автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.03, диссертация на тему:Научно-методическое обоснование интенсификации процессов дражных разработок многолетнемерзлых россыпных месторождений неглубокого залегания

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Пятаков Виктор Георгиевич

УДК 622.271.1:624.139.68

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ДРАЖНЫХ РАЗРАБОТОК МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕГЛУБОКОГО ЗАЛЕГАНИЯ

Специальность 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Акционерном обществе открытого типа "Иргиредмет".

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор С.В.Потемкин Доктор технических наук, профессор Ю.В.Бубис Доктор технических наук, профессор Э.И.Богусловский

Ведущее предприятие - Научно-технический центр "Алмаззолотопрогресс"

Защита диссертации состоится "10" марта 1994 г. в 13 часов на заседании специализированного совета Д.063.55.02 при Московской геологоразведочной академии по адресу: 117873, г.Москва, В-484, ул.Миклухо-Маклая, 23, МГГА, в ауд.4-15а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА. Автореферат разослан * Ц * Щ^й^аиеН 199^г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Г.С.Андреева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы, Дражный способ разработки россыпных месторождений имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению с любым другим способом. Однако происходит постепенное ухудшение этих показателей по мере вовлечения в разработку новых многолетнемерзлых месторождений. К концу 80-х годов из 174 действующих драг более 100 из них эксплуатировалось на многолетнемерзлых месторождениях. Причем, около 80 % этих месторождений можно отнести к неглубоким многолетнемерзлым россыпям (НММР) с глубиной залегания до 6-7 м. Многие новые перспективные месторождения, а также месторождения, вовлекаемые в рентабельную повторную разработку, можно отнести к этому типу. Именно на разработке НММР драги имеют самые низкие показатели. Более 90% драг не достигают проектных показателей. Средняя годовая производительность 25 драг с вместимостью черпака 250 л не превышает 450 тыс.м3 , в то время как на талых россыпях драги этого типа имеют производительность 995 тыс.м3 . Из-заплохого качества оттаивания полигонов перед драгированием повсеместно отмечается недоработка наиболее богатой приплотико-вой части пласта. По причине неудовлетворительной защиты переходящих талых запасов от сезонного промерзания ежегодно задерживается до'июня-июля пуск в работу значительного количества драг. Существующая на НММР система разработки допускает потери полезного ископаемого под плотинами 10 % от балансовых запасов. Неоправданно велико потребление чистой воды.

Неудовлетворительные показатели работы драг на НММР настолько массовы и постоянны, что их невозможно объяснить лишь организационными просчетами и нехваткой землеройной техники, как это порой представляется.

Вместе с тем, небольшая глубина месторождений и имеющийся обширный опыт водно-тепловой подготовки мерзлых пород к выемке в суровых климатических условиях только с использованием естественных источников тепла дают надежду на то, что при создании благоприятных условий для использования естественных энергоресурсов через совершенствование технологии горных работ многие из отмеченных недостатков могут быть устранены.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами

НИР института "Иргиредмет", формировавшимися с учетом отраслевой комплексной программы КП-18Г, задания 03 научно-технической программы ГКНТ N 352 от 04.07.85, а также прямых договоров с предприятиями.

Целью работы является создание технологии разработки много-летнемерзлых россыпей неглубокого залегания дражным способом, обеспечивающей высокую эффективность работы драг при снижении потерь полезного ископаемого в недрах и рациональном водо- и землепользовании.

Идея работы заключается в интенсификации водно-тепловых способов подготовки мерзлых пород к выемке за счет более эффективного использования солнечной энергии и способов предохранения пород от промерзания.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи.

1. Исследовать на модели месторождения и на модели водно-тепловой подготовки дражных полигонов при существующей технологии горных работ теплообмен подготавливаемого массива в годовом цикле процессов оттаивания-промерзания в различных сечениях дражного полигона.

2. Разработать метод расчета фильтрационных потерь через плотину и изучить на его основе фильтрационные свойства плотин на дражных полигонах.

3. Исследовать динамику водохранилищ в летний и осенне-зимний периоды при различных технологических задачах для условий модели месторождения.

4. Научно-методически обосновать основные принципы новой технологии, обеспечивающей более эффективное использование солнечной энергии при процессах оттаивания и способов защиты пород от промерзания.

5. Исследовать процесс генерации жидких пен и способы получения твердых пенных теплоизоляционных материалов на дражных полигонах; изучить эксплуатационные свойства теплоизоляторов в лабораторных и натурных условиях.

6. Научно обосновать типовые варианты подготовки дражных полигонов в различных горногеологических условиях.

Для решения этих задач был использован комплекс методов исследований, включающий анализ литературных источников,

научное обобщение производственного опыта, фотохронометраж, температурные наблюдения в полевых условиях, воднобалансовые измерения на водохранилищах дражных полигонов, исследования режимов генерации пен на стендовых установках, определение теплофизических свойств теплоизоляционных материалов в холодильной камере, лабораторные и натурные измерения массопере-носа в пенном слое, моделирование тепловых процессов на гидравлическом интеграторе, графоаналитические исследования, составление проектов опытно-промышленных работ, внедрение новых технологий на дражных полигонах и технико-экономическую оценку результатов внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна.

1. На модели НММР исследован тепловой режим полигона в годовом цикле его подготовки и показано, что при существующей технологии разработки невозможно обеспечить качественную подготовку мерзлых песков к драгированию.

2, Разработан метод расчета фильтрационных потерь через плотину, позволяющий учитывать специфику дражного полигона, введено понятие коэффициента эффективной фильтрации плотины и экспериментально определены его количественные значения для плотин в различных горногеологических условиях. Выявлено, что его величина в сотни раз превышает значение коэффициента фильтрации пород, из которых сооружена плотина. Для условий модели месторождения выявлены закономерности хода опорожнения водохранилища в осенне-зимний период при различных глубинах начального наполнения и при различном количестве плотин. Показано, что к моменту прекращения поверхностного стока уровень воды в водохранилище практически не зависит от его начального наполнения.

3. Дано научное обоснование нескольких принципов новой технологии разработки НММР, основные из которых сводятся к изменению последовательности ходов драги и порядка сооружения плотин, а также к активному воздействию на ход естественного оттаивания пород в пределах дражного хода через изменение мощности оттаиваемых пород по его длине. Получено выражение для определения формы кривой поверхности в продольном сечении дражного хода, что позволяет вести расчет обьемов горноподгото-

вительных работ.

4. Получена закономерность формирования пены в длинном канале в процессе турбулентного движения газожидкостной смеси. Созданы научно-методические основы получения замерзающей водно-воздушной пены на больших площадях как теплоизоляционного материала при защите пород от сезонного промерзания. Получены зависимости теплопроводности замерзшей водно-воздушной и быс-тротвердеющей полимерной пены от плотности и температуры. Выявлен механизм массопереноса и разрушения ячеистой структуры в слое замерзшей пены и найден способ торможения процесса разрушения.

5. Научно обоснованы типовые схемы подготовки НММР в различных горногеологических условиях с применением комбинированных способов оттаивания и предохранения от промерзания. Дано обоснование целесообразности ускоренной подготовки полигона путем придания дражному ходу переменной мощности послойным оттаиванием и разработана методика определения параметров ускоренной подготовки.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается широким применением экспериментальных методов исследований с непосредственным измерением поверенными приборами измеряемой величины; при теплофизических исследованиях тарировкой аппаратурного оснащения и проверкой методов измерений на эталонных материалах; результатами внедрения основных технических решений на различных предприятиях, ведущих разработку НММР дражным способом.

Практическое значение работы заключается в следующем: - создана технология разработки НММР драгами, позволяющая за счет более полного использования естественных источников тепла и повышения качества подготовки мерзлых полигонов к драгированию повысить годовую производительность драги, снизить потери полезного ископаемого при драгировании от недоработки пласта, исключить ранее планировавшиеся потери в целиках под плотинами, снизить потребление чистой воды и затраты на рекультивацию;

-создана техника и технология для получения и укладки на дражных полигонах пенных теплоизоляционных материалов двух типов с целью защиты переходящих талых запасов от сезонного промерза-

ния;

- разработаны комбинированные способы снижения теплопотерь на участке переходящих талых запасов и предложены типовые схемы подготовки дражных полигонов для различных горногеологических условий.

