КС в этом случае будет исключена самая высо- кочастотная из найденных составляющих IMF 1, ассоциирующаяся с помехой. Если при суммировании исключить две первые компоненты: IMF 1 и IMF 2, то результи- рующая кривая будет еще более гладкой. Рис. 2. Построение первого приближения IMF 1_1 графика КС Кроме того, после получения отдельных компонент, можно организовать доста- точно гибкий алгоритм снятия фоновой составляющей. За фоновую компоненту можно принять остаток r от декомпозиции или остаток, просуммированный с одной или не- сколькими последними IMF. Количество IMF, участвующих совместно с остатком в формировании фоновой составляющей, может варьироваться в зависимости от имею- щихся у нас представлений о ней. Процедуру снятия фона очень легко совместить со сглаживанием полученного ре- зультата, если из процесса суммирования исключить самую высокочастотную IMF_1. На рисунке 3 в качестве примера получения фоновой составляющей показаны 3 вари- анта, использующие этот прием: сумма IMF_2 - IMF_6 (линия зеленого цвета); сумма IMF_4 - IMF_6 и остатка r (линия красного цвета); сумма IMF_5, IMF_6 и остатка r (линия голубого цвета). Рис. 3. Варианты формирования фоновой компоненты графика КС Определенные сложности при применении EMD на практике связаны с появлением в ряде случаев коррелирующих между собой IMF. Это так называемый эффект микширования мод. Для подавления этого эффекта предлагается вычислить значения парных коэффициен- тов корреляции между всеми IMF и проанализировать их. Затем просуммировать состав- ляющие, имеющие тесную корреляционную связь (табл.). Из таблицы видно, что IMF_4, 235 ----------------------- Page 236----------------------- IMF_5 и IMF_6 тесно связаны между собой, поэтому наиболее достоверный результат фор- мирования фоновой составляющей получен при их суммировании. Таблица Парные коэффициенты корреляции IMF функций разложения графика КС IMF_1 IMF_2 IMF_3 IMF_4 IMF_5 IMF_6 IMF_1 1 IMF_2 -0.079 1 IMF_3 -0.075 0.5201 1 IMF_4 0.0025 0.183 0.4405 1 IMF_5 0.0354 0.0846 0.1086 0.8923 1 IMF_6 0.0042 0.1123 0.0799 0.8528 0.9765 1 Для более отчетливого выделения скрытых закономерностей изменения амплиту- ды поля КС ранее [5] предварительно выполнялось быстрое вейвлет-преобразование (БВП) дискретных значений кажущегося сопротивления с помощью программы HAAR_2 [2]. Программа реализует сжатие сигнала, представленного в виде значений амплитуд, с использованием разложения в базисе Хаара. Выполнение БВП для сгла- живания графиков наблюденных значений потенциала ЕП не давало желаемого резуль- тата. Программа EMD позволила выполнить разложение графика ЕП на 5 IMF и оста- ток, из которых можно сформировать фоновые составляющие или просто очистить от помех график наблюденных значений потенциала ЕП (рис. 4). U , Мв ЕП Рис. 4. Разложение графика значений потенциала естественного поля на функции IMF и остаток r 236 ----------------------- Page 237----------------------- В связи с полученными результатами, в дальнейшем видится целесообразным от- казаться от быстрого вейвлет-преобразования с базисной функцией Хаара и перейти к эмпирической модовой декомпозиции. Большинство алгоритмов производят разложение последовательности дан- ных на составляющие, не являющиеся в действительности исходными процессами, из которых реально была сформирована исследуемая последовательность данных. Это как бы синтетические компоненты, выделение которых просто помогает лучше понять структуру входной последовательности и во многих случаях позволяет уп- ростить ее анализ. Метод EMD не является исключением. Ни в коем случае не сле- дует считать, что полученные при помощи этого метода компоненты отражают ре- альные физические процессы, из которых были первоначально сформированы ис- ходные анализируемые данные. Любые преобразования требуют проверки на соот- ветствие содержательному смыслу.
ОЦЕНКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОЦЕДУР ГРУППИРОВАНИЯ В МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКЕ
Малоглубинные сейсморазведочные работы хорошо зарекомендовали себя при мониторинге потенциально опасных участков в пределах подработной территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) [1,2]. Приоритетными задачами при мониторинге являются качество сейсморазведоч- ных результатов и оперативность получения информации, которые в свою очередь за- висят от нескольких аспектов. Одним из главных являются правильный выбор источ- ников упругих колебаний и подбор сейсмоприемников. Выбор источника упругих колебаний при малоглубинной сейсморазведке напрямую зависит от технологических, экономических, экологических, а также ряда других факторов [2]. При мониторинге потенциально опасных территорий ВКМКС применяется два типа источника - механизированный молот типа AWD- 40 и импульсный пороховой источник 12 калибра. Данные источники идентично обеспечивают генерацию волнового поля частотного диапазона с интенсивно- стью, достаточной для регистрации отражённых волн в интервале исследуемых глубин [3]. Проведение малоглубинных сейсморазведочных работ в пределах градо- промышленых агломераций, исключает применение импульсного порохового ис- точника. Однако, применение механизированного молота в условиях плохой про- ходимости, связанной с тяжелыми рельефными условиями, исключается, в связи недостаточной мобильностью установки [4]. Следовательно, выбор источника уп- ругих колебаний непосредственно зависит от ландшафтных условий исследуемой территории. Не менее важным аспектом, является выбор сейсмоприемников. На вооруже- нии полевого отряда имеются одиночные сейсмоприемники GS-ONE (USA) и Sunfull PS-10R (China), а также группы из 5 сейсмодатчиков с интервалом 4 метра GS-20DX (USA). Для создания оптимальной системы наблюдений, существует не- обходимость в сравнительном анализе информационных возможностей одиночных и групп приемников. Учитывая технические характеристики одиночных датчиков американского [5] и китайского производства [6], произведен сравнительный анализ сейсмограмм, полученных с использованием вышеперечисленных, можно сделать вывод, что дан- ные сейсмоприемники практически идентичны и отвечают заявленным требованиям (Рис. 1). Произведен сравнительный анализ по полученным сейсмограммам одиночных и групп датчиков. Для сейсмограмм, полученных одиночными датчиками, применено цифровое группирование на базе 5 трасс через 4 метра (Рис. 2). 