Влияние температуры очистного пространства на потери рудной массы от ее смерзания при донном выпуске под налегающими обрушенными породами

В.П. Зубков, Д.Н. Петров
Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация
Russian Mining Industry №5/ 2025 p. 79-83

Резюме: В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния температуры очистного пространства на показатели потерь при донном выпуске руды под налегающими обрушенными породами в условиях подземной разработки рудных месторождений криолитозоны. В результате проведенных экспериментов установлено, что при выпуске рудной массы с влажностью 1% потери от ее смерзания возникают при понижении температуры очистного пространства до –1 °С и возрастают при дальнейшем понижении до –5 °С более чем в 4 раза. При выпуске рудной массы с влажностью 1% и понижении температуры очистного пространства до –7 °С происходит остановка выпуска вследствие зависания руды в очистном блоке в результате ее смерзания. При выпуске руды без увлажнения при аналогичном понижении температуры значительного возрастания потерь не происходит. Полученные результаты позволяют объяснить механизм образования потерь отбитой руды от смерзания при выпуске, определить температурные границы их возникновения, а также предельные значения температуры очистного пространства, при которых выпуск руды из блока становится невозможным.

Ключевые слова: подземная разработка, рудные месторождения, криолитозона, температура очистного пространства, выпуск руды, моделирование донного выпуска руды, смерзание рудной массы, потери рудной массы

Благодарности: Авторы статьи выражают признательность коллегам, принимавшим участие в проведении исследований. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема №0297-2021-0020 , ЕГИСУ НИОКТР №122011800086-1) с использованием оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН грант №13.ЦКП.21.0016.

Для цитирования: Зубков В.П., Петров Д.Н. Влияние температуры очистного пространства на потери рудной массы от ее смерзания при донном выпуске под налегающими обрушенными породами. Горная промышленность. 2025;(5):79–83. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-5-79-83

Информация о статье

Поступила в редакцию: 23.05.2025

Поступила после рецензирования: 10.07.2025

Принята к публикации: 16.07.2025

Информация об авторах

Зубков Владимир Петрович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук; г. Якутск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Петров Дмитрий Николаевич – кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук, г. Якутск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Освоение рудных месторождений северо-восточных регионов России подземным способом разработки связано со значительными затратами на транспортировку материалов, оборудования, обеспечения электроэнергией, что отрицательно сказывается на рентабельности добычи. Соответственно, выбор и адаптация под местные конкретные условия технологий, позволяющих сократить затраты на отдельные процессы и подземные горные работы в целом, в условиях криолитозоны приобретает особое значение. Одним из путей, позволяющих сократить затраты на управление горным давлением и доставку отбитой руды при очистной выемке, является применение различных вариантов систем разработки с выпуском руды под налегающими обрушенными породами, особенно при разработке месторождений бедных руд.

При подземной разработке рудных месторождений в нашей стране и за рубежом получили широкое распространение системы этажного и подэтажного обрушения с торцевым [1–3] и донным выпуском [4–6] отбитой руды под налегающими обрушенными породами.

Основным отличием систем разработки с обрушением и донным выпуском руды от аналогичной технологии с торцевым выпуском является конструктивное оформление днища очистного блока или панели в виде рудоприемных траншей или воронок в сочетании с выпускными выработками, соединенных с доставочными штреками ортами-заездами.

Наличие подготовленных выработок днища позволяет обеспечить высокую производительность выпуска руды, по сравнению с торцевым. При этом эффективность подземной разработки месторождений полезных ископаемых системами, в которых применяется донный выпуск отбитой руды под обрушенными налегающими породами, существенно зависит от учета факторов, оказывающих влияние на параметры зоны потока рудной массы [7–9].

В условиях криолитозоны дополнительным важным фактором являются термовлажностные характеристики массива руды, вмещающих пород, рудной массы и рудничного воздуха на этапе выпуска отбитой руды из блока. Результаты исследований и оценка опыта применения технологии выпуска отбитой руды при подземной разработке рудных месторождений криолитозоны показывают, что при возникновении определенных термовлажностных характеристик очистного пространства может происходить смерзание кусков рудной массы между собой, приводящее к зависанию руды в выпускных выработках и полному прекращению выпуска1 [10].

Исследователи, занимавшиеся данным вопросом, основной причиной этого явления считают конденсацию влаги на кусках руды из рудничного воздуха. При отрицательной температуре массива обрушенных горных пород и отбитой руды влага, сконденсированная на поверхности кусков из поступающего более теплого воздуха, превращается в лед, приводя к их смерзанию между собой [11].