Реализация результатов работы. Технология защиты талых пород от сезонного промерзания пенными теплоизоляционными материалами в ходе его совершенствования внедрена на приисках производственных объединений "Якутзолото", "Лензолото", "Амурзо-лото", "Забайкалзолото" и "Приморзолото". С 1973 по 1983 г.г. на этих предприятиях утеплено в общей сложности более 500 тыс.м2 поверхности дражных полигонов с суммарным экономическим эффектом 1764,4 тыс.р. В 1990 г. продана лицензия в КНР на "Технологию приготовления и нанесения пенных покрытий с целью предохранения оттаянных пород от сезонного промерзания способом "пена на лед". Стоимость лицензии 1130 тыс.швейцарских франков. От внедрения отдельных элементов новой технологии на 8 дражных полигонах в ПО "Лензолото" и "Забайкалзолото" за период 1983--89г.г. получен фактический экономический эффект 1910,4 тыс.р. Комплексное внедрение новой технологии начато в 1991 г. на двух драгах малого предприятия "Чалдонка" (прииск "Ксеньевский"). Экономический эффект от применения новой технологии составил в 1992 г. около 80 млн.р.

Выполненные исследования позволили выпустить "Руководство по подготовке и отработке многолетнемерзлых дражных полигонов" (1990 г.) и "Руководство по подготовке дражных полигонов с применением теплоизолирующей водно-воздушной пены" (1986 г.), в которых изложены методические основы проектирования разработки НММР по новой технологии.

Апробация работы. Различные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Пены. Получение и применение" (Балашиха, 1973), на отраслевой школе передового опыта "Применение пен для защиты дражных полигонов от сезонного промерзания" (пос.Нелькан, 1975), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1973), на VII Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике" (Минск, 1977), на IV Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные на-

правления повышения технического уровня производства при разработке россыпных месторождений" (Магадан, 1978), на научно-технической конференции "Техника и технология разработки слож-ноструктурных россыпных месторождений золота" (Бодайбо, 1982), на Всесоюзном совещании по проблемам использования льда и снега в народном хозяйстве (Иркутск, 1984), на Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в золото- и алмазодобывающей промышленности на период до 2000 г." (Иркутск, 1985), на школе передового опыта по дражным работам (Чита, 1986), на координационных совещаниях отрасли (Иркутск, 1986, 1987, 1988), на заседаниях горногеологической секции НТС Иргиредмета (19701991). Некоторые положения диссертации были опубликованы в материалах международной конференции "Разработка россыпей" (Лондон, 1991). Отдельные результаты работы трижды экспонировались на ВДНХ и удостоены трех серебряных медалей.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 37 печатных работах, из них 5 брошюр. Получено 14 авторских свидетельств на изобретения и 4 зарубежных патента.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 206 наименований, приложения; содержит 301 страницу машинописного текста, 70 рисунков и 13 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность коллегам по институту "Иргиредмет" Б.В.Левинскому, В.А.Плюснину, В.А.Сафонову, В.В.Фандееву и всему коллективу дражной группы за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы. Особо благодарен автор директору Ксеньевского прииска В.М.Донову за организацию научно-производственного малого предприятия "Чалдонка" и активное содействие внедрению новой технологии на данном предприятии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ведущими советскими специалистами в области разработки россыпей дражным способом А.П.Свиридовым, С.М.Шороховым, В.Г.Пешковым, В.А.Кудряшовым успешно решены многие сложные проблемы, относящиеся к драгированию талых россыпей. По мере

их отработки и вовлечения в эксплуатацию многолетнемерзлых месторождений все острее становилась задача по обеспечению драг готовыми к выемке запасами. В последние три десятилетия в области разработки россыпей и горной теплофизики сформировалось самостоятельное научное направление по водно-тепловой подготовке мерзлых пород к выемке.

Различными проблемами водно-тепловой подготовки занимались научные коллективы Института мерзлотоведения СО АН СССР, ЦНИГРИ, Иргиредмета, Ленинградского горного института, Читинского политехнического института, Московского геологоразведочного института, Красноярского института цветных металлов, Московского государственного университета. Однако основной вклад в становление нового научного направления сделан лабораторией инженерного мерзлотоведения ВНИИ-1.

Благодаря работам В.П.Бакакина, В.Т.Балобаева, Ю.М.Ведяева, Р.И.Гаврильева, В.Г.Гольдтмана, Ю.Д.Дядькина, В.И.Емельянова, Е.Т.Жученко, В.В.Знаменского, Н.С.Иванова, В.Е.Капранова, Б.В.Левинского, Ю.А.Мамаева, Б.А.Оловина, А.В.Павлова, Г.З.Пер-льштейна, С.В.Потемкина, А.И.Приймака, А.В.Рашкина, П.Ф.Стафе-ева, В.Н.Тайбашева, Э.Я.Черных, С.Д.Чистопольского и др. совершенствовалась технология водно-тепловой подготовки мерзлых пород к выемке.

Достаточно глубоко изучены теплофизические свойства пород россыпных месторождений в талом и мерзлом состоянии и процессы теплообмена в породном массиве и на его поверхности при различных способах тепловой мелиорации, разработаны методы расчета скорости оттаивания пород при естественных и искусственных способах оттаивания, разработаны технологии производства многих видов водно-тепловой подготовки мерзлых пород к выемке. Усилиями ученых и практиков доведены до высокой степени технологичности и повсеместно внедряются такие способы оттаивания, как гидроигловой, фильтрационно-дренажный и послойной срезкой талого слоя. Вместе с тем, следует признать, что многие достижения теории и практики в этой области не находят по ряду причин применения при разработке НММР драгами.

Подготовка НММР к драгированию осложнена ее полной зависимостью от климата, который в районе Сибири и Краййего Севера характеризуется коротким летом, значительными отклонениями погодных условий от средних за многолетие, резкими

колебаниями водопритока летом и полным его отсутствием зимой. Из-за малой мощности пласта (около 2 м) для драг с черпаком 250 л приходится вовлекать в одновременную подготовку огромные для такого объекта площади (до 700 тыс.м ). По этой же причине часть дражного полигона находится в затопленном состоянии и исключается из эффективного оттаивания. Способ защиты переходящих талых запасов от промерзания затоплением плохо согласуется в пространстве и времени с оттаиванием пород теплом солнечной радиации. Динамика ухода воды с затопленных площадей не прогнозируется, а сам способ предохранения от промерзания на большинстве НММР ненадежен. Кроме того, горногеологические условия НММР настолько разнообразны, что необходимо иметь ряд как способов оттаивания, так и способов предохранения пород от промерзания.

Для повышения эффективности разработки НММР необходимы глубокие исследования существующей системы их разработки, теплового режима дражного полигона в процессе его подготовки, фильтрационных свойств плотин и водного режима водохранилищ в летнее и зимнее время с целью научного обоснования принципов такой технологии горных работ, которая позволяла бы за счет повышения степени использования естественных источников тепла гарантированно обеспечивать драгу готовыми к выемке запасами в течение всего промывочного сезона. Необходима разработка комбинированных способов защиты пород от промерзания и создание дешевых искусственных теплоизоляционных материалов, чтобы решить весьма важную для разработки НММР проблему - обеспечение драги готовыми к выемке переходящими талыми запасами.

АНАЛИЗ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НММР И

СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИХ РАЗРАБОТКИ"ДРАГАМИ

В диссертации дан анализ 26 наиболее характерных россыпей, на которых с низкими технико-экономическими показателями работают 250-литровые драги, и выявлены основные горногеологические и геокриологические особенности НММР. Средняя глубина залегания рассмотренных россыпей составляет около 4,9 м, а мощность пласта -2,1 м. Для НММР характерно приплотиковое распределение

золота в пласте. На многих месторождениях в приплотиковом слое пласта мощностью 1 м содержится до 80 % вертикального запаса золота. При волнистом плотике разность отметок поверхности возвышенных и пониженных участков на ограниченной территории (20-30 м) может достигать 1,5 м. Ширина промышленного контура колеблется от 60-70 до 500-700 м. Продольный уклон также изменяется в больших пределах - от 0,002 до 0,023. Более 70 % промышленных запасов горной массы находятся в многолетнемерзлом состоянии. Средняя глубина сезонного оттаивания при удалении поч-венно-растительного слоя и мелкозема составляет около 3 м. Сезонная и многолетняя мерзлота в естественных условиях сливаются в январе-феврале.

