СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВЕЧНОМЕРЗЛОГО ГРУНТА К РАЗРАБОТКЕ
METHOD TO PREPARE PERMAFROST SOIL FOR DEVELOPMENT

Изобретение относится к области производства земляных работ при вскрышных работах, рытье котлованов и траншей в условиях вечномерзлого состояния грунта.
Известен способ гидравлического оттаивания мерзлых пород, включающий удаление почвенно-растительного слоя на оттаиваемом участке, на котором затем сооружают питающую и дренажную канавы, пробуривают между ними скважины, заливают в них водный раствор NaCl, закладывают в них заряды взрывчатого вещества, производят взрывание и получают наклонные фильтрационные каналы, по которым от питающей к дренажной канаве пропускают подогретую за счет солнечной энергии воду, и таким путем размораживают мерзлую породу (RU №2380488, E02F 5/30, F42D 99/00, 2010 г.).
Недостатком известного способа является сложность технологии подготовки грунта к оттаиванию, высокая трудоемкость и стоимость работ (устройство глубокой дренажной канавы в мерзлом грунте, бурение скважин, приготовление соляного раствора, закладка зарядов, затраты на ВВ, NaCl, эксплуатацию бурового оборудования и др.).
Прототипом заявляемого изобретения является способ подготовки мерзлого грунта к разработке путем распределения воды на поверхности грунта под снеговой покров, предварительно разделив подлежащий размораживанию участок на параллельные горизонтальные полосы шириной 10-15 м, а с низовой стороны каждую полосу ограничивают валиком уплотненного снега высотой 0,2-0,4 м. Каждую полосу разделяют в поперечном направлении на захватки, соответствующие суточной производительности землеройной машины. С верховой стороны заливают холодную воду (с температурой +10-0°С). Через 1-4 суток снег с поверхности подготовленного участка счищают бульдозером и производят разработку грунта землеройной машиной. Размораживание мерзлого грунта и его переход из твердомерзлого в мерзлопластичное состояние происходит за счет явления скрытой теплоты льдообразования, происходящей при 0°С при фазовом переходе воды в лед с выделением 1 кг воды при замерзании примерно 335 кДж тепла, которое тем в большем количестве передается грунту, чем толще снеговой покров на размораживаемом участке (SU №503004, МПК Е02D 3/10, 1976 г.).
Недостатком известного способа является его низкая эффективность из-за недостаточности теплоты льдообразования находящегося в статическом состоянии небольшого по толщине слоя воды (до 0,1 м на горизонтальной поверхности), залитой и выдерживаемой до замерзания, а повышение слоя воды технически осложнено из-за трудностей ее удержания от растекания. К тому же вечномерзлые грунты содержат много льда и имеют в несколько раз более низкую температуру, чем грунты сезонного промерзания, поэтому технически возможное последовательное размораживание вечномерзлого грунта тонкими слоями с удалением размороженного грунта длительно и нетехнологично.
Задачей изобретения является упрощение технологии и организации работ по размораживанию вечномерзлого грунта и снижение их стоимости.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности размораживания вечномерзлых грунтов.
2
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что способ подготовки вечномерзлого грунта к разработке путем распределения воды по поверхности размораживаемого участка, согласно изобретению, после естественного оттаивания грунта на глубину 0,15-0,20 м оттаявший грунт удаляют, с образованием «корыта», а в него по поверхности размораживаемого участка пускают проточную воду из расчета протекания 5÷10 л/м поверхности в час. При этом подготовку вечномерзлого грунта осуществляют при температуре воздуха выше 0°С и температуре воды не ниже +1°С. Размораживание вечномерзлого грунта может реализовываться только в летний период при устойчивой температуре воздуха выше 0°С и при температуре воды не ниже +1°С.
Эти условия связаны с тем, что при температуре воздуха 0°С и ниже вода может остыть до 0°С и растерять часть скрытой теплоты льдообразования, а минимально допустимая температура воды +1°С гарантирует, что вода обладает полным потенциалом скрытой теплоты льдообразования.
2
2
Требование естественного оттаивания грунта на 0,15-0,20 м обусловлено необходимостью получения «корыта» после удаления этого слоя грунта бульдозерами для получения достаточного углубления над размораживаемым участком для пропуска по нему проточной воды. Распределение по участку проточной воды обеспечивает сначала ее охлаждение до 0°С с последующей постоянной отдачей мерзлому грунту протекающей водой части скрытой теплоты льдообразования. При этом, если объем протекающей воды будет меньше 5 л/час на один м поверхности, то из-за неоднородности потока воды над отдельными частями участка и существенному замедлению протекания воды вплоть до ее застоя, глубина размораживания грунта получается незначительной, что свидетельствует об исчерпании потенциала скрытой теплоты льдообразования медленно протекающей водой, а потому и снижению темпа размораживания грунта. При протекании воды в большем объеме чем 10 л/час на каждом 1 м поверхности участка, существенно снижается доля отдаваемой водой мерзлому грунту скрытой теплоты льдообразования, поэтому повышение расхода воды сверх указанного объема на участках небольшой длины не приводит к ускорению темпа размораживания грунта и является нецелесообразным.
Способ подготовки вечномерзлого грунта к разработке осуществлялся следующим образом.
2
Экспериментальная подготовка вечномерзлого грунта к разработке путем его размораживания была начата в первой половине июня 2010 года, приблизительно в 1100 км северо-восточнее Якутска в районе населенного пункта Усть-Нера. Естественное оттаивание вечномерзлого грунта (водонасыщенная смесь песка, гравия и крупнообломочных пород) к этому времени составило около 0,2 м. Оттаявший грунт был удален бульдозерами с последовательно расположенных трех участков-захваток размерами каждая 300×300 м, а в полученные углубления «корыта» по прорытой канаве от реки Нера была пущена по имеющемуся небольшому уклону самотеком проточная вода с температурой около +1 - +3°С при переменной среднесуточной температуре воздуха в пределах +5 - +10°С. По длине участков и в конце последнего участка после переполнения корыта протекшая по ним вода выливалась и по естественному уклону стекала в основном в реку Нера. Темп протекания воды в разных частях участков был различный, но в основном находился в пределах 5-10 л/час на 1 м поверхности. В результате применения этой технологии через 14 суток вечномерзлый грунт был разморожен на глубину 1,5 м с темпом примерно, 0,1 м/сутки в объеме 410 тысяч кубометров. Размораживание вечномерзлого грунта на такую глубину за это время произошло главным образом за счет скрытой теплоты льдообразования воды после ее охлаждения до 0°С и дальнейшего протекания над размораживаемым участком с отдачей значительной части этой теплоты грунту.
При необходимости дальнейшего размораживания грунта для разработки более глубоких выемок подачу воды прекращают, размороженный слой грунта разрабатывают, в образовавшийся котлован пускают воду и обеспечивают ее проточность, а после размораживания очередного слоя грунта подачу воды прекращают, воду из котлована удаляют, размороженный грунт разрабатывают, а далее порядок работы повторяется. В настоящее время предложенный способ подготовки вечномерзлого грунта к разработке находится на стадии опытных испытаний.
Актуальность снижения энергетических и других материальных затрат при разработке таких грунтов обусловлена растущей необходимостью выполнения больших объемов вскрышных земляных работ при устройстве карьеров приисков по добыче цветных металлов и других полезных ископаемых, при строительстве комплекса сооружений для добычи, транспортировки, переработки газа, нефти, при прокладке магистральных трубопроводов и др. в условиях крайнего Севера и на других территориях, где вечномерзлые грунты могут залегать на многометровую глубину.