Управление устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетней мерзлоте теплоизолирующими экранами

• Автор: Изаксон, Максим Всеволодович
• Шифр специальности: 25.00.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Кемерово
• Количество страниц: 86 с. : ил.

Актуальность. Несмотря на то, что алмазодобывающая промышленность переходит на подземный способ добычи кимберлитовой руды и карьеры на трубках «Интернациональная», «Мир» и «Айхал» достигли предельных глубин, проблема устойчивости уступов и бортов карьеров остается актуальной, поскольку продолжается открытая добыча кимберлита на трубках «Юбилейная», «Комсомольская», «Ботуобинская», «Нюрбинская». Известно, что нарушение устойчивости уступов глубоких алмазодобывающих карьеров вызывается, главным образом, криогенными процессами (режеляция, сублимация, морозное пучение, осадка, растрескивание, дезинтеграция и др.) и связано с формированием сезонно-талого слоя в летний период времени. Поэтому традиционные способы укрепления бортов (крепление анкерами и сеткой, тампонаж), не оказывающие влияния на протекание криогенных процессов, неэффективны. Следовательно, необходима разработка нетрадиционных методов. В настоящей работе рассматриваются
теплоизолирующие экраны как средство повышения устойчивости
многолетнемерзлых уступов карьеров и разработка методики определения их параметров.
Работа выполнена в рамках научного проекта Института угля и углехимии СО РАН № 25.2.4. «Экспериментально-аналитические основы механики газоносных геоматериалов, в т.ч. многолетнемерзлых».
Целью работы является научное обоснование применения
теплоизолирующих экранов для управления устойчивостью уступов глубоких карьеров в многолетнемерзлых горных породах.
Основная идея работы заключается в том, что теплоизоляция поверхности уступа стабилизирует его температурное поле и глубину протаивания пород, что снижает интенсивность криогенных процессов поверхностного выветривания откоса.
Задачи исследований:

1. Разработать и реализовать модель теплообмена атмосферного воздуха с уступами карьеров с учетом теплоизоляции, экспозиции уступа.
2. Выполнить адаптацию параметров математической модели к условиям карьера «Мир» на основе экспериментальных данных.
3. Определить параметры оптимальных теплоизоляционных экранов для уступов карьеров, в том числе под водоводами системы откачки карьера «Мир».
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение научно-технических разработок и опыта упрочнения уступов карьеров в многолетней мерзлоте; методы математического моделирования; методы программирования, вычислений и многовариантных расчетов температурных полей; методы натурных наблюдений температурного режима горных пород; методы технико-экономической оценки технических решений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Теплоизоляция экранами уступов глубоких карьеров, расположенных в многолетней мерзлоте, существенно уменьшает интенсивность криогенных процессов поверхностного выветривания и предотвращает разрушение уступов и образование осыпей.
2. В районе г. Мирный годовые хода среднемесячных температур и интенсивностей солнечной радиации, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно считать синхронными.
3. Солнечная радиация является важным фактором, влияющим на граничные условия моделей. Не включение этого фактора в модель уступа карьера дает ошибку в определении граничных условий до 77%.
4. Оптимальный теплоизоляционный экран имеет переменную толщину, параметры которого зависят от географического положения карьера и экспозиции уступа.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается:
• корректностью физико-математической постановки задачи адаптированной к условиям многолетнемерзлого массива на основании натурных измерений температуры;
• адекватностью теплового режима массива горных пород, полученного по результатам вычислительного эксперимента, натурным измерениям температуры пород (расхождение не превышает 10 %);
• результатами промышленного эксперимента по созданию теплоизолирующих экранов под водоводами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• разработана модель динамики температурного поля уступа карьера, в которой учтено влияние солнечной радиации;
• разработана модель динамики температурного поля уступа карьера под водоводами, в которой теплоизоляция моделируется как слой с отличными от пород откоса теплофизическими характеристиками, а не традиционное представление термическим сопротивлением, что существенно повысило точность расчетов;
• определены параметры температурного и радиационного годовых ходов и уточнены коэффициенты теплоемкости, теплопроводности, коэффициент теплообмена поверхности откоса с атмосферным воздухом для условий карьера «Мир».
Личный вклад автора состоит:
• в разработке и реализации теплофизических моделей для расчетов динамики температурного поля в откосах глубоких карьеров, расположенных в многолетней мерзлоте и покрытых теплоизолирующими экранами, в том числе переменной толщины;
• адаптация этих моделей к горно-геологическим и криологичческим условиям карьера «Мир»;

Алгоритм совместного решения этих задач называется методом суммарной аппроксимации и на каждом временном слое имеет следующий вид [14]:
1. Решается задача (3.25) для всех у из сетки 1У у при начальных данных, полученных с прошлого временного слоя для задачи (3.23).