НММР расположены в долинах малых и средних рек второго и третьего типа (по А.И.Калабину) с площадью водосбора менее 6000км2 .Площадь водосбора некоторых месторождений измеряется лишь десятками квадратных километров. При дождевых паводках расход воды возрастает в 200-300 раз по сравнению с меженным. Поверхностный сток прекращается в ноябре-декабре. Почти на всех реках в зимний период наблюдаются наледи.

Несмотря на большой диапазон параметров россыпей сложившаяся на практике система их разработки единообразна и сводится к поблочной выемке подготовленных запасов. Выемочные блоки расположены между плотинами, которые сооружают на всю ширину долины (россыпи). Плотины располагают на мерзлом основании с целью снижения фильтрации, а для прохода драги в соседний блок в плотине оставляют проран, который перекрывают после перехода через него драги. Порядок перемещения драги в пределах выемочного блока зависит от ширины россыпи и существенного значения не имеет.

В диссертации дан анализ способов оттаивания мерзлых пород и предохранения талых запасов от сезонного промерзания. Для неглубоких россыпей с мощностью пласта менее 3 м самым простым и дешевым является способ естественного оттаивания, который в настоящее время применяется при подготовке полигонов на всех НММР. Гидроигловое оттаивание, применяемое на Северо-Востоке страны, имеет высокую эффективность при глубине россыпи 10-12м, а для глубины 3-4 м его себестоимость возрастает в 2-3 раза. С учетом имеющейся тенденции к установлению мировых цен на

топливно-энергетические ресурсы рост себестоимости возможен в 5-6 раз. На ряде месторождений, где породы имеют коэффициент фильтрации более 2 м/ч, эпизодически применяется фильтрационно-дренажное оттаивание. Повсеместно ведется послойное оттаивание при вскрышных работах.

При защите переходящих талых запасов от сезонного промерзания на большинстве НММР применяют затопление. Однако необходимое качество предохранения удается получить примерно на четверти затапливаемых полигонов. Основная причина неудовлетворительного предохранения - ранний уход воды через плотины из-за их высокой водопроницаемости. Существующая на НММР поблочная система разработки, как правило, исключает возможность создания в плотине зуба, экрана или закольматированного участка. Такие способы предохранения, как снегозадержание, подвешивание льда с созданием воздушных прослоек, укладка пенопластовых щитов, рыхление, внесение химических реагентов и проч. либо малоэффективны, либо сложны в реализации. Представляется перспективным предохранение от промерзания дешевыми пенными материалами, получаемыми на месте применения.

Сложившаяся практика подготовки и отработки многих НММР имеет следующие недостатки:

- существующая поблочная система разработки не позволяет обеспечить драгу готовыми к выемке запасами в течение всего промывочного сезона;

- сооружение плотин на мерзлом основании приводит к потерям пласта в целиках до 10-12 % от балансовых запасов;

- поблочная разработка россыпи на всю ширину сопровождается большими дальностями транспортировки торфов при вскрышных работах и увеличением площади горного отвода;

- сооружение плотин с напором воды 3-5 м и затопление долины на всю ширину вызывает большие фильтрационные потери, восполнить которые можно лишь увеличением подачи в разрез свежей воды, что повышает загрязнение водотока.

Эти выводы предопределили цели и задачи исследований.

■ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ МЕРЗЛОГО ДРАЖНОГО ПОЛИГОНА

Оценить качество подготовки полигона на стадии проектирова-

ния можно по результатам тепловых расчетов процессов оттаивания и промерзания в годовом цикле. Выполнить такие расчеты возможно только с использованием конкретных исходных данных. Так как задачей настоящего исследования является оценка эффективности водно-тепловой подготовки для достаточно большого количества НММР, то нами выбран путь выполнения тепловых расчетов на модели месторождения по модели водно-тепловой подготовки.

На основании анализа 26 НММР предложена модель месторождения со следующими параметрами: ширина россыпи - 300 м: продольный уклон - 0,007; мощность пласта - 3 м; место расположения месторождения-модели - район деятельности Ксеньевского прииска (Могочинский район Читинской области) с количеством отрицательных градусосуток 3820.

Модель водно-тепловой подготовки вытекает из существующей поблочной системы разработки и не нуждается в детальном обосновании. Модель имеет следующие* показатели: способ оттаивания -естественный; способ защиты от сезонного промерзания - затопление; расстояние между плотинами - 500 м; глубина затопления от поверхности пласта - 4 м; годовой обьем драгирования - 450 тыс.м3; последовательность отработки блока - поперечными ходами; дата пуска драги - 1 июня; дата остановки - 1 ноября; дата заполнения водохранилища в весеннее время - 15 мая; дата ухода воды из водохранилища до поверхности пласта - 15 февраля. Очень важным показателем подготовки является дата ухода воды, предохраняющей переходящие талые запасы от сезонного промерзания. Практика показала, что при уходе воды в декабре - начале января явно не удается обеспечить драгу готовыми к выемке запасами к началу промывочного сезона. На большинстве дражных полигонов полный уход воды с затопленных площадей наблюдается раньше 15 февраля. Динамика понижения уровня воды в водохранилище определена на основании осенне-зимнего гидрографа усредненного водотока и законов опорожнения водохранилищ с проницаемыми плотинами.

Для модели месторождения по его длине были заданы четыре сечения, для каждого из которых проведены расчеты хода промерзания и оттаивания с учетом понижения воды в зимнее время и необходимого подтопления в теплый период.

Входящая в формулы расчета глубины оттаивания пород температура поверхности - трудно определяемая величина. Для сухой

поверхности нами взяты данные наблюдений метеостанции Ксень-евская. Для определения температуры поверхности пород под водой были использованы выполненные в 1986-87 г.г. исследования на дражных полигонах Амура и Забайкалья.

На температуру поверхности пород под водой оказывает влияние температура поступающей в разрез воды, температурная стратификация в слое воды и вынужденное перемешивание воды, вызываемое силой вливающегося водотока и маневрирующей драги. В процессе исследований вели измерения температуры воды на дне и в верхнем слое воды (5 см) в шести точках затопленного участка, а также в поступающем водотоке. Несмотря на большой разброс в величинах замеров (рис.1) можно выявить грубую закономерность понижения температуры поверхности пород с увеличением глубины затопления. Градиент температуры по глубине воды можно принять равным 3,5 °С/м, а для определения среднесуточной температуры воды на поверхности дражного разреза Тпи с допустимой для инженерных задач точностью предлагается пользоваться эмпирическим выражением

Тлв=Твз-0,5, °С, (1)

где Твз - среднесуточная температура воздуха, °С.

О

0.5

1.0

Сз*

3:1.5 э»

2.0

Температура, °С 9 <0 и 12- 12 15 <б 17 <8

/

/ * „ /

/

/ * / * *

* /

/

< ** о * XX

*«« * ООО *хх/

/'ж *« /

* х * Л ** х

/

•V в * /

/ х о х / X - р. иенда

* у о - р. Ульдегид

X

Рис.1. Температура поверхности пород под водой на многолетнемерзлом участке в третьей декаде июня.

Исследования М.И.Тишина (1978) и Ф.Э.Арэ (1974) малых озер криолитозоны дают величину температурного градиента по глубине в пределах 1,5-2,0 °С/м, что, вероятно, объясняется хорошей прозрачностью воды и ее прогреваемостью на большую глубину.

Результаты расчета хода промерзания-оттаивания по четырем сечениям месторождения-модели по изложенной выше методике представлены в табл.1.

Таблица 1.