Результаты исследований влияния влажности и времени нахождения рудной массы в неподвижном состоянии при отрицательной температуре в очистном пространстве на показатели ее извлечения показали, что незначительное увлажнение и снижение интенсивности выпуска отбитой руды приводит к значительному возрастанию ее потерь от смерзания при выпуске [12].

Показатели температуры очистного пространства при подземной разработке рудных месторождений криолитозоны существенно различаются в зависимости от географического положения, климатических условий и применяемого теплового режима шахт. Например, температуры массива горных пород рудных месторождений Якутии изменяются от –4 – –5°С (Юрское, Дуэтское месторождения) до –10 – –12°С (Кыллахское –месторождение) [13]. Также температура массива горных пород при разной глубине разработки месторождения изменяется значительно. Замеры температуры в подземных горных выработках на золоторудном месторождении Бадран показали, что температура многолетнемерзлых горных пород в зависимости от глубины разработки изменяется от –8°С на 50 м, до 0°С на 400 м [14].

Целью исследования являлось определение влияния температуры очистного пространства на показатели потерь от смерзания рудной массы при донном выпуске под налегающими обрушенными породами. Для определения зависимости было проведено физическое моделирование процесса донного выпуска под налегающими породами при различной температуре в интервале, характерном для большинства рудных месторождений криолитозоны.

Методы

Экспериментальные работы по определению влияния температуры очистного пространства на потери руды от смерзания являлись продолжением исследований по определению факторов, оказывающих влияние на эффективность и безопасность процесса выпуска руды под налегающими обрушенными породами в условиях подземной разработки рудных месторождений криолитозоны. Условия, масштабы подобия, порядок подготовки и проведения экспериментов по физическому моделированию были приняты аналогичными предыдущим этапам исследований. Экспериментальные выпуски проводились на стенде для физического моделирования донного выпуска руды, также использовавшегося при ранее проведенных исследованиях [12].

Эксперименты проводились в криокамере, оснащенной среднетемпературной сплит-системой «Polaris», что позволило воспроизвести температурные условия очистного пространства при подземной разработке рудных месторождений зоны распространения многолетнемерзлых горных пород.

Контроль температуры воздуха обеспечивался температурными датчиками сплит-системы криокамеры и стационарным термометром. Во время подготовки и проведения экспериментов выполнялись замеры температур руды и породы, а также стенок модели тепловизором «FLIR SС660» и лабораторным электронным термометром «ЛТ-300». Подготовка материала, используемого в качестве отбитой руды (мраморная крошка) и обрушенных пород (железистый кварцит), заключалась в классификации на геологических ситах требуемого гранулометрического состава.

Так же как и при ранее проведенных экспериментах, диаметр кусков рудного материала изменялся от 1 мм до 5 мм; обрушенных вмещающих пород – от 1 мм до 15 мм. Далее материал в объеме, необходимом для проведения экспериментов, распределялся в пластиковые лотки слоями высотой 100 мм и размещался в криокамере для набора необходимой температуры.

Эксперимент производился следующим образом. После набора материалом требуемой температуры в специальном лотке выполнялось увлажнение руды при помощи пульвизатора (мб пульверизатор) с одновременным перемешиванием, затем рудный материал размещался в стенде слоями высотой 10 см. После размещения всего объема рудного материала в стенде в него загружался породный материал до заполнения.

Для соблюдения подобия продолжительности технологическому процессу в натурных условиях заполненный стенд выдерживался неподвижно в течение 9 мин, что в принятом масштабе времени Ct = √CL = 7 равно межсменному перерыву 1 ч, используемому для проветривания перед выпуском. Выпуск руды проводился в послойном режиме. Доза выпуска составила 100 г. Выпуск выполнялся из первой выработки до достижения разубоживания в дозе выпуска значения 80% или до момента зависания. После этого начинали выпуск из следующей выработки и так далее.

Было выполнено 5 серий экспериментальных выпусков для руды, увлажненной на 1% (при температуре воздуха в криокамере +1°С, –1°С, –3°С, –5°С и –7°С), и 2 серии выпусков руды без увлажнения (при температуре воздуха в криокамере +1°С и –7°С). Температура рудного и породного материала была равной температуре воздуха в криокамере.

Степень увлажнения рудного материала была принята исходя из анализа предыдущих исследований, показавшего, что процесс смерзания кусков руды между собой начинается при увеличении влажности на 1% [12].

Для каждой дозы выпуска выполнялось отделение примешанной пустой породы способом магнитной сепарации и ее взвешивание. Все полученные данные фиксировались в контрольном журнале проведения испытаний. Эксперимент завершался после остановки выпуска рудной массы из последней выработки.