227 ----------------------- Page 228----------------------- China (PS-10R) USA (GS-One) 0 0 50 50 100 100 150 150 200 200 250 250 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 offset, m offset, m Амплитудный спектр У. Е. 0 0 240000 230000 220000 210000 200000 50 50 190000 180000 170000 160000 100 100 150000 140000 130000 120000 110000 150 150 100000 90000 80000 70000 60000 200 200 50000 40000 30000 20000 10000 250 250 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 offset, m offset, m Сигнал/помеха У. Е. 11,5 11 10,5 10 50 50 9,5 9 8,5 8 100 100 7,5 7 6,5 6 5,5 150 150 5 4,5 4 3,5 200 200 3 2,5 2 1,5 1 250 250 0,5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 offset, m offset, m Рис. 1. Сравнительный анализ сейсмограмм одиночных датчиков Рис. 2. Сравнительный анализ сейсмограмм одиночных датчиков, цифровой группы, группы датчиков 228 ----------------------- Page 229----------------------- Цифровое группирование привело к увеличению энергетических показателей сейсмической записи и сглаживанию помех. При рассмотрении временных разрезов (Рис. 3), полученных по сейсмограммам с использованием рассматриваемых способов регистрации и в рамках одинакового графа обработки, можно сделать вывод, что цифровая группа менее информативна в верхней части разреза (ВЧР), по сравнению с одиночными датчиками. Рис. 3. Временные разрезы ВЧР (0-100 мс) лучше детерминируется одиночными датчиками, в то время как с помощью группы приемников, которая является более низкочастотной, хорошо про- слеживаются более глубокозалегающие отражающие горизонты. Исходя из этого, можно рекомендовать применение группы приемников при систематическом мониторинге потенциально опасных участков ВКМКС, а одиночные датчики использовать на территориях повышенной опасности с целью повышения опе- ративности полевых работ.
ПРИМЕРЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ ДАННЫХ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ПРЕДЕЛАХ ВКМКС
Одним из сложных геологических объектов Верхнекамского месторождения явля- ется Поповское поднятие на руднике СКРУ-2. В пределах поднятие (рис. 1) отсутствует верхняя часть карналлитовой зоны местами до пласта Е с замещением на вторичные сильвиниты. Могут отсутствовать переходная пачка и покровная каменная соль (скв.637, скв.267). В центре и на северо-западе установлены зоны замещения сильвинитовой пач- ки каменной солью. На западе прогнозируется область развития Соликамского надвига, а в центре вся площадь с севера на юг «разбита» линейными тектоническими наруше- ниями по кровле и подошве калийной залежи типа: сдвиг, надвиг, сброс [2]. Мощность ВЗТ определяется наличием переходной пачки (ВЗТ1), покровной ка- менной соли (ВЗТ) и верхняя часть Карналлитовой зоны (ВЗТ) в геологическом разре- 2 3 зе. Отсюда и выделяют полный (ВЗТ +ВЗТ +ВЗТ), неполный (ВЗТ +0+0) и переход- 1 2 3 1 ный между ними (ВЗТ +ВЗТ +0) типы разрезов. Неполный тип разреза ВЗТ относится к 1 2 аномальным особенностям и расположены всегда на сводах крупных поднятий (Попов- ского, Рудничного, Харюшинского и т.д.). Они имеют карстогенно-тектоническое про- исхождение и субвертикальную ориентировку в разрезе. Рис. 1. Обзорная схема района работ 224 ----------------------- Page 225----------------------- В связи со сложными геологическими условиями и, исходя из решаемой геологи- ческой задачи, рассмотрим профили, которые располагались в крест исследуемым гео- логическим неоднородностям. С севера на юг секущие профили: №1213, 6217, 1909, 37(2)12, 1406 (рис. 2), 7216, 24(2)10. На окончательных временных разрезах выделен ряд отражающих горизонтов (ОГ), которые приурочены к кровле: верхних пластов каменной соли в надсоляной толще (ВС), карналлитового пласта Е, сильвинитовой пачки (Сил.) и подстилающей каменной соли (ПдКС). Рис. 2. Результаты цифровой обработки по профилю 1406с2 225 ----------------------- Page 226----------------------- По особенностям структуры волновой картины (рис. 2а) в исследуемом интервале разреза можно отметить: нарушения в прослеживании отражающих границ, связанными с резкой изменчивостью их гипсометрии. Кроме того, в интервале временного разреза от ОГ ВС до ОГ Е выпадает целый ряд осей синфазности и отмечается сближение данных отражений, почти до их слияния. Отмеченные особенности волновой картины по-разному выражены и в динамическом временном разрезе (рис. 2б). При уменьшении мощности пластов (до полного выклинивания слоя) суммирование происходит как в фазе, так и в противофазе. Это приводит, в свою оче- редь, к резкой смене высоких амплитуд на низкие. Как мы можем наблюдать, на амплитудных разрезах максимальные значения сконцентрированы как раз в зонах выклинивания. Области затухания сейсмической записи могут быть отнесены к тектоническим нарушениям - интен- сивная складчатость (область влияния предполагаемого Соликамского надвига). Зона измененной структуры ОГ ВС, связанная с уменьшением мощности соляных пластов и выклиниванием, подтверждается и на спектрограмме, представляющей рас- пределение амплитудных спектров, рассчитанных в исследуемом интервале временного разреза (от 50 до 150 мс). В пределах предполагаемой области уменьшения мощности соляных пластов наблюдается повышение частотного состава от 45-60 гц до 80-90 гц (рис. 2г). Иногда повышение носит ступенчатый характер. Подобные резкие изменения спектрального состава обычно отмечаются для зон выклинивания [3]. Можно предполо- жить, что первая ступень вызвана выпадением из разреза пластов покровной каменной соли. А в пределах второй изменения касаются уже верхов карналлитовой зоны. На скоростной характеристике ко всем рассмотренным профильным линиям приуро- чены пониженные значения эффективных скоростей (рис. 2в). Наибольшее снижение значе- ний скоростной характеристики отмечается в зоне слияния ОГ Е и ВС. Снижение значений эффективных скоростей характерно в основном зонам выклинивания на западном фланге Поповского поднятия. В значениях интервальных скоростей западный фланг Поповского поднятия характеризуются более выраженными отрицательными тенденциями [1]. По совокупности рассмотренных параметров волнового поля и степени их аномаль- ности можно предположить геологическую природу выделенных участков: 1) зона галити- зации, 2) интенсивная складчатость (область влияния предполагаемого Соликамского над- вига), 3) выпадение структурных элементов в перекрывающих продуктивную толщу отло- жениях. Спектральный анализ в большей степени помогает определить границы выклини- вание пластов. Резкие изменения эффективных скоростей могут быть связаны как с вы- клиниванием, так и со складчатыми зонами (влияние Соликамского надвига). Сильный контраст амплитуд наблюдается на сводах поднятий, где выклиниваются пласты в ВЗТ, а затухание амплитуд - в зонах замещения и тектонических нарушениях.