Мерзлотное состояние дражного полигона на месторождении-модели при существующей технологии водно-тепловой подготовки

Показатели Сечение 1 Сечение 2 Сечение 3 Сечение 4

Дата подхода драги к сечению 1 июня 1 августа 1 октября 20 октября

Толщина слоя мерзлоты в драгируемой толще, м 0,6 0,9 0,8 отсутствует

Расстояние от поверхности пород до верхней границы мерзлоты, м 0,5 1,4 2,2

Таким образом, тепловой баланс подлежащего драгированию пласта мощностью 3 м в годовом цикле является отрицательным (за исключением небольшого участка в районе сечения 4), и в течение почти всего промывочного сезона в забое присутствуют мерзлые породы.

В диссертации проанализированы возможные отклонения реальной россыпи и параметров подготовки от модели и оценены пос-

ледствия таких отклонений. Показано, что любые отклонения реальных россыпей от модели не приводят к улучшению качества подготовки. Исключением является вариант, при котором уход воды происходит позднее 15 февраля.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ДРАЖНЫХ ПОЛИГОНАХ

Роль водохранилищ при разработке НММР драгами весьма велика и решает две задачи: обеспечить доступ драги во все точки промышленных запасов в период промывочного сезона и предохранить от сезонного промерзания переходящие талые запасы в зимнее время. Невозможно выполнить проект горноподготовительных и добычных работ без инструмента прогнозирования динамики уровня воды в водохранилище, пользуясь которым можно было бы выбирать наиболее рациональную технологию горных работ.

Динамика водохранилища определяется водопроницаемостью плотины, зависящей от конструкции плотины и свойств слагающих ее пород, напором воды, характером основания плотины, притоком в водохранилище и объемом водохранилища.

В диссертации дано описание конструкций плотин при разработке НММР драгами и показано, что основным источником потерь воды из водохранилища является тот участок плотины, который сооружается на месте прорана. Конструкция этого участка плотины существенно отличается от остальной ее части и в диссертации обоснованы ее основные параметры, от которых зависит величина фильтрационных потерь.

Вопросом о фильтрации через земляные плотины занимались многие ученые и за рубежом, и в России. Можно назвать работы Лоренца (1910), Шмида (1928), Гамеля (1934), акад.Н.Н.Павловского (1931), К.А.Михайлова (1937), А.А.Угинчуса (1940), акад.Е.А.Замарина (1939). Однако все эти работы базировались на выводе французского ученого Дюпюи, сделанного им в 1857 г., о величине фильтрационного расхода через вертикальную водопроницаемую перемычку. Для расчета фильтрации через реальные плотины Н.Н.Павловский предлагает систему из четырех уравнений. Нами выбрано решение А.А.Угинчуса как более простое и точное, хотя оно представлено в виде системы из шести уравнений.

С использованием этого решения для частного случая, каковым является конструкция плотины в месте прорана, В.В.Фандеевым получено семейство кривых для различных высот плотины

(2)

где Я - фильтрационный расход на 1 пог.м плотины при величине коэффициента фильтрации пород равным 1 м/ч; - напор в верхнем бьефе;

Иг - напор в нижнем бьефе.

Для определения коэффициента фильтрации пород плотины были проведены натурные эксперименты на восьми плотинах трех типичных месторождений. определяли двумя способами: с помощью прибора КФЗ на образцах породы и через водный баланс водохранилища. Пренебрегая испарением с поверхности водохранилища, осадками и боковым притоком, фильтрационный расход $90 через плотину определяли из выражения

С1ф = Олог-а&с ± АЧ/йГ, (3) где Цпев - поверхностный приток в водохранилище; Овс - расход через водослив; л V - изменение объема водохранилища за период

наблюдений лТ . Все величины, входящие в правую часть уравнения (3) получали прямыми измерениями. Величину Кср определяли из

выражения п

у - ^

Кф ~ п . ■ )

■Н Ь (4)

где и - длина плотины.

Результаты определения Кср , представленные в табл.2, показывают, что его истинная величина (определенная через водный баланс) в сотни раз превышает те значения, которые определены на образцах породы. Так как физический смысл сводится к скорости ламинарного движения воды в тонких порах грунта, а в дражной плотине присутствуют участки с крупными порами и зонами повышенной водопроницаемости, то коэффициент фильтрации, определенный через водный баланс предложено назвать коэффициентом эффективной фильтрации Къср.

На базе проведенных исследований разработан метод прогнозирования уровня воды в действующих водохранилищах, включающий построение гидрографа методом аналогий, построение зависимости объема воды в водохранилище от напора в верхнем бьефе, измерение составляющих водный баланс водохранилища, расчет Кзер и дискретный расчет режима водохранилища.

Таблица 2.

Результаты определения коэффициента фильтрации пород плотин на дражных полигонах НММР

Место Дата Номер Напор Напор в Кф •

опреде- опреде- плотины в верх- нижнем опреде- опреде-

ления ления нем бьефе, ленный ленный

бьефе, Иг' м прибо- через

Иг м ром водный

КФЗ, баланс,

м/ч м/ч

р.М.Урюм 10.07.85 16 4,6 2,5 0,04-0,13 42,5

ПО "За- 12.08.85 17 5,1 2,7 43,2

байкалзо- 01.10.86 14 5,5 2.3 26,8

лото" 01.10.86 15 6,3 2,1 26,5

02.10.86 12 3,3 2,7 53,4

15.10.86 17А 1,5 0,4 43,1

р.Дубакит 14.08.86 - 4,0 2.0 0,06 3,2

ПО "Амур-

золото"

р.Б.Уль- 09.10.86 7 5,0 2,7 0,08-0,21 8,3

дегит, ПО

"Амурзо-

лото"

С учетом полученных экспериментальным путем значений Кэ<р для типичных полигонов (см.табл.2) и с использованием разработанного метода прогнозирования уровня воды выполнены исследования динамики водохранилища при двух основных технологических задачах: защита переходящих талых запасов от сезонного промерзания затоплением и обеспечение плавучести драги в течение промывочного сезона.

На рис.2 представлен полученный расчетом ход опорожнения водохранилища для месторождения, близкого по своим параметрам к месторождению-модели. Из рис.2 можно сделать важный для практики вывод: скорость понижения уровня водохранилища весьма существенно зависит от напора, а к моменту прекращения поверхностного стока (притока в водохранилище) уровень водохранилища практически не зависит от его первоначальной глубины.

18

Календарное брчмя

Рис.2. Динамика опорожнения водохранилища в осенне-зимний период при типичном гидрографе и различных первоначальных напорах Ио1 (длина плотины = 200м; продольный уклон долины 3 = 0,010; напор в нижнем бьефе /?2 постоянен и равен 1 м; при К}<р = 40 м/ч расчет выполнен для одного варианта при = 4 м).

--X--гидрограф;

- - напор при Кэф — 10 м/ч;

----обьем воды V при Кзф= Ю м/ч;

-----напор /т< при = 40 м/ч;

..........объем воды V при 40 м/ч.

В стремлении повысить надежность предохранения прибегают к сооружению выше основного водохранилища одного или двух дополнительных водохранилищ, предназначенных для подпитывания нижнего водохранилища после прекращения поверхностного стока. Для оценки эффективности такого приема выполнены расчеты по динамике опорожнения трех водохранилищ при = 10 м/ч,/»0( = =4м и расстоянии между плотинами 300 м. Показано, что полный уход воды из нижнего водохранилища происходит на 10-12 дней позднее, чем при одном водохранилище. То есть, при заложенных в модели фильтрационных свойствах плотин увеличение количества водохранилищ до двух-трех не решает проблему предохранения от промерзания. А.В.Рашкин (1989) путем аналитических исследований приходит к еще более жесткому выводу о том, что при коэффициенте фильтрации пород, слагающих плотину, более 0,5 м/сут надежное предохранение затоплением невозможно без применения дополнительных средств.

При поблочной системе разработки с заблаговременным сооружением плотин возникает вопрос о величине необходимого притока в водохранилище, обеспечивающей беспрепятственный переход драги из одного блока в другой. С использованием разработанного метода прогнозирования уровня водохранилища в диссертации получено семейство кривых, представляющих зависимость необходимого притока от напора в верхнем бьефе для различных величин кзср плотин. Показано, что с увеличением Кз<р и напора резко возрастает минимально необходимый приток в водохранилище, достигая в особо неблагоприятных условиях величины 4 м3 /с.

