СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗАЩИТНОЙ ПОДУШКИ НАД ОТРАБАТЫВАЕМЫМИ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ РУДНЫМИ ТЕЛАМИ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
ERECTION METHOD OF PROTECTIVE CUSHION ABOVE DEVELOPED VERTICAL ORE BODIES UNDER PERMAFROST ZONE CONDITIONS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке алмазосодержащих трубок Севера, верхняя часть которых отработана открытым способом.
Известен способ разработки кимберлитовых трубок, предполагающий при переходе с открытого на подземный способ дальнейшей отработки месторождения возведение на дне отработанного карьера искусственной бетонной подушки, защищающей рудник от проникновения поверхностных вод и динамических воздействий (от обрушающихся пород бортов отработанного карьера) [1] (прототип).
Основными недостатками бетонной подушки и способа ее возведения являются:
- высокие трудозатраты и значительная стоимость возведения;
- высокий расход завозимого цемента;
- сложность ведения и изоляции бетонных работ в дождливый период;
- сложность гидроизоляции приграничных участков подушки, прилегающих к бортам карьера в период летней оттайки пород;
- сезонный характер ведения бетонных работ (в короткий теплый период года);
- высокая жесткость бетонной конструкции, неисключающая возможность растрескивания при динамических воздействиях и температурных напряжениях;
- сложность и высокая опасность ведения бетонных работ в условиях повышенной обрушаемости оттаивающих пород и обводненности дна отработанного карьера в летний период.
Предлагается способ возведения защитной подушки над отрабатываемыми рудными телами в условиях криолитозоны, включающий формирование искусственного защитного сооружения в зимнее время, отличающийся тем, что вначале на дне отработанного карьера создают нижний замораживающий контур путем проходки зигзагообразных траншей и укладки в них труб большого диаметра. После чего на контуре последовательно возводят льдопородную насыпь путем послойного намораживания вскрышных пород, на которой для аккумуляции холода намораживают слой льда, настилают гидроизоляционный экран из морозостойкой полиэтиленовой пленки, которую засыпают слоем суглинка для защиты от механических повреждений, затем при достижении расчетной высоты конструкции формируют верхний замораживающий контур так же из труб большого диаметра, на котором возводят: теплоизоляционный слой из местных сыпучих материалов, гидроизоляционный экран, слой суглинка и покрывают вскрышными породами, при этом по мере создания защитной подушки производят нагнетание холодного воздуха по нижнему замораживающему контуру, а подачу охлажденного воздуха по верхнему замораживающему контуру производят в летнее время.
Требуемый технический результат предполагается получить при максимальном использовании климатических особенностей и естественных (природных) ресурсов криолитозоны:
- продолжительный зимний период с экстремально низкими температурами;
- наличие высокопотенциального атмосферного холода, запасы которого неисчерпаемы.
Немаловажными факторами являются также:
- наличие на горном предприятии отвалов вскрышных пород;
- большой опыт возведения ледопородных гидротехнических сооружений (дамб, плотин) в условиях Севера.
Введенный в формулу изобретения такой существенный признак, как использование ледопородного материала взамен бетонного для возведения льдопородной насыпи позволяет обойтись без использования привозного, дорогостоящего цемента и выполнения трудозатратных и небезопасных бетоноукладочных операций, что позволяет вести работы в течение длительного зимнего периода с использованием хорошо отработанных высокопроизводительных технологий, применяемых при возведении каменно-набросных ледопородных гидротехнических сооружений в криолитозоне (дамб, плотин).
Существенный отличительный признак заключается так же в том, что для ускорения возведения подушки и последующего поддержания ее в круглогодичном мерзлом состоянии используют малоэнергоемкие замораживающие контуры (верхний и нижний), где в качестве хладагента используют холодный атмосферный воздух в зимнее время и искусственно охлажденный в летнее.
Следующий отличительный признак заключается в том, что в качестве хладагента в замороживающих контурах применяют самый дешевый материал - атмосферный воздух, сокращая тем самым расходы на приобретение антифризов.
Существенным признаком является так же использование в качестве цементирующего материала льда, обладающего высокой теплоемкостью, что позволяет накапливать большой холодозапас в подушке в зимний период, расходуемый на компенсацию внешних теплопритоков (атмосферного и рудничного тепла).
Немаловажное значение имеет так же тот факт, что все основные работы производят в течение длительного зимнего периода. При этом так же обеспечивается высокая скорость возведения подушки, т.к. применяют хорошо отработанную в условиях Севера технологию, высокопроизводительную технику и, кроме этого, уложенный слой промороженных вскрышных пород, пролитый водой быстро замерзает при низких зимних температурах наружного воздуха.
Заявляемый способ поясняется двумя чертежами (Фиг.1 и Фиг.2). На Фиг.1 представлен план отработанного карьера с расстановкой всего оборудования для возведения защитной подушки, а на Фиг.2 - вертикальный разрез.