ПРОГНОЗ ТИПА НАСЫЩЕНИЯ НАРУШЕННЫХ ЗОН ВОДОЗАЩИТНОЙ ТОЛЩИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ AVO-АНАЛИЗА
Изучение динамических «образов» типовых горно-геологических неоднородно- стей в волновом поле отраженных волн показало, что их обнаружение наиболее вероятно по изменению амплитуд волн, отраженных от границ вмещающих интервалов [1]. Осно- ванием для этого служат особенности строения физико-литологических моделей типо- вых неоднородностей, характеризующихся высокой контрастностью отражающих гори- зонтов и тонкой слоистостью. Анализ параметров Шуе и их комбинации в виде разрезов AVO-произведения, представляющих комбинацию АхВ, совместно с разрезами А+В по- зволяет выделять нарушенные зоны в водозащитной толще. Дополнительно поставлена задача определения типа насыщения порового пространства нарушенных зон - либо это газонасыщенные области, либо флюидонасыщенные. Поскольку влияние поровых флюидов на скорость больше для относительно неконсолидированных пород, то эффект аномального изменения амплитуд лучше проявляется при относительно молодых отложениях и поэтому методика яркого пятна особенно хорошо применима, например, к третичным терригенным бассейнам, которые располагаются, главным образом, в прибрежной полосе и по периферии континентов [1]. Каждый из трех типов амплитудных аномалий обычно проявляется в определенных диапазонах глубин - яркие пятна на относительно небольших глубинах, аномалии в виде обращения фазы на больших глубинах и труднее определяемые тусклые пятна на еще больших глубинах. В качестве исследуемого материала взяты данные детального анализа особенно- стей геологического строения массива и степени их возможного влияния на безопас- ность ведения горных работ в пределах СКРУ-2. Здесь для достижения поставленной цели в пределах выделенного участка шахтного поля проведен комплекс геологических и геофизических исследований (рис. 1). Рис. 1. Схема распределения коэффициентов А и В в интервале отражающих горизонтов ВС 221 ----------------------- Page 222----------------------- Согласно ранее выполненным исследованиям в пределах шахтного поля СКРУ-2 на временных разрезах отмечается ряд наиболее динамически выраженных осей син- фазности, которые соответствуют целевым сейсмическим отражающим горизонтам (ОГ), приуроченным к литофизическим границам. Выделенные отражающие горизонты по глубинным отметкам привязаны: к интервалу нижней части соляно-мергельной толщи, где возможно наличие первых выдержанных пластов каменной соли (ВС*)- соляное «зеркало», к местоположению кровли пласта Е (Ек) и сильвинитовой зоны (Сил), а также к маркирующей глине (МГ) [2]. Рис. 2. Результаты интерпретации по профилю line 7: а) временной разрез ОГТ, б) скоростная характеристика, в) динамический врменной разрез, г) разрез коэффициента А, д) разрез коэффициента В, е) разрез произведения АхВ По результатам 2Д профилирования с учетом ранее полученных данных и до- полнительной информации по рассмотренным линиям пунктов возбуждения из про- странственной системы выполнены структурные построения и оценка пространствен- ных закономерностей в распределении интервальных скоростей упругих волн (рис.2). По всем отражающим границам в районе «купола» выделяется положительная струк- турная форма, которая имеет преимущественно широтное простирание и наиболее ее высокая часть по ОГ ВС* и ОГ Ек. При анализе осложнений волновой картины для наземных сейсморазведочных наблюдений выделено две основные группы интерпретационных геологических моде- лей: 1)«ослабленные» зоны, обусловленные возможно повышенной трещиноватостью и заполнением менее прочными, «рыхлыми» отложениями, 2) высокоскоростные «уп- лотненные» участки, обусловленные вероятно литологическим фактором. Наибольший интерес для определения наиболее вероятных направлений развития негативных гидро- геологических процессов представляет первая группа. 222 ----------------------- Page 223----------------------- Далее, в рамках работы, построены разрезы А и В. Расчет значений и построение разрезов зависимостей происходит в автоматическом режиме в программе SPS-PC. На основе сейсмограмм ОГТ и данных скоростного анализа можно получать до 5 различ- ных атрибутов. При этом предлагается два способа расчета - на основе двучленной ап- проксимации Шуэ и по уравнению Аки-Ричардса [4], позволяющей рассчитывать ко- эффициенты с максимальным углом падения (отражения) до 90°. Мы использовали уравнение Шуэ, так как применяемая система наблюдений подразумевает наибольший угол падения волны на отражающую границу - 25°. Анализ пространственной изменчивости амплитудного параметра, отражающего скоростную дифференциацию по разрезу относительно ОГ ВС* [3] показывает наличие аномальных знакопеременных значений по периферии структуры. Причем на востоке преобладают положительные (уменьшение скоростных свойств с глубиной), а на севере отрицательные (увеличение скоростных свойств с глубиной). На основании подобных пространственных закономерностей в распределении полного комплекса параметров волнового поля в рамках интерпретационной модели, формируемой по 2Д наблюдени- ям с учетом результатов шахтных сейсмоакустических наблюдений и данных электро- разведочных исследований, наиболее ослабленным в интервале СМТ*-ВС*-Ек пред- ставляется участок на севере структуры в определенной полосе. Следует отметить, что на исследуемом участке выполнены сейсморазведочные работы формата 3Д. Что касается анализа зависимостей В(А), построенных по данным 3Д сейсморазведки, оказывается, что такие зависимости могут быть трудно интерпре- тируемыми из-за большого количества наносимых на графики точек. Необоснованное удаление точек или уменьшение их количества путем фильтрации может повысить чет- кость графиков, но привести к потере геологической информации. Чтобы не удалять эти точки, предложено [5] использовать принципы 3D визуализации, когда зависимости строятся для каждой из вертикальных плоскостей (обычно, продольной или попереч- ной) изучаемого объема. Следовательно, третьим, вводимым в зависимости В(А) изме- рением, является номер линии. «Пошаговое проникновение» в такой сейсмический объем, когда высвечиваются плоскости, соответствующие номерам последовательных линий, четче показывает, как фоновый тренд и выделяемые относительно его группы аномалий изменяются в пространстве.
О ПОВЫШЕНИИ ТОЧНОСТИ СКОРОСТНОГО АНАЛИЗА ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Одним из основных этапов обработки сейсмических материалов, является ско- ростной анализ [1]. Цель этого этапа состоит в получении системы параметров, связан- ных со скоростями распространения упругих волн, которые позволяют описать наблю- даемые на сейсмограммах их годографы. Обычно применяется прямой перебор возможных вариантов значений скоро- стей для всех времен регистрации сигнала и поиска наилучшего, по заранее выбранно- му критерию, среди них. Очевидно, что даже в случае разумных пределов такого пере- бора эта процедура для вычислительной машины становится ресурсоемкой: требует большого объема памяти и значительного количества времени. Существенно ускорить процесс можно при использовании начального приближения - так называемого апри- орного скоростного закона - характерной для исследуемой территории зависимости скорости упругих волн от глубины. В этом случае наиболее вероятные, физически при- емлемые, значения искомых скоростей находятся в заранее известном интервале. Оче- видно, однако, что подобные средние значения никак не могут отразить возможных и вполне вероятных вариаций, которые и представляют основной интерес для поисковых работ - необходимо их обнаружить и интерпретировать. С развитием вычислительной техники проблемы ресурсов постепенно отходят на второй план, однако, при переходе от двумерных моделей к трехмерным, вновь про- являются. В этой связи актуальным представляется поиск компромисса между широтой охвата, точностью вычислений и скоростью обработки сейсмических данных при ско- ростном анализе. Решением мог бы стать итеративный процесс подбора скоростей волн, наиболее адекватно описывающих зарегистрированные сигналы, когда найденное распределение скоростей используется как априорное для повторной (последующей), более точной, вычислительной обработки. В этом случае возможно постепенно сгущать сеть тестовых значений скоростей, задавая каждый раз небольшое их количество на не- котором интервале. Необходимое для этого условие - гладкость получаемой функции когерентности - соблюдается практически для всех материалов (рис.1). Рис. 1. Сейсмограмма и ее функция когерентности (синим цветом обозначены минимальные значения, красным - максимальные) 218 ----------------------- Page 219----------------------- Обработка полевых данных малоглубинной сейсморазведки при исследованиях водозащитной толщи проводится по устоявшейся методике, при этом каждый шаг вы- полняется отдельным вычислительным модулем собственной разработки. Накоплен- ный опыт и сложившаяся технология работы с материалами предполагает стандартиза- цию не только операций над данными, но и самих данных, в том числе промежуточных, на каждом этапе обработки. Для обобщения и унификации используемых алгоритмов часть вычислительных модулей подверглась модернизации (рис. 2). Наряду с расшире- нием списка поддерживаемых файлов можно отметить добавление пространственных параметров профиля. С одной стороны, это позволило уменьшить количество выполняемых операций, повысив производительность работ, с другой - расширило их возможный перечень пу- тем согласования с некоторыми известными разработками, в частности, с SPS-PC [2] (автор Н.А. Голярчук). Поскольку скоростной анализ проводится для каждой сейсмограммы отдельно, он позволяет получать информацию о латеральной изменчивости скорости упругих волн вдоль исследуемого профиля. Адекватность этой информации напрямую опреде- ляет качество последующих операций, в частности, вводимых в волновую картину ки- нематических поправок. Рис. 2. Форма задания скоростных законов до (слева) и после (справа) модернизации модуля В качестве примера рассмотрим сравнение точности определения глубин отра- жающих горизонтов на сейсмических профилях Половодовского участка Верхнекам- ского месторождения калийно-магниевых солей. В качестве точных данных о положе- нии границ примем результаты бурения. Сравним построения с учетом единого для всего профиля закона изменения скорости с глубиной и построения в случае изменяю- щихся вдоль профиля скоростных законов. Как видно из рис. 3, практически во всех случаях уточнение скоростного закона не приводит к уменьшению погрешности струк- турных построений. Однако, следует учесть, что в данном случае использовался один общий вариант прослеживания отражений, то есть одинаковое суммарное время, изме- нялись лишь применяемые для пересчета скоростные законы. В действительности же при изменении скоростного закона картина временного разреза слегка изменяется: воз- можны сдвиги осей синфазности волновых форм отражений на величину до половины видимого периода. Вероятно, это связано с качеством конкретного исходного сигнала. 219 ----------------------- Page 220----------------------- Рис. 3. Сравнение относительных погрешностей (%) определения положения отражающей границы при различных скоростных законах Получаемая для сейсмограммы скоростная характеристика по способу вычисле- ния должна обеспечивать максимальную когерентность сейсмограммы после введения кинематических поправок, что обеспечивает получение наиболее адекватной суммот- рассы. От этого напрямую зависит временное положение и форма волновых пакетов на трассе, поэтому результат прослеживания отражений на суммарном временном разрезе зависит от данных скоростного анализа. А так как в данном случае использовались од- ни и те же результаты прослеживания, проведенное сравнение может быть не вполне корректным. Учитывая сказанное, для более правильного сравнения представляется необхо- димым использовать полученный «подробный» скоростной закон при обработке вол- новых материалов с самого начала графа обработки, образуя таким образом итератив- ный процесс.
ИЗУЧЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МАССИВЕ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД СЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
В настоящее время в сейсморазведочных кругах, как в научных, так и в производст- венных, возвращается дискуссия, затеянная еще в [1, 3], о том, что сейсморазведка развива- ется в двух формах: классической и технологической. Первая идейно стара как сейсмология, вторая появилась в связи с появлением мощной оснащенности электронно-измерительной и вычислительной аппаратуры, в связи с желанием упрощения интерпретационных моделей, позволяющего и упрощение обработки массовых сейсмических данных. Всякая интерпре- тация геофизических данных модельна [2]. Это следует из того, что любая интерпретация производится по экспериментальным данным в рамках принятых модельных представлений о среде (геологической), физическом поле, физическом процессе или явлении. Таким обра- зом, ее результаты полностью определяются этими представлениями. По В. Н. Страхову «моделью (среды, поля, явления, процесса) называем совокупность представлений и допу- щений …, которые возникли как результат предыдущих исследований …, либо как резуль- тат теоретического обобщения, либо по аналогии…. указанные факторы определяют суще- ство модели…совместно» [6]. Задачи классической сейсморазведки всегда сводились к вы- яснению и оценке тех или иных параметров характеристик модели среды, согласующихся с принятыми в исследованиях априорными представлениями об их сущности [3]. По мнению Петрашеня Г. И. и Рудакова А. Г., на основании таких представлений формировалось неко- торое множество моделей сред, из которых в конкурентной борьбе отбиралась оптимальная модель среды, наилучшим образом согласующаяся с зарегистрированными эксперимен- тальными данными в конкретных случае и условиях. В [1] Денисов М. С. определяет, что технология же отличается от классики тем, что всегда довольствуется исключительно ре- зультатом, игнорируя способ, которым этот результат получен. Для научного же системного подхода при решении данных задач, важен не только результат, но и сам метод его получе- ния. Лишь на его основе осуществляется проверка степени абстракции, корректности ис- пользуемых алгоритмов и математических аппаратов моделям среды, физического поля, фи- зических процессов [1]. Системное моделирование позволяет выявить закономерности раз- вития конкретных систем, осуществить синтез частичных представлений, отражающих от- дельные стороны сложного объекта, и на этой основе получить целостное представление об объекте и выполнить научный прогноз [5]. В основе системного подхода лежат представле- ния о целостности, сложности и организованности объекта. Сложность объекта определяет- ся комплексом составляющих его взаимодействующих и взаимозависимых элементов с внутренними процессами и преобразованиями. Под геологической системой принято пони- мать пространственную совокупность взаимосвязанных геологических тел и процессов. Главной целью изучения геологической системы является установление формы связи взаи- модействующих элементов, их зависимости в процессе развития. Занимаясь исследованиями отклика трещиноватой среды в сейсмическом волновом поле, нам стало очевидно, что происходящие волновые процессы в однородном массиве и массиве трещиноватом будут отличаться, и прежде всего по типам образующихся в массиве волн, обусловленных структурой трещин и зон их развития [8]. Наши исследования прово- дим, применяя специализированную интерпретационную методику прямого распознавания трещиноватых сред [4, 7]. Эта методика базируется на напрямую выявленных и установ- ленных поисковых признаках трещиноватых геообъектов в амплитудных и спектральных параметрах отраженных продольных волн. Для всех идентификационных поисковых при- 213 ----------------------- Page 214----------------------- знаков оценивались устойчивость, статистическая значимость, выявлялись закономерности изменчивости в зависимости от изменчивости параметров трещин. Алгоритм конструиро- вания из идентификационных поисковых признаков позволяет рассчитать эффективный па- раметр, который характеризует вероятность наличия трещиноватого объекта того или иного класса. Результаты применения данной методики позволяют получать информацию для ана- лиза закономерностей изменчивости сейсмического волнового поля, и, соответственно, гео- логической системы массива трещиноватых пород, и осуществить синтез результатов этого анализа, и на этой основе получить новые модельные представления о системе трещинова- того породного массива и волновых процессов в нем. Рис. 1 . Пространственное 3D распределение эффективного параметра, оценивающего вероятность наличия зон мелких разноориентированных трещин, на Усть-Яйвинском участке. Показаны толща от кровли СМТ до подошвы подстилающей соли «С» без и с промежуточными отражающими горизонтами Рис. 2. Временной разрез и разрез эффективного параметра, характеризующего вероятность наличия зон мелких разноориентированных трещин Рассмотрим результаты эксперимента, выполненного в условиях естественного за- легания. По методике распознавания трещиноватых сред обработаны временные разре- зы, полученные на территории Усть-Яйвинского участка Верхнекамского месторожде- 214 ----------------------- Page 215----------------------- ния калийных солей по сети профилей методом малоглубинной сейсморазведки ОГТ в Отделе активной сейсмоакустики. В результате интепретации удалось построить трех- мерную модель распределения зон мелких разноориентированных трещин (рис. 1). На рисунке два изображения: показан объем пород от кровли соляно-мергельной толщи (от- ражающий горизонт «СМТ») до подошвы подстилающей каменной соли (отражающий горизонт «С») и тот же объем пород, но с представленными промежуточными основны- ми отражающими горизонтами. В основном такие трещиноватые зоны малых размеров развиты вне водозащитной толщи. Для анализа выделим наиболее развитую зону, распо- ложенную ниже отражающего горизонта маркирующей глины «МГ», т.