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАЗРАБОТКИ НММР

Новая технология горных работ, на создание которой направлена настоящая диссертация, должна отвечать следующим основным требованиям: драга должна быть обеспечена готовыми к выемке запасами в течение всего промывочного сезона; продолжительность промывочного сезона должна быть увеличена за счет мая-июня, которые в настоящее время на многих драгах не являются рабочими; необходимо исключить потери песков в целиках под плотинами;

потребление свежей воды должно быть сокращено в несколько раз.

Для достижения перечисленных требований предполагалось использовать следующие идеи:

- особенности НММР не только не должны препятствовать ведению горных работ, но, напротив, - способствовать этому;

- усовершенствование технологии следует вести по пути создания максимально благоприятных условий для использования при подготовке полигона тепла солнечной радиации и других эффективных способов водно-тепловой мелиорации;

- технологию подготовки желательно иметь настолько гибкую, чтобы простыми и непродолжительными операциями можно было бы компенсировать возникающие отклонения от средних климатических и горногеологических условий;

-желательно иметь дешевый теплоизоляционный материал разового применения для защиты пород от сезонного промерзания.

Предлагаются следующие основные принципы интенсивной разработки НММР.

Продольные хода. Выше было показано отрицательное влияние

затопления части дражного полигона в теплый период на ход естественного оттаивания. Причем, чем шире полигон, тем больше находящаяся под затоплением площадь и тем длительнее период пребывания этого участка под водой. Используя наличие продольного уклона, можно уменьшить и площадь затопления, и его продолжительность, если перейти на отработку НММР продольными ходами с шириной хода, близкой к ширине забоя драги. Целесообразность перехода к продольным ходам с точки зрения повышения роли солнечной радиации для оттаивания полигона подтверждается с помощью предложенного в настоящей работе показателя использования солнечного тепла Р на площади полигона , погашаемой в течение одного сезона: / _ _

/,= 5"ГЛ ГыЪ, (5)

где площади частей полигона, находящихся под радиационной

оттайкой, м ; Тп1 - среднесуточная температура поверхности пород на данных частях, °С; Ть- продолжительность периода с данной Тш, сут.

Так как площадь, находящаяся под действием радиационного оттаивания, ступенчато по мере перекрытия плотин уменьшается, то показатель Р представляет собой усредненное количество градусо-суток на 1 мг погашаемой за сезон площади (без учета градусосуток

под водой). Для месторождения-модели Р = 786 град.сут. при поблочной системе разработки, а при разработке продольными ходами Р =1513 град.сут.

Чередование отрабатываемых ходов. Принцип разработки НММР продольными ходами реализуется при определенной последовательности ходов драги, зависящей от средней ширины россыпи, ее выдержанности и типа драги (ширины забоя). Широкие участки россыпи необходимо и целесообразно отрабатывать чередующимися ходами (рис.3). Такая последовательность отработки позволяет на каждом из продольных ходов вести назависимо друг от друга операции по вскрышным работам, радиационному оттаиванию и драгированию, а также размещать основные объемы торфов в выработанном пространстве. Если требуется соблюсти общее направление движения драги, то количество ходов должно быть нечетным при любой ширине россыпи. Так как реальная россыпь имеет изменчивую ширину, то предлагается система разработки чередующимися ходами на участках определенной длины. Для участков, позволяющих разместить пять и более ходов, получено выражение минимально необходимой длины участка ¿, , при которой подготовительные и добычные работы беспрепятственно совмещаются во времени и пространстве,

где - нормативное опережение подготовительных работ перед добычными (для НММР, как правило, 1н = 1 год); - годовая производительность драги; Н- количество продольных ходов; В -средняя ширина хода; />„ - мощность драгируемых песков.

В диссертации даны схемы отработки продольными ходами реальных россыпей с различной изменчивостью ширины россыпи.

Переменная мощность дражного хода. Основной недостаток естественного оттаивания - его пассивный характер, невозможность увеличения скорости оттаивания. Вместе с тем, такие особенности НММР, как малая мощность пласта, большая протяженность месторождений, значительное расстояние продвижения драги в течение промывочного сезона могут частично компенсировать этот недостаток и содействовать своевременной подготовке полигона, если выполнять одно условие - мощность драгируемого массива в любой точке дражного хода должна быть равной глубине естественного оттаивания на дату подхода драги в данную точку. То есть, драж-

-е

ш

ш)-*- И

/ —? Ш)

IV Ш]- чу»

1 ^ 1Я (Ш

^— 1 ^-(ПЕК

шЬ- 1 ш)—;

ъ

_ - участки повторной разработки

Г%7 " место и номер зимней стоянки драги 1-Ш - номера продольных ходов .

Рис.3. Схема разработки участков россыпи различной ширины продольными чередующимися ходами.

ный ход должен иметь переменную (увеличивающуюся) мощность по длине. Форму поверхности дражного хода на участке с переменной мощностью можно найти из сопоставления скорости оттаивания со скоростью увеличения мощности пород Ьд по длине хода Ь :

Ит(с)=Ь9(1). ГО

Так как скорость увеличения мощности пород должна соответствовать скорости оттаивания, то выражение (7) будет иметь вид нелинейного интегрального уравнения:

Ьт (%£,(*)<**) (8)

где В - ширина хода, <2^ - производительность драги.

Приближенное решение этого уравнения можно получить при линейных функциональных зависимостях кг (г) путем деления отрезка времени "ЕЪ-ТК на п равных частей (рис.4 а). Допустимое продвижение драги за промежуток времени д? определится из выражения:

ЪЛ+Ь«-» , (9)

Пда-О

где ____Нт1 - Ита-1) (10)

кат

При проектировании сначала строят кривую Иг(т) , затем с использованием выражений (9) и (10) строят кривую (рис.4 б). Далее по длине хода намечают оси будущих плотин и придают кривой ступенчатую форму (рис.4 в), чтобы учесть замедление скорости оттаивания после затопления участка.

Предложенное техническое решение защищено в 1984 г. а.с. N 1195726. Независимо от него А.В.Рашкин (1985) пришел к выводу, что в пределах определенной зоны "мощность вскрыши может быть переменной". Этот вывод принципиально близок к предложенному решению.

Исключение заблаговременного сооружения плотин. Заблаговременное сооружение плотин на мерзлом основании приводит к потерям песков в целиках до 10-12 % от балансовых запасов. При отработке россыпи продольными ходами целики можно исключить если отказаться от заблаговременного сооружения плотин на мерзлых песках. При движении драги по восстанию россыпи плотину рекомендуется строить за драгой на участке между галечным отва-

Календарное 5ремя,нес.

VI УН VIII 1У У

О I 1

н.1 I ! I?

!_Г<

Н

гг.

сз

А,

т-г

а

Рис.4. К расчету линии поверхности переменной мощности дражного хода'и схема придания ему ступенчатого вида.

лом и выносными колодами. Такой прием снижения водопроницаемости плотин известен давно, а при работе драги продольным ходом он легко реализуется благодаря небольшой длине плотины. В диссертации для условий месторождения-модели построена зависимость удельных затрат на водообеспечение дражного разреза Рв от величины перепада уровней воды между верхним и нижним бьефом &И. Рв представлены как количество часов работы бульдозера какой-либо марки, необходимое для обеспечения продвижения драги вдоль дражного хода на 1 пог.м:

Ив~ ЛИ ' (11)

гдеТ- количество часов работы бульдозера на сооружении плотины;

9 - продольный уклон дражного хода, тыс.доли. Зависимость Рв(лЬ) имеет явный минимум в области значений дк = =1,5т2,0 м.

При движении драги по падению россыпи проблема водообеспе-чения дражного разреза решается проще путем сооружения плотины на талых песках.

Предложенный способ водообеспечения дражного разреза не только исключает потери песков в целиках, но и повышает надежность поддержания драги на плаву при непредвиденном поднятии отметок плотика.

Подготовка переходящих запасов комбинированными способами. В диссертации убедительно показано, что низкие технико-экономические показатели драг в решающей степени вызваны неудовлетворительным качеством подготовки переходящих талых запасов. По мнению автор'а, решать эту проблему целесообразно по двум направлениям.

Первое направление - создание комбинаций из существующих способов защиты от промерзания. Причем, комбинирование из двух или трех способов должно приводить к исключению отрицательных сторон каждого из этих способов в отдельности и давать в целом положительный эффект. Второе направление - создание дешевого пенного теплоизоляционного материала, получаемого на месте использования.

Для создания комбинированных приемов подготовки переходящих запасов выбраны затопление, создание искусственных су -

шенцов и укладка на поверхности талого массива слоя рыхлых обезвоженных пород.

Для оценки эффективности любого комбинированного способа подготовки переходящих запасов предложен критерий - количество суток от даты наступления положительных среднесуточных температур воздуха до даты готовности переходящих запасов к драгированию.

По этому критерию в диссертации оценены два предложенных комбинированных способа подготовки переходящих запасов. Первый способ, защищенный а.с. N 1591568, включает создание по длине подготавливаемого участка чередующихся углублений и навалов рыхлых пород на талый массив. Углубления на зимний период затапливаются. Применение этого способа позволяет ускорить пуск драги по сравнению с обычным затоплением на 40 суток. Второй способ пригоден на россыпях, где исключено затопление на зимний период, По этому способу предлагается в осенний период вдоль дражного хода в его пределах создавать углубления с оставлением в приплотиковой части слоя песков около 1 м, а вынимаемые при углублении пески укладывать на целиковую часть с целью ее защиты от сезонного промерзания. Пуск драги в работу при этом возможен 15 июня или на 60 суток раньше, чем при отсутствии мероприятий по предохранению переходящих запасов. В зиму 1992-93 г.г. этот способ был успешно испытан на полигоне драги N 165 Ксеньевского прииска.

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ПОРОД ОТ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ПЕННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Теплоизоляционный материал должен выдерживать отрицательные температуры в течение периода эксплуатации, противостоять выдуванию ветром и усадке и изготавливаться на месте применения с расчетом на одноразовое использование. В качестве идеи были заимствованы первые небольшие опыты ВНИИГ по получению пенольда на пожарном оборудовании и быстротвердеющей полимерной пены.

Были проведены исследования по генерации жидких пен и выбран способ перемешивания раствора вспенивателя с воздухом в

длинном рукаве при движении смеси в турбулентном режиме. Исследования на стенде показали, что генератором пены может служить канал, например, резиновый рукав, имеющий отношение длины к диаметру не менее 1000.

Так как пена является системой неустойчивой и в ней с момента получения возникают процессы синерезиса, диффузионного переноса газа через пенные пленки и коалесценции, заканчивающиеся полным ее разрушением, то дальнейшей задачей был поиск путей стабилизации пены хотя бы на период эксплуатации в течение зимнего периода. Для водно-воздушной пены (ВВП) был избран путь замораживания, а для быстротвердеющей полимерной пены (БТП) -быстрой полимеризации введением окислителя.

Чтобы получить ВВП с требуемыми эксплуатационными свойствами, необходимо заморозить пену без истечения из нее жидкой фазы и сохранением первоначальной дисперсности. Б.В.Левинский (1985) установил, что выполнить это условие можно при замораживании пены тонкими (5-10 мм) слоями, и получил зависимости предельно допустимой толщины слоя замораживаемой пены от температуры воздуха, кратности пены и ее теплопроводности. На практике эти требования удалось выполнить за счет дробления струи пены на мелкие частицы и непрерывного перемещения конца пено-генерирующего рукава по челночной схеме вдоль покрываемой за-ходки длиной 50-500 м. Получена полуэмпирическая формула для максимально допустимой производительности пеногенераторной станции по раствору Q при кратности пены в пределах 17-20:

а - МбЛТвз!

и ~ LnWOHiim ' (12)

где ¿- длина заходки, м; ¿- ширина заходки, м; Л- теплопроводность замерзшей пены, Вт/(м-К); Тез ~ температура воздуха, "С; Ln --удельная теплота плавления льда, Вт-ч/кг; Heim - предельно допустимая толщина слоя пены, м.

Технология получения БТП более проста, и исследования велись в направлении совершенствования аппаратуры для получения пены и ввода отвердителя (кислоты). При этом главная цель заключалась в борьбе с отложением полимера на внутренних стенках камер.

ВВП склонна к усадке, которая приводит к снижению термического сопротивления против первоначального в 2-3 раза. Причиной усадки являются термодинамическая нестабильность на ячеистой поверх-

ности льда и разность температур в толще ВВП, что создает градиент упругости водяного пара и его интенсивный перенос из нижних слоев в верхние. Для замедления процесса усадки был выбран путь консервации ячеистой структуры путем введения добавок в пенооб-разующую композицию, которые образуют тончайшие пленки в замерзшей пене на поверхности твердое тело - газ. Предварительные эксперименты в холодильной камере по измерению интенсивности возгонки паров воды с поверхности различных образцов показали, что наиболее перспективными веществами в качестве добавок являются кремнийорганические жидкости. Дальнейшие опыты по определению коэффициента переноса водяного пара по высоте образца в натурных условиях (табл.3) и установлению скорости усадки ВВП различного состава позволили установить, что наиболее эффективной добавкой может служить ГКЖ-94.

Таблица 3

Значение коэффициента переноса водяного пара из нижних слоев

в верхние для образцов высотой 20 см и среднем градиенте температуры по высоте 42 °С/м (продолжительность эксперимента 74 суток, средняя температура в образцах минус 18 °С)

Состав образца Средний поток водяного пара, 10е г/см2, с Коэффициент переноса водяного пара, смг/с

Снег 15,52 0,378

ВВП (Волгонат 0,1%, остальное вода) 9,79 0,239

ВВП (Волгонат 0,1% + ГКЖ-94 0,003 %, остальное вода) 5,66 0,138

В ходе промышленного внедрения ВВП было установлено, что слой пены после первичной усадки приходит в состояние "устоявшейся" плотности, величина которой зависит от средней за период ее эксплуатации температуры воздуха. Причем, ВВП без добавки кремнийорганической жидкости имеет "устоявшуюся" плотность на 35-40 % больше, чем с ней (рис.5).

«п 26!)

601___1__1_I-1-40 -зо -го -10

Температура, "с

Рис.5. Зависимость "устоявшейся" плотности ВВП от средней за период эксплуатации температуры воздуха. 1 - ВВП без ГКЖ-94; 2 - ВВП с ГКЖ-94.

БТП можно укладывать на поверхность грунта при положительной температуре воздуха, поэтому влажный пенопласт успевает высохнуть до воздушно-сухого состояния за 5-7 суток. В таком виде БТП имеет теплопроводность 0,025 - 0,030 Вт/(м-К). В зимний период наблюдается постепенный рост обьемной льдистости БТП до 30 кг/м3 за счет переноса пара из грунта.

Теплофизические свойства ВВП и БТП исследовались в широком диапазоне температур (до минус 50 °С) и плотностей. Для определения тепло- и температуропроводности использован метод цилиндрического зонда постоянной мощности с измерением параметров нестационарного температурного поля в первой стадии его развития. Была проведена также серия измерений теплопроводности ВВП стационарным методом с использованием в качестве эталона жесткого пенопласта с известными свойствами. На основании нескольких сотен измерений получены следующие выражения для определения теплопроводности пенных материалов: ДЛЯ ВВП , с- . „ „.

Л = (0,0Ь6 + 8, ы-10 У -чь)[о,чь + ЧкГ0'*)} (13)

где у- плотность, кг/м3 ; i - средняя температура, °С;

ДЛЯ БТП -V ■ А

Л ~ 0,027+ иГ +1,5-10 ± , (14)

где Ы- объемная льдистость, кг/м3; t - средняя температура, °С.