Обработка данных, полученных в результате проведенных экспериментальных выпусков, проводилась в три этапа. На первом этапе обрабатывались результаты отдельных экспериментальных выпусков. На втором выполнялась группировка и обработка результатов определения показателей извлечения по сериям экспериментов с учетом условий проведения эксперимента. На третьем этапе проводились анализ и обобщение полученных данных в целом.

Результаты

По результатам проведенных экспериментальных исследований был построен график изменения потерь отбитой руды при ее выпуске из блока в зависимости от температуры очистного пространства и влажности рудной массы (рис. 1).

Рис. 1 Динамика изменения потерь отбитой руды при ее выпуске из блока на физической модели при различной отрицательной температуре и влажности

Fig. 1 Dynamics of changes in the broken ore losses when it is drawn from the block using a physical model at various negative temperatures and moisture contents

Проведенные эксперименты показали, что при выпуске рудной массы с влажностью 1% потери от ее смерзания возникают при понижении температуры очистного пространства до –1 °С и возрастают при дальнейшем понижении до –5 °С более чем в 4 раза. При выпуске рудной массы с влажностью 1% и понижении температуры очистного пространства до –7 °С происходит остановка выпуска вследствие зависания руды в очистном блоке в результате ее смерзания. При выпуске руды без увлажнения при аналогичном понижении температуры значительного возрастания потерь не происходит.

Обсуждение результатов

В ходе проведения экспериментов было зафиксировано, что при выпуске увлажненной рудной массы при отрицательной температуре на границе отбитой руды и налегающих обрушенных пород образуется зона повышенной влажности (рис. 2). Влага, сконцентрированная в указанных местах на границе руды и налегающих пород, замерзает, что приводит к образованию участков смерзшейся руды.

Рис. 2 Выпуск руды из стенда в криокамере увлажненной руды при температуре –5°С

Fig. 2 Drawing of the watered ore in a test bench inside a cryochamber at the temperature of –5°C

При выпуске руды без увлажнения скопления влаги на границе между отбитой рудой и налегающими обрушенными породами не возникало (рис. 3).

Рис. 3 Выпуск руды из стенда в криокамере при температуре –7°С без увлажнения

Fig. 3 Drawing of ore in a test bench inside a cryochamber at the temperature of –7°C without watering

Очевидно, что смерзание сконцентрированной на границах руды и налегающих пород влаги с возникновением кластеров смерзшейся руды приводит к существенному уменьшению горизонтального диаметра эллипсоида выпуска и, соответственно, росту ее потерь при выпуске.

Ограничения исследования и обобщение его результатов и предложения по практическому применению

Хотя результаты моделирования справедливы только для конкретных условий проведенных экспериментов и не могут напрямую использоваться в расчетах, их необходимо учитывать при проведении изыскательских исследований, проектировании процессов выпуска и расчетах конструктивных элементов систем разработки, применяющих выпуск отбитой руды при подземной разработке рудных месторождений криолитозоны.

Предложения по направлению будущих исследований

Для решения проблемы смерзания рудной массы при выпуске из очистного пространства необходим комплексный подход, включающий как теоретические исследования и лабораторные эксперименты, так и натурные изыскания непосредственно на объектах разработки, в том числе и с учетом динамики подземных горных работ.

Заключение

Таким образом, экспериментальными исследованиями влияния температуры очистного пространства на показатели потерь от смерзания при донном выпуске руды под налегающими обрушенными породами в условиях подземной разработки рудных месторождений криолитозоны установлено, что при выпуске рудной массы влажностью 1% и понижении температуры очистного пространства с –1 °С до –5 °С потери от ее смерзания возрастают более чем в 4 раза, при –7 °С происходит прекращение выпуска вследствие зависания отбитой руды в очистном блоке. При выпуске руды без увлажнения с понижением температуры показатели потерь изменяются незначительно.

Полученные результаты подтверждают необходимость учета изменений температуры и влажности рудничного воздуха, обрушенных пород и отбитой руды и разработки эффективных методов и средств оценки, профилактики и контроля смерзания рудной массы при применении систем разработки с обрушением и выпуском руды в условиях подземной разработки месторождений криолитозоны.

Список литературы

1. Козырев А.А., Панин В.И., Семенова И.Э. Опыт применения экспертных систем оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород для выбора безопасных способов отработки рудных месторождений. Записки Горного института. 2012;198:16–23. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/5908 (дата обращения: 27.04.2025). Kozyrev A.A., Panin V.I., Semenova I.E. Experience in expert systems application for estimation of stress- strain state of rock mass for selection of safe methods of ore deposits mining. Journal of Mining Institute. 2012;198:16–23. (In Russ.) Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/5908 (accessed: 27.04.2025).