е. ниже по разре- зу водозащитной толщи и карналлит-сильвинитовой зоны, - в толще подстилающей ка- менной соли. На рис.2 представлен традиционный временной разрез, полученный по профилю пересекающий данную зону. Желтым цветом окрашены зоны нарушения регу- лярной волновой картины. Природа этих нарушений неоднозначна, они могут быть обу- словлены структурным фактором, литологическим и др. Здесь же сопоставлен и разрез эффективного параметра, характеризующего вероятность наличия зон мелких разноори- ентированных трещин, полученный по методике распознавания трещиноватых сред. Зо- ны трещиноватости с высокой степенью вероятности обозначены красным цветом. Все зоны имеют малые размеры, изолированно разбросаны по разрезу до уровня МГ. Они не представляются как водопроницаемые каналы, опасные для водорастворимых руд. Ниже МГ (ниже времени 250 мс) в толще подстилающей каменной соли скопление зон в центре профиля выглядит как единая трещиноватая зона (рис. 3). В состав эффективного параметра, оценивающего вероятность наличия трещи- новатого геообъекта, входит комплекс амплитудных и спектральных параметров. Ис- следования показали, что в зонах развития мелких трещин происходят аномальные увеличения значений частотной координаты центроида по сравнению со значениями в однородном массиве [8]. Смещение центроида в область более высоких частот может происходить при различных смещениях левой и правой граничных частот. Например, значение частоты центроида увеличивается в случае, когда и левая и правая граничные частоты смещаются по оси частот в сторону увеличения на одинаковое расстояние, ширина спектра при этом не меняется. На рис. 3 представлены разрезы некоторых от- дельных составляющих эффективного параметра: частотной координаты центроида FC, левой граничной частоты F , правой граничной частоты F . На всех разрезах в области L R зоны трещиноватости наблюдаются аномальные повышенные значения параметров. Повышение частотной координаты центроида зависит от характера изменений зна- чений граничных частот, следовательно, между этими величинами существует причинно- следственная связь. Так как факторы-причины имеют разное направление и характер влия- ния, и одна причина может усиливать или ослаблять, а кроме того, причины имеют разную силу или степень воздействия, то если рассматривать только парную корреляцию между признаками-факторами, то причинно-следственный комплекс будет сильно упрощен. Чем шире охватывается причинно-следственный комплекс, тем глубже вскрываются связи. Это дает возможность всесторонне изучать причинные отношения между явлениями, устанавли- вая существенные в данных условиях причины и второстепенные. Исходя из данных рас- суждений, будем исследовать множественную регрессию: зависимость F от двух объяс- C няющих переменных F и F , а также ширину спектра W. Будем рассматривать не сами зна- L R чения параметров, а используем параметр, характеризующий статистическую значимость аномалий этих параметров. В качестве такого параметра используем среднеквадратическое отклонение значений параметров σ. Будем строить регрессию между количествами σ в от- клонении значений этих параметров от своего фона. На рис. 4 представлено поле корреля- ции данной регрессии по выборке, взятой на участке зоны трещиноватости. Ширина спектра W выступает как диаметр шарика, которым представлен каждый отдельный элемент выбор- 215 ----------------------- Page 216----------------------- ки. В поле выделяются «оси», каждой из которых соответствует нулевая координата одного из параметров («кол-во σ( F )» = 0, либо «кол-во σ( F )» = 0, либо «кол-о σ(F )» = 0). «Оси» C L R разбивают поле корреляции на области, каждой из которых присущ свой характер изменчи- вости параметров, а, следовательно, и свой волновой процесс. В области, лежащей выше «оси» «кол-во σ(F )=0», и, правее «оси» «кол-о σ( F )=0», частота центроида увеличивается, C L левая и правая граничные частоты смещаются в сторону увеличения частот на одинаковое расстояние, ширина спектра не меняется. Можно выделить область, где FR смещается на большее расстояние, чем FL, тогда W увеличивается. В области, лежащей выше «оси» «ко- личество σ(F )» = 0 и левее «оси» «количество σ(F )»= 0, значение F увеличивается, значе- C L C ние FR увеличивается на расстояние большее, чем расстояние, на которое уменьшается значение F ,W при этом увеличивается. Выделяются области с разными вариантами изме- L нения частотных параметров, что представлено на рис. 4. Вследствие этого, в каждой облас- ти правомерно предположить свой волновой процесс. Например, обогащение спектра высо- кими частотами может происходить за счет образования сложной интерференционной от- раженной волны, состоящей из отдельных наложенных волн, отразившихся кратно от кров- ли и подошвы внутри трещины, и обладающей более высокой частотой, чем падающая волна. Смещение F в область низких частот может быть обусловлено образованием дифра- L гированных волн. Период дифрагированной волны больше падающей, преобладающая час- тота ее ниже. Могут образовываться и другие типы волн, частотный состав которых отли- чен от состава падающей волны [8]. Образование разных типов волн обусловлено внутрен- ней структурой зоны трещиноватости. Динамические особенности дифрагированных волн зависят от формы и размеров элементов зон трещиноватости, которые могут явиться ди- фракторами, различия упругих свойств. Таким образом, можно судить, в ряде случаев, о внутренней структуре трещиноватой зоны, о параметрах трещин. Рис. 4. Поле корреляции и распределение спектральных кривых по различным областям поля. Синяя кривая - спектр сейсмозаписи в однородном массиве. Красная кривая - спектр сейсмозаписи в зоне мелких разноориентированных трещин 216 ----------------------- Page 217----------------------- Выводы Изучение волновых процессов совершенствует модельные представления о них. Исследование причинно-следственных связей позволяют глубже понимать волновые процессы в трещиноватом массиве, дает возможность изучать причин- ные отношения между явлениями, устанавливать существенные в данных услови- ях причины и второстепенные. Выдвигать гипотезы о внутреннем строении тре- щиноватой среды, и, таким образом, расширять множество моделей геологических сред. Благодарности Автор приносит благодарность профессору кафедры разведочной геофизики и компьютерных систем РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина Шнеерсону М. Б. и директору по науке ООО «ГЕОЛАБ», д.ф.-м.н. Денисову М. С. за частные беседы и дискуссии, определившие направления исследований.
НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В СИСТЕМАХ ПОДГОТОВКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА
Нормализация термодинамических параметров рудничной атмосферы явля- ется непременным условием обеспечения безопасных и комфортных условий веде- ния горных работ. Холодный зимний воздух при поступлении в рудник должен по- догреваться с целью недопущения обледенения и температурных деформаций кре- пи воздухоподающих стволов [1]. Подземный воздух, нагретый естественными и техногенными источниками тепла, напротив, должен охлаждаться до нормативных значений температур [2]. Контролю подлежит также содержание влаги в воздухе, т.к. обильная конденсация приводит к образованию луж на почве выработок и порче горного оборудования [3]. В соответствии с требованиями правил безопас- ности [4] подогрев поступающего в рудник воздуха производится при помощи те- плообменных аппаратов по различным технологическим схемам. Основными эле- ментами таких схем являются: средства перемещения воздуха, греющий энергоно- ситель, средства регулирования теплопроизводительности и теплообменные аппа- раты. Атмосферный воздух поступает в ствол либо под действием специальных нагнетательных вентиляторов, либо за счёт депрессии вентилятора главного про- ветривания рудника, соответственно существуют «вентиляторная» и «безвентиля- торная» технологии нагрева воздуха [5]. Рис. 1. Ресурсосберегающая система подготовки атмосферного воздуха в сооружениях поверхностного комплекса 245 ----------------------- Page 246----------------------- На рис. 1 схематично изображена ресурсосберегающая система подготов- ки атмосферного воздуха в сооружениях поверхностного комплекса, основной частью которой является калориферная установка, обеспечивающая нагревание воздуха зимой, а также, при необходимости, его охлаждение и осушение летом. Как правило, калориферная установка имеет модульную структуру. Один теп- лообменный модуль представляет собой группу трубчатых змеевиков, по кото- рым пропускается горячая или холодная жидкость. Геометрические размеры и конструкция модулей могут быть различны: количество ходов, количество ря- дов по воздуху, материал, длина и диаметр трубок, оребрение, подключение по воде, гидравлическое и аэродинамическое сопротивления и т.д. Чем больше площадь поверхности теплообмена, тем интенсивнее он протекает, а площадь тем больше, чем большее количество модулей находится на пути движения воз- духа. Под землёй, ввиду ограниченности пространства выработок, модули раз- мещают последовательно по воздуху, что приводит к неизбежному увеличению аэродинамического сопротивления. На поверхности места больше, поэтому проблема эта решается размещением модулей в один ряд по воздуху, в резуль- тате чего калориферная установка имеет значительную высоту. В процессе экс- плуатации безвентиляторных калориферных установок таких размеров было за- мечено, что калориферы нижнего ряда выходят из строя и замерзают чаще, чем расположенные выше. Как оказалось, скорость движения воздуха по высоте не- равномерна, внизу - больше, вверху - меньше и даже может быть отрицательна (рис. 2), а причиной возникновения этого эффекта является конвекция. С одной стороны ряда теплообменников воздух холодный и тяжёлый, с другой - тёплый и лёгкий. Образуется конвективный вихрь, накладывается на сквозное течение, как результата, возникает вертикальная стратификация горизонтальной скоро- сти движения воздуха. В двухрядной системе калориферов расход воздуха через верхний ряд оказывается меньше в 2 раза, чем через нижний ряд. Рис. 2. Распределение скоростей воздуха между теплообменниками калориферной установки ствола № 2 РУ-4 ПО «Беларуськалий» Таким образом, существует ограничение по высоте калориферной установки, при котором воздух перестаёт проходить через верхние модули, добавление которых 246 ----------------------- Page 247----------------------- оказывается бесполезным. Моделирование эффективности добавления третьего ряда теплообменников по высоте при заданных условиях показало, что в верхней части третьего ряда происходит опрокидывание воздушного потока, что свидетельствует о нецелесообразности дальнейшего увеличения высоты калориферной установки. В подземных горных выработках ввиду их небольшого поперечного размера конвективное расслоение воздушных потоков наблюдается лишь при очень больших перепадах температур, например, при экзогенных рудничных пожарах. В установках кондиционирования воздуха этот эффект не значителен, и может не учитываться при проведении модернизации теплообменных аппаратов с целью нахождения оптималь- ных проектных решений. Однако, ввиду того, что речь идёт теперь об охлаждении воз- духа, возникает другой не менее сложный процесс, связанный с выпадением избыточ- ной влаги. При «мокром» теплообмене в отличие от «сухого» в процессе конденсации пара из воздуха выделяется тепло, которое приводит к дополнительному нагреву охла- ждающей жидкости. По достижении критической температуры в результате выпадения влаги поток тепла от воздуха к жидкости увеличивается приблизительно в 3 раза [6]. Имеет значение размещение модулей относительно друг друга (последовательно или параллельно по воздуху), а также ориентация их по отношению к направлению движения воздуха (рис.3). В зависимости от конкретных условий оптимальные реше- ния могут быть различны, причём, к критериям оптимизации относится не только дос- тижение максимальной интенсивности теплообмена, но и минимальные затраты ресур- сов и энергии при этом, а, значит, минимизация гидравлического и аэродинамического сопротивлений системы. Как следует из расчётов, наилучший теплообмен с заданными расходами воздуха и жидкости обеспечивает конфигурация расположения и подключе- ния теплообменных модулей с максимальными значениями аэродинамического и гид- равлического сопротивлений. А это, в свою очередь, соответствует максимальным за- тратам энергии на продув воздуха и прогон воды. Поэтому подбор оптимальной конфи- гурации и компоновки модулей является не тривиальной задачей. Расчётным путём ус- тановлено, что разные направления подачи воды и воздуха обеспечивают наиболее ин- тенсивный теплообмен как в пределах одного теплообменного модуля, так и для их размещения последовательно по воздуху [7]. Это касается традиционного поперечного расположения теплообменных трубок относительно движения воздушного потока. По- этому одним из возможных способов интенсификации теплообмена является разворот модулей вдоль потока с одновременным подключением теплообменных трубок парал- лельно по воде. Отдельным направлением совершенствования теплообменных аппаратов, доро- гостоящим, но эффективным является замена воды жидкостями с низкой температурой замерзания и высокой температурой кипения. Это позволяет создавать большие темпе- ратурные напоры между жидкостью и воздухом и усиливать теплообмен, не опасаясь замерзания жидкости в системах нагрева воздуха и кипения в системах охлаждения. К высокостабильным синтетическим теплоносителем, широко используемым в техниче- ских системах, относится терминол. Он, практически, не замерзает и не кипит, нахо- дясь в жидком состоянии в широком диапазоне температур, правда, уступает воде в вязкости и теплоёмкости. Увеличивает интенсивность теплообменных процессов использование дополни- тельных источников тяги для преодоления аэродинамического сопротивления одного или нескольких последовательно расположенных теплообменных модулей. Это приво- дит к дополнительному нагреву воздуха в результате его адиабатического сжатия, при- чём, дальнейшего его разогрева в результате трения не происходит, т.к. работа сил тре- ния целиком идёт на изоэнтальпийное расширение воздуха. Процесс при этом протека- ет изотермически. 247 ----------------------- Page 248----------------------- Рис. 3. Последовательная по воздуху компоновка теплообменных модулей По результатам проведённых исследований способов совершенствования тепло- обменных аппаратов можно сделать следующие выводы: • проектирование калориферных установок в системах подготовки рудничного воздуха следует производить с учётом конвективной стратификации скорости движе- ния воздуха по высоте, уменьшающей надёжность и производительность функциони- рования системы; • при охлаждении влажного воздуха в системах кондиционирования 2/3 хо- лода жидкости идёт на конденсацию пара, и только 1/3 - на понижение температуры воздуха; • наилучший теплообмен с заданными расходами воздуха и жидкости обеспечивает конфигурация расположения и подключения теплообменных мо- дулей с максимальными значениями аэродинамического и гидравлического со- противлений; • противоположная подача жидкости по отношению к движению воздуха увеличивает суммарную тепловую мощность системы, причём при параллельном подключении теплообменных спиралей эффект усиливается их разворотом вдоль потока воздуха; • замена воды синтетическим теплоносителем даёт возможность организовать функционирование теплообменных систем в области низких и высоких температур, что исключает риски замерзания и закипания жидкости, а также позволяет уменьшить объ- ём системы за счёт увеличения температурного напора; • использование источника тяги для проталкивания воздуха через теплообмен- ник увеличивает его расход, при этом воздух получает дополнительное количество те- пла, равное потребляемой вентилятором электроэнергии.