В диссертации подробно освещены вопросы санитарной охраны водотоков при использовании ВВП. Специфическим ингредиентом сточных вод является вспениватель (алкилсульфонат натрия). Для рек рыбохозяйственного значения и на участках водозабора для пользования населения ПДК этого вещества составляет 0,5 мг/л. По экологическим соображениям к применению ВВП рекомендуется прибегать в тех случаях, когда другие способы подготовки переходящих запасов не могут обеспечить требуемое качество предохранения от промерзания, а объем получения ВВП -сводить к минимуму.

ОБОСНОВАНИЕ ТИПОВЫХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ ДРАЖНЫХ ПОЛИГОНОВ

При подготовке НММР можно выделить две основные особенности. Во-первых, пласт можно оттаять за один сезон, а полностью подготовить и отработать участок с учетом вскрышных работ - за два сезона. Во-вторых, ключевое значение для показателей работы драги имеет качество подготовки переходящих талых запасов. В целях удобства проектирования горноподготовительных работ предлагается дражный ход, отрабатываемый драгой в течение одного промывочного сезона, разделить на два участка: переходящий, на котором в предшествующем драгированию году производят какие-либо мероприятия по снижению теплопотерь в холодный период, и текущий, на котором пески оттаивают в том же году, в котором их и драгируют. Для разработки и обоснования типовых схем подготовки полигонов все НММР предложено разделить на три группы. В качестве основного признака, по которому производится деление, принято качество предохранения переходящего участка от промерзания затоплением. Группы представлены следующими типами месторождений:

- месторождения, на которых переходящий участок удается ежегодно готовить затоплением на зимний период;

- месторождения, на которых затопление не обеспечивает необходимого качества предохранения и требуются дополнительные меры либо по снижению теплопотерь зимой, либо по ускорению

оттаивания весной;

- месторождения, на которых затопление технически невозможно либо нецелесообразно.

Для месторождений первой группы рекомендуется естественное оттаивание и затопление переходящих талых запасов. Мощность драгируемых пород как на переходящем, так и на текущем участках может быть одинаковой и составлять около 90 % от максимальной глубины оттаивания. Весьма важным является вопрос о количестве плотин и начальной глубине затопления на переходящем участке. В любом случае не следует стремиться к созданию больших (5 м и более) напоров.

К месторождениям второй группы относится большая часть всех НММР с различной степенью надежности зимнего затопления. В диссертации дано обоснование нескольких типовых схем подготовки переходящего участка. Наиболее универсальна схема, включающая подготовку переходящего участка с затоплением углубляемых частей полигона и с созданием навала рыхлых пород на целиковых частях, а подготовку текущего участка - приданием дражному ходу переменной мощности. Возможны комбинированные способы подготовки переходящего участка с применением неглубокого затопления с последующей укладкой ВВП на лед, а также с укладкой ВВП на навал рыхлых пород и на лед углубленных и затопленных частей.

Месторождения третьей группы обычно имеют большой (0,010 и более) продольный уклон, быстро прекращающийся поверхностный сток в начале зимы и сложены породами с высокой водопроницаемостью. Любые попытки затопления приносят только отрицательные последствия. Для подготовки переходящего участка в таких условиях рекомендуется деление дражного хода в осенний период на две продольные ленты - углубленную и возвышенную (за счет навала песков). Текущий участок готовится приданием ему переменной мощности. Типовые схемы включают также применение ВВП и БТП на подготовке переходящего участка. В отдельных случаях (малая мощность пласта) целесообразен отказ от создания переходящего участка.

В диссертации дан графоаналитический метод определения границы между переходящим и текущим участками при проектировании.

Если по каким-либо причинам подготовка переходящего участка

не удалась, предлагается способ ускоренной подготовки полигона. Суть способа заключается в том, что ранней весной промерзшему переходящему участку послойным оттаиванием или с применением рыхления придают переменную мощность с соблюдением изложенных выше принципов о готовности драгируемой толщи к моменту подхода к ней драги. Для определения рациональной даты пуска драги В.А.Плюсниным получено следующее соотношение:

при Че = 2. ; (16)

!м +

где Ус - ущерб от простоя драги за одни сутки, р.; - мощность слоя удаляемых пород на первой ступени, м; 1ГМ - средняя скорость углубления при частоте снятия талого слоя, обеспечивающей максимальную производительность бульдозера, м/сут; средняя скорость форсированного углубления с низкой производительностью бульдозера, м/сут; Уу<р - объем удаляемых пород при скорости углубления Iм3 ;3<р,3м- приведенные затраты на 1 м* удаляемых пород соответственно при скоростях углубления ~\Г<р и ~][м , р.; Ьпаст -годовые условно-постоянные расходы по драге, р.; Е - нормативный коэффициент эффективности основных фондов, Е= 0,15; Ф -производственные фонды по драге, р.; Тм ,Т<р- продолжительность сезона работы драги при отработке полигона, подготовленного соответственно со скоростями углубления Ум и \Г<р, сут.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

В 1972-82 годах на приисках Амура, Забайкалья, Лены и Якутии внедрены пенные теплоизоляционные покрытия на общей площади около 500 тыс.м^ с экономическим эффектом 1763 тыс.р. В 1990 г. продана лицензия на технологию защиты дражных полигонов комплексом "пена на лед" стоимостью 1130 тыс.швейцарских франков.

В 1983-88 годах внедрена технология ускоренной подготовки и придания дражному ходу переменной мощности на шести дражных полигонах ПО "Забайкалзолото" и "Лензолото" с суммарным экономическим эффектом 1910 тыс.р.

В 1991 году Ксеньевским прииском и институтом Иргиредмет

учреждено Государственное научно-производственное малое предприятие "Чалдонка" на базе двух 250-литровых драг, где реализованы следующие элементы новой технологии:

1) разработка НММР продольными ходами;

2) придание дражному ходу переменной мощности;

3) отказ от заблаговременного сооружения плотин на мерзлом основании и поддержание драги на плаву плотинами с малым (1-2 м) напором воды;

4) подготовка переходящего участка без затопления с созданием углубления и навала рыхлых пород.

Внедрение новой технологии позволило поднять добычу золота в 1992 году на 67 % по сравнению с предыдущими годами без увеличения затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований решена имеющая важное народнохозяйственное значение научная проблема -теоретически обобщена существующая технология и научно обоснованы пути повышения эффективности дражных разработок НММР на основе разработки комплекса технологических процессов, обеспечивающих интенсификацию горных работ за счет более полного использования естественных источников тепла для оттаивания и средств предохранения оттаявших пород от промерзания.

Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Установлено, что существующая ныне технология разработки НММР крупными блоками не обеспечивает необходимое качество подготовки мерзлых песков к выемке, что приводит к потерям золота в нижней наиболее богатой части пласта, оставлению целиков под плотинами, к большому потреблению чистой воды. Низкие показатели работы драг на НММР носят массовый и постоянный характер, что диктует необходимость проведения комплексных исследований по всем технологическим операциям горной технологии.

2. Обоснована и предложена модель дражного полигона НММР и модель существующей системы разработки с водно-тепловой под-

готовкой пород к драгированию. На основании наблюдений за температурой поверхности пород под водой для условий модели выполнены исследования процесса промерзания-оттаивания в годовом цикле для четырех сечений по длине дражного полигона, которые показали, что потери тепла за зимний период превышают приток тепла в летнее время к моменту драгирования пласта в трех сечениях. Таким образом, доказано что низкие технико-экономические показатели работы драг не случайны, а теоретически объяснимы и неизбежны.

3. Разработан метод прогнозирования уровня воды в дражном водохранилище и проведены измерения водного баланса восьми водохранилищ на трех месторождениях, которые показали, что водопроницаемость плотин в сотни раз превышает водопроницаемость образцов породы, из которых плотины сооружены, и колеблется в пределах 3-50 м/ч. С использованием разработанного метода прогнозирования и полученных значений водопроницаемости плотин проведены расчеты хода опорожнения водохранилища с различным первоначальным напором. Установлено, что скорость опорожнения в значительной степени зависит от первоначального напора (его задавали от 3 до 8 м), а уровень воды в водохранилище к моменту прекращения поверхностного стока (1 декабря) практически не зависит от первоначального напора и превышает отметку воды в нижнем бьефе на 0,3-0,8 м. То есть, увеличение объема водохранилища за счет увеличения его глубины не приводит к улучшению качества защиты пород от промерзания. Показано также, что увеличение количества водохранилищ до двух-трех сдвигает дату полного ухода воды из водохранилища на 6-12 суток.