2. Криницын Р.В. Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при отработке месторождений Урала. Горная промышленность. 2022;(5):79–82. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-79-82 Krinitsyn R.V. Stress-and-strain state of the rock mass in mining deposits in the Urals. Russian Mining Industry. 2022;(5):79– 82. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-79-82

3. Adah E.I., Amah E.A. Modified horizontal stress equations for rock mass insitu stress state. Nnamdi Azikiwe University Journal of Civil Engineering (NAUJCVE). 2024;2(3):11–14. Available at: https://naujcve.com/index.php/NAUJCVE/article/view/134/139 (accessed: 20.06.2025).

4. Demin V., Kalinin A., Tomilova N., Tomilov A., Akpanbayeva A., Shokarev D., Popov A. Advanced digital modeling of stressstrain behavior in rock masses to ensure stability of underground mine workings. Civil Engineering Journal. 2025;11(3):1072– 1087. https://doi.org/10.28991/CEJ-2025-011-03-014

5. Christiansson R., Janson T. A test of different stress measurement methods in two orthogonal bore holes in Äspö Hard Rock Laboratory (HRL), Sweden. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003;40(7-8):1161–1172. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2003.07.006

6. Yaméogo S.T., Corthésy R., Leite M.H. Influence of local heterogeneity on Doorstopper stress measurements. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013;60:288–300. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2013.01.001

7. Guido S., Acerbis R., Sossi G. Practice of the Doorstopper stress measurement method during the last 30 years in Italy. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;833:012167. https://doi.org/10.1088/1755-1315/833/1/012167

8. Feng Y., Pan P.-Z., Wang Z., Liu X., Miao S. A novel indirect optical method for rock stress measurement using microdeformation field analysis. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024;16(9):3616–3628 https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.10.011

9. Семенова И.Э., Амосов П.В., Кузнецов Н.Н., Некрасов В.А. Развитие подходов к расчету параметров напряженнодеформированного состояния массива пород по результатам измерений деформаций на торце скважины. Горная промышленность. 2024;(5S):122–129. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-122-129 Semenova I.E., Amosov P.V., Kuznetcov N.N., Nekrasov V.A. Development of approaches to calculation of the stress-strain state parameters of the rock mass based on the results of deformation measurements at the borehole bottom. Russian Mining Industry. 2024;(5S):122–129. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-122-129

10. Ali Z., Karakus M., Nguyen G.D., Amrouch K. Secant modulus method: A simplified technique for measuring in situ stresses in rocks. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2025;58(4):4263–4279. https://doi.org/10.1007/s00603-024-03953-z

11. Leeman E.R. The CSIR “doorstopper” and triaxial rock stress measuring instruments. Rock Mechanics. 1971;3(1):25–50. https://doi.org/10.1007/BF01243550

12. Кобаяси А. (ред.) Экспериментальная механика [пер. с англ. под ред. Б.Н. Ушакова]. М.: Мир; 1990. Кн. 1. 615 с. :

13. Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та; 2011. 56 с.

14. Деменчук Н.П., Прилуцкий А.А. Основы теории напряженного и деформированного состояния. СПб.: Университет ИТМО; 2016. 118 с.

15. Реут Л.Е. Теория напряженного и деформированного состояния с примерами и задачами. Минск: БИТУ; 2008. 107 с.

16. Водопьянов В.И., Савкин А.Н., Кондратьев О.В. Курс сопротивления материалов с примерами и задачами. Волгоград: ВолгГТУ; 2012. 136 с.

17. Иофис М.А., Макаров А.Б., Каспарьян Э.В., Козырев А.А. Геомеханика и охрана объектов поверхности. М.: Высш. шк.; 2006. 503 с.

18. Турчанинов И.А., Иванов В.И., Марков Г.А. (сост.) Руководство по измерению напряжений в массиве скальных пород методом разгрузки: вариант торцевых измерений. Апатиты; 1970. 48 с.

19. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Панин В.И., Иванов В.И. (сост.) Экспериментальное определение полного тензора напряжений в массиве горных пород. Апатиты; 1973. 37 с.

20. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. М.: Сов. радио; 1976. 192 с.

21. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов [пер. с англ. Х.Д. Икрамова]. М.: Наука; 1986. 230 с.

22. Барон Л.И., Логунцов Б.М., Позин Е.З. Определение свойств горных пород. М.: Госгортехиздат; 1962. 332 с.