ПРИМЕНЕНИЕ РАЗНОУРОВЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ШАХТНЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА УЧАСТКАХ УСКОРЕННЫХ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Основополагающим условием безопасной эксплуатации месторождений калийных солей является сохранность водозащитной толщи (ВЗТ) в качестве надёжного барьера проникновению подземных и наземных вод в горные выработки. Контроль состояния ВЗТ строится на периодических инструментальных измерениях величин оседаний земной поверхности по сети маркшейдерских профильных линий над шахтными полями рудников. Потенциально опасными для целостности ВЗТ являются выявленные участки ускоренных оседаний. Прогнозные оценки развития негативных процессов в пределах данных участков при фактических условиях ведения горных работ базируются на геомеханических расчётах. При этом для адаптации расчётных геомеханических моделей трансформации породного массива к реальной горно-геологической обстановке используются данные малоглубинных сейсморазведочных исследований [1]. Точность задания расчётных схем математического моделирования, учитывающих влияние очистных работ на деформирование пород под нагрузкой, зависит от детальности исходной физико-геологической модели разреза, включая инженерно-геологический интервал. Максимально детальная сейсмогеологическая информация об изменениях в свойствах горных пород на «проблемных» участках шахтных полей возможна при организации комплекса многоуровневых и разночастотных сейсмических исследований, проводимых на земной поверхности и из горных выработок. Для этого применяются соответствующие системы регистрации, построенные на интерференционных системах сбора сейсмоакустических данных и обеспечивающие необходимую разрешающую способность [2]. Разноуровенные модели реальных сред согласуют по эффективным кинематическим параметрам, включающим времена регистрации и скорости распространения упругих волн до целевых отражающих горизонтов (ОГ). На одном из участков шахтного поля Верхнекамского месторождения, в пределах которого отмечено увеличение скоростей оседания земной поверхности (рис.1) реализован комплекс наземных и шахтных сейсмоакустических наблюдений. На первом этапе комплекса проведены малоглубинные наблюдения, направленные на оценку состояния ВЗТ. По их результатам выделены зоны ухудшения упругих параметров, проявляющиеся изменением характера сейсмической записи, нарушением корреляции отражающих горизонтов (рис.2.б) и снижением значений скоростей распространения сейсмических волн (рис.3.а). Недостаточная сходимость измеренных величин оседаний с расчётными геомеханическими значениями после внесения в модель малоглубинных сейсморазведочных данных потребовала проведение детализации верхней части геологического разреза. Для этого проведены инженерные сейсморазведочные работы, результаты которых позволяют оценить «вклад» пород верхней части разреза в степень техногенной нарушенности ВЗТ в целом. Пространственно совмещённые малоглубинные и инженерные сейсморазведочные наблюдения в пределах одной профильной линии с частичным перекрытием охватывают интервал от земной поверхности до подстилающей соли (рис.2.а,б). Выделяемые в инженерно-геологическом интервале «ослабленные» по прочностным и деформационным свойствам зоны согласуются с данными малоглубинной сейсморазведки и дают более полные представления о физико-геологической модели, закладываемой в геомеханические расчёты. 210 ----------------------- Page 211----------------------- Рис. 1. Обзорная схема района работ с особенностями геологического строения Рис. 2. Пространственно совмещённые временные разрезы сейсмических исследований: а) инженерных; б) малоглубинных; в) шахтных 211 ----------------------- Page 212----------------------- Дальнейшая детализация и оценка состояния породного массива на уровне продуктивной толщи и прилегающих к ней пластов выполнена с помощью высокочастотных сейсмоакустических наблюдений из горных выработок в направлении залегания ВЗТ, т.е. в верхнее полупространство (рис.2.в). Комплексирование разнонаправленных наблюдений повышает точность вертикальной локализации геологических неоднородностей, а более высокая разрешающая способность шахтных данных - детальность изучения примыкающих к выработанному пространству пластов. Негативные изменения физических свойств породного массива на различных уровнях и с различной степенью детализации отмечены в физико- геологических моделях (рис.3), где в координатах профильных линий и глубин представлено распределение значений интервальных скоростей распространения упругих волн. Рис. 3. Разноуровенные физико-геологические модели малоглубинных (а) и шахтных (б) исследований Физико-геологические модели повышенной детальности, построенные по результатам полномасштабного комплекса сейсморазведочных исследований, являются исходной информацией для текущих и прогнозных геомеханических оценок состояния ВЗТ на потенциально опасных участках шахтных полей калийных рудников.