Получена зависимость минимально необходимого притока в дражный разрез от требуемого напора. Зависимость получена в виде семейства кривых для различных значений К*р.

4. Сформулированы и научно обоснованы принципы новой технологии разработки НММР, включающие:

- разработку россыпи продольными чередующимися ходами, расположенными в пределах участков, длина которых зависит, от ширины россыпи, способа подготовки и мощности драги;

- придание дражному ходу переменной мощности по его длине. Оставляемая для драгирования мощность массива в любой точке хода должна быть равна глубине естественного оттаивания на дату

подхода драги к данной точке;

- переход на сооружение низконапорных (1-2 м) плотин на талых песках;

- использование комбинированных способов снижения теплопо-терь на переходящих талых запасах, включающих неглубокое затопление, создание навалов рыхлых пород, осушение массива на зимний период, применение искусственных теплоизоляционных материалов;

5. Проведен комплекс исследований и опытно-промышленных работ по созданию пенных теплоизоляционных материалов для дражных полигонов. Разработана технология получения слоя замерзшей ВВП при различных внешних условиях. Получена зависимость производительности пеногенераторной станции от температуры воздуха и длины заходки. Выявлен механизм разрушения и уплотнения ВВП в процессе эксплуатации и найден способ торможения этих явлений путем введения низколетучих кремнийорганических соединений. Исследованы теплофизические и эксплуатационные свойства ВВП и БТП в лабораторных и полевых условиях. Разработан комплекс мероприятий по санитарной охране водотоков при использовании ВВП,

6. В целях упорядочения проектирования разработки НММР предложено деление дражного хода на переходящий и текущий участки, а всех месторождений на три группы:

- месторождения, на которых затопление ежегодно решает проблему подготовки переходящего участка;

- месторождения, на которых затопление обеспечивает подготовку переходящего участка лишь частично и требуются дополнительные мероприятия по снижению теплопотерь на защищаемой от промерзания площади;

- месторождения, на которых затопление переходящего участка технически невозможно либо нецелесообразно.

Для каждой группы предложены и обоснованы типовые схемы подготовки дражного полигона. Разработан графоаналитический метод определения границы между переходящим и текущим участками на стадии проектирования.

7. Разработанные технические решения прошли достаточно широкую промышленную проверку на предприятиях ПО "Якутзоло-то", "Лензолото", "Амурзолото" "Забайкалзолото", "Приморзолото" с

1972 года. К 1989 году суммарный фактический экономический эффект составил 3,6 млн.р. С 1991 года начато комплексное использование всех основных принципов новой технологии в научно-производственном малом предприятии "Чалдонка" Ксеньевского прииска. В 1992 году добыча золота двумя 250-литровыми драгами возросла на 67 % по сравнению с предыдущими годами без увеличения затрат.

По материалам исследований получено 14 авторских свидетельств на изобретения. Внедрено 11 изобретений.

Предложенная в диссертации технология легко реализуется на всех без исключения НММР, не требует применения специальной техники и может существенно улучшить сложившиеся технико-экономические показатели каждой драги. Некоторые положения предложенной технологии вполне приемлемы и полезны на разработке талых россыпей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах.

1. Пятаков В.Г., Ведяев Ю.М., Сафонов В.Ф. и др, Применение водно-воздушных пен в качестве теплоизоляции при отрицательных температурах/НТО Минцветмета СССР.-Иркутск.-1972.-28 с.

2. Пятаков В.Г., Сафонов В.Ф., Ведяев Ю.М. Процессы метаморфизма в замерзших водно-воздушных пенах//Всесоюз.науч,-техн.конф. "Пены. Получение и применение".-М.,-1974.-Т.1.-С.151-154.

3. Использование водно-воздушной пены для предохранения грунта от сезонного промерзания (временная инструкция)/В.Г.Пятаков, В.Ф.Сафонов и др.-Иркутск, 19^6.-44 с.

4. Левинский Б.В.. Сафонов В.Ф., Пятаков В.Г. и др. Получение и применение пен в качестве теплоизоляторов при производстве горных и строительных работ в суровых климатических условиях//VII Международный конгресс по поверхностно-активным веществам, Москва. Труды. Секция С. Т.З.-М., Внешторгиздат.-1978.-С.348-358.

5. Пятаков В.Г., Левинский Б.В. и др. Применение пенистых теплоизоляторов для предохранения дражных полигонов от промер-зания.-М., Цветметинформация, 1979.-44 с.

6. Сафонов В.Ф., Пятаков В.Г., Левинский Б.В. Пути повышения

эффективности замерзающих пен при тепловой мелиорации грун-тов//Техногенные ландшафты Севера и их рекультивация.-Но-восибирск: Наука, 1979.-С.117-123.

7. Красильников Ю.В., Пятаков В.Г., Кубасов В.А. Комбинированный способ защиты талых песков от промерзания//Горный журнал.-1982. -N 10.-С. 19-21,

8. Руководство по подготовке дражных полигонов с применением теплоизолирующей водно-воздушной пены/Пятаков В.Г., Левинский Б.В.-Иркутск.-1986.-67 с.

9. Руководство по подготовке и отработке многолетнемерзлых дражных полигонов/Под общ.ред.В.Г.Пятакова.-Иркутск: Изд-во Ирк.ун-та, 1990.-152 с,

10. Blinnikov F.I., Zamyatln O.V., Pyatakov V.G. et al. Estimation of reserves of tecknogenic placers and experience of their mining in the USSR//Alluvial Mining Conference.-London, 11-13 November, 1991.-19 c.

11. A.c. 585851 СССР, МКИ A62C 5/04. Пеногенератор/В.Г.Пятаков, В.Ч.Реутт, Ф.Н.Петухов, В.Ф.Сафонов, Ю.М.Ведяев и В.А.Москвитин (СССР). Заявлено 27.03.73; Опубл.ЗО.12.77, Бюл.И 48.-2 с.

12. A.c. 713022 СССР, МКИ В05В 13/00. Устройство для нанесения теплоизолирующей замерзающей пены/В.Г.Пятаков, А.А.Медунин, В.Ф.Сафонов (СССР). Заявлено 30.05.78; Не публ.-8 с.

13. A.c. 964149 СССР, МКИ Е21С 41/14. Способ теплоизоляции грунтов / Б. В. Л еви некий, В.Г.Пятаков, В.Ф.Сафонов, Ю.В.Красильников (СССР). Заявлено 24.12.79; 0публ.07.10.82, Бюл.Ы 37.-3 с.

14. A.c. 1041310 СССР, МКИ B29D 29/00. Установка для получения пенопластов/В.Г.Пятаков, А.А.Медунин, В.Ф.Сафонов, Б.В.Левинский (СССР). Заявлено 14.12.81; Опубл.15.09.83, Бюл.Ы 34.-3 с.

15. Pat. 4199547 (USA). Device for producing foam plastics./Levinsky B.V., Pyatakov V.G., ttal.-I.C1. B01j 8/00. Publ.22.04.80.

16. Пат. 1195726 СССР. МКИ E21C 45/00. Способ разработки мерзлых россыпей/В.А.Плюснин, В.Г.Пятаков (РФ).Заявлено 06.04.84; Не публ.-8 с.

17. Пат. 1591568 РФ, МКИ Е21С 41/00. Способ подготовки многолетнемерзлых россыпей к драгированию/В.Г.Пятаков, И.И.Михайлов, В.А.Плюснин, В.В.Фандеев, Ю.В.Красильников (РФ). Заявлено

08.06.90; Не публ.-З с.

18. Заявка на изобр. 4837188/03 РФ, МКИ Е21С 41/30. Способ дражной разработки широких россыпей/В.Г.Пятаков, В.А.Плюснин (РФ). Заявлено 08.06.90; Положит.решен.24.09.91.

2<. а.ж.

Обьем 2 п.л. Тираж 100 экз

Иркутский ЦНТИ