Условные обозначения, принятые на чертежах:
1 - дно отработанного карьера;
2 - зигзагообразные горизонтальные траншеи, нарезаемые на дне карьера;
3 - нижний замораживающий контур;
4 - возведенная защитная ледопородная насыпь;
5 - нагнетающий вентилятор;
6 - трубопровод для подачи холодного воздуха;
7 - намораживаемый слой льда;
8 - гидроизоляционный экран из морозостойкой полиэтиленовой пленки;
9 - слой суглинка;
10 - верхний замораживающий контур;
11 - теплоизоляционный слой из местных сыпучих материалов (щепа, шлак);
12 - гидроизоляционный экран из морозостойкой полиэтиленовой пленки;
13 - слой суглинка;
14 - слой вскрышных пород;
15 - нагнетающий вентилятор;
16 - воздухоподающий трубопровод;
17 и 18 - энергетические охладители воздуха.
Реализацию заявляемого способа на практике производят следующим образом. В зимний период на дне отработанного, спланированного и осушенного карьера 1 нарезают сеть зигзагообразных горизонтальных траншей 2 в которые укладывают трубы большого диаметра нижнего замораживающего контура 3. Затем производят послойное возведение защитной ледопородной насыпи 4 с использованием технологий гидротехнического строительства [2], путем послойной отсыпки мерзлых вскрышных пород с их последующей утрамбовкой, проливом водой и промораживанием естественным холодом каждого слоя. После промерзания первого слоя по той же технологии возводят второй слой и так далее до достижения расчетной высоты насыпи. Для ускорения промораживания единичного льдопородного слоя включают нагнетающий вентилятор 5 обеспечивающий подачу по трубопроводу 6 холодного атмосферного воздуха по нижнему замораживающему контуру 3.
Затем поверх возведенной льдопородной насыпи 4 намораживают слой льда 7, а затем укладывают гидроизоляционный экран 8 из морозостойкой высокопрочной полиэтиленовой пленки, которую присыпают защитным слоем суглинка 9. Поверх него зигзагообразно в горизонтальной плоскости укладывают трубы большого диаметра, образующие верхний замораживающий контур 10, который покрывают теплоизоляционным слоем 11 из местных сыпучих материалов (шлак, древесная щепа, торф). После этого укладывают гидроизоляционный полиэтиленовый экран 12, поверх которого отсыпают слой суглинка 13, а затем отсыпают слой вскрышных пород 14. В период строительства рудника подача воздуха в верхний замораживающий контур осуществляют вентилятором 15 по трубопроводу 16, с предварительным охлаждением в летний период в энергетическое охладителе воздуха 17. Нижний замораживающий контур 3 функционирует в круглогодичном режиме компенсируя теплопритоки, исходящие из действующего рудника, используя в зимний период в качестве хладагента холодный атмосферный воздух, а в летнее время нагнетаемый воздух предварительно охлаждается в энергетическом охладителе 18. В результате такого режима работы замораживающих контуров послойно возведенная защитная подушка аккумулирует холод, запасы которого расходуют на компенсацию теплопритоков от солнечной радиации в летний период, а так же тепла исходящего от действующего рудника, снижая тем самым расходы на выработку искусственного холода.
Основные преимущества предлагаемого способа:
- высокая скорость ведения работ;
- низкая стоимость возведенного сооружения, за счет использования местных материалов;
- небольшое количество технологических операций;
- высокая механизация всех видов работ;
- невысокие расходы на выработку искусственного холода, за счет использования естественного (атмосферного) холода;
- простота возведения и проморозки насыпи естественным холодом;
- высокие гидроизолирующие свойства подушки за счет наличия трех защитных барьеров: из смерзшейся, водонепроницаемой ледопороды и двух экранов из полиэтиленовой пленки;
- низкие материальные затраты на приобретение оборудования;
- длительность сезона ведения работ;
- высокая холодоаккумулирующая способность возведенной защитной подушки, позволяющая накопить за зимний период большой запас холода, снижая тем самым расходы на выработку искусственного холода;
- низкая жесткость и высокая пластичность ледопородной подушки, демпфирующая динамические воздействия обрушающихся пород с бортов отработанного карьера;
- высокая защищенность подушки от растепления солнечной радиацией, а так же от тепла исходящего из строящегося, а затем и действующего рудника, за счет использования двух замораживающих контуров и теплоизоляции.
- невысокая стоимость и универсальность замораживающих контуров, простых по конструкции и несложных в изготовлении, которые используются как в период возведения защитной подушки, так и при строительстве рудника и его последующей эксплуатации.
Источники информации
1. Патент РФ № 2400625.
2. Биянов Г.Ф. Грунтовые плотины на вечной мерзлоте - Якутск, 1989. - 152 с.