Файл: Скуба, В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты.pdf

29

б

Расстояние от стенки выработки, м

Рис. 9. Изменение глубины оттаивания пород вокруг горных выработок, расположенных в различных геокриологических зонах, в летний и зимний периоды при положительном тепловом режиме шахт и естественной тем­ пературе Т е пород:

а — при —3,9°; б — при —4°; в — при ^3,4°; г — при —2,5°; д — при —2,5°; в -* при —1,2°.

до очистных работ и до 2,5—3 м на участке от очистных работ до канала вентилятора. В зимнее время глубина оттаивания на тех же участках снижается и составляет соответственно 2.5— 3 и 1,2—1,5 м. Интенсивное колебание температуры по­ род зимой и летом (но в пределах положительных значений) наблюдается до глубины 0,8—1,0 м. Температура пород здесь имеет практически то же значение, что и температура прохо­ дящего по выработкам воздуха. Фазовое отставание максимума прогрева пород от максимума температуры воздуха около месяца. Колебание температуры породного массива вокруг выработок на глубине более 1 м незначительное и не превышает

1 . 5 - 2°.

Интенсивность распространения положительных темпера­ тур в глубине массива различна. После обнажения пород с от­ рицательной температурой оттаивание их на 0,5 м происходит не более чем за 7—8 суток, 1 м — за 40—45 суток. Распростра­ нение положительных температур в глубь массива более чем на 1—2 м протекает медленно — через 2—2,5 года зона отта-

30

ивания достигает глубины 4—4,5 м. В дальнейшем этот про­ цесс замедляется еще больше. В выработках, сохранивших свое первоначальное сечение и эксплуатируемых около 20 лет, из которых в течение 9—10 лет по ним проходит воздух с по­ ложительной температурой, максимальная глубина оттаива­ ния пород зафиксирована на глубине 5,3 м.

Анализ результатов натурных исследований изменения тем­ пературы пород вокруг горных выработок показал, что в раз­ личных температурных зонах массива пород при различной среднегодовой температуре шахтного воздуха и многообразии условий, в которых производилось изучение, процесс оттаива­ ния пород в каждом конкретном случае имеет общую законо­ мерность (рис. 12) — интенсивное распространение нулевой изотермы в глубь массива в начальный период и замедление этого процесса с течением времени. Активно процесс оттаива­ ния пород протекает в 3—4 года, затем он замедляется, и с те­ чением времени приращение глубины оттаивания за каждый последующий год очень мало по сравнению с уже имеющимися ореолами оттаивания. После достижения глубины оттаивания 3—5 м последующие ежегодные приращения ореола оттаива­ ния составляют в течение 2—3 лет 6—9 см, а затем еще более уменьшаются. В практике этими приращениями вполне можно пренебречь в тех случаях, когда выработка эксплуатируется 3 —5 лет. В выработках со сроком службы более 5 лет за вели­ чину ореола оттаивания пород вокруг выработок с учетом приращений может быть с достаточным основанием принята величина 6 м.

Обработка результатов исследований методами математи­ ческой статистики позволила получить эмпирическую зави­ симость между радиусом зоны оттаивания и временем протаивания в различных мерзлотных условиях, которая при

31

^ ^ .________ ^ ~ ~ ~

.-Аз;.-.-.;.;.;.;.;.

V|-- ~//~A~ ~ ~ Л ~ ~ ~ ^ 1

27.~ 7ЛЬ".ЛЬ

3 В. Н. Скуба

На рис. 13 показаны расчетные значения радиуса оттаива­ ния пород при различной температуре массива. Поскольку расчеты проведены при усредненном значении среднегодовой температуры воздуха, зафиксированной в различных пунктах вентиляционных путей шахт, эти значения могут быть исполь­ зованы только как приближенные для определения нагрузок на крепь, выбора типа и параметров крепи в рассматриваемых условиях.

§ 2. Аналитический метод определения радиуса оттаивания пород при постоянной температуре поступающего в выработки воздуха

В общем виде для определения радиуса оттаивания пород вокруг выработок при указанном условии необходимо решать задачу Стефана (Stefan, 1891), сложность которой обусловли­ вается наличием подвижной границы между талой и мерзлой зонами. Для осесимметричного теплового потока эта задача формулируется следующим образом: