СПОСОБ ЗАЩИТЫ УСТУПОВ БОРТОВ КАРЬЕРОВ КРИОЛИТОЗОНЫ ОТ РАСТЕПЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTING LEDGES OF EDGES OF PITS OF CRYOLITHIC ZONE FROM THAWING

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при открытой и комбинированной разработке месторождений твердого минерального сырья северных регионов для предотвращения растепления поверхностных слоев нерабочих уступов карьеров различными источниками природного тепла в летний период.
Известны способы защиты от растепления уступов карьеров Севера, различных искусственных насыпей, возводимых на косогорных участках территорий криолитозоны, сложенных многолетнемерзлыми грунтами, при негативных воздействиях различных источников тепла в летний период путем создания: противофильтрационных экранов; защитных берм; тепло- и светоотражающих покрытий, предотвращающих деградацию мерзлоты [1].
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ, предполагающий выполнение вышеперечисленного комплекса защитных мероприятий [2].
В качестве превентивных мер, предотвращающих растепление косогорных участков насыпей природными источниками тепла в летнее время, авторами изобретения рекомендованы: создание противофильтрационных экранов из насыпных грунтов, мерзлое состояние которых обеспечивается с помощью устройств для аккумуляции холода (термосвай); устройство защитных противофильтрационных берм; использование теплозащитных покрытий из местных материалов (мох, дерн, торф), возводимых на бермах.
Основными недостатками способа являются: высокие затраты и необходимость приобретения специального дорогостоящего оборудования (термосвай), трудоемкость и высокая стоимость ведения работ по их установке; недостаточная способность материала бермы (насыпных грунтов) аккумулировать атмосферный холод ввиду его низкой теплоемкости; рекомендуемое теплоизоляционное покрытие из местных материалов не съемное по конструкции и не предполагает его снятие на зимний период (рассчитано на эксплуатацию в круглогодичном режиме), что ограничивает доступ атмосферного холода к поверхности бермы в зимний период и, как следствие этого, снижает интенсивность ее промораживания.
Технической задачей изобретения является: снижение интенсивности растепления и эрозионного разрушения приконтурных породных массивов уступов бортов карьеров криолитозоны; сокращение расходов на их крепление и поддержание; снижение динамических и статических нагрузок от обрушаемых пород на защитные целики (или подушки), сооружаемые на дне отработанных карьеров при переходе на комбинированный способ отработки месторождения; обеспечение круглогодичного поддержания приконтурных породных массивов уступов в мерзлом состоянии, снижение фильтрации грунтовых вод в карьер.
Предлагается новый способ защиты бортов карьеров криолитозоны от растепления, включающий возведение трех искусственных элементов: противофильтрационного экрана, защитной бермы, защитного покрытия, отличающийся тем, что противофильтрационный экран создают путем бурения наклонных скважин большого диаметра в зимний период с верхней площадки наиболее подверженной растеплению стороны нерабочего борта уступа, параллельно поверхности склона на всю его высоту с последующим заполнением их ледовым щебнем, охлажденной пресной водой и проморозкой естественным холодом, а защитную берму возводят поверх устьевых частей скважин, начиная от верхней бровки уступа трапецеидального сечения расчетной высоты, с применением послойного намораживания вскрышных пород, которую в летний период, включая поверхность откоса уступа, укрывают защитным покрытием, выполненным в виде съемного гибкого влаго-тепло- и светоотражающего мата, убираемого с наступлением зимы, толщину которого определяют из соотношения:
, м
-4
где 10 - постоянный коэффициент;
λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизоляционного мата, Вт/(м·К);
ср.летн.
t - среднелетняя температура атмосферного воздуха района нахождения карьера, °С;
N - продолжительность теплого периода года, дни.
Реализация способа будет способствовать решению ряда технических задач:
- снижение фильтрации грунтовых и поверхностных вод в карьер за счет создания мерзлого ледового противофильтрационного защитного экрана и ледопородной защитной бермы по его верхнему контуру;
- аккумуляция значительного количества естественного (атмосферного) холода в зимний период приконтурным породным массивом уступа, оснащенным ледовым противофильтрационным экраном, являющимся одновременно аккумулятором холода, запасы которого расходуются на компенсацию летних теплопритоков;
- повышение конструкционных и прочностных характеристик пород уступов за счет наличия искусственно возводимых столбообразных ледяных конструкций, а также цементации замерзшей водой (льдом) имеющихся дефектов (трещин);
- повышение механической устойчивости и тепловой защиты бровки уступа за счет возведения ледопородной защитной бермы, изолируемой теплозащитным и светоотражающим матом в летний период;
- снижение затрат на ведение работ по очистке берм уступов от обрушаемых пород;
- снижение динамической и статической нагрузок от обрушаемых пород на защитный целик (или предохранительную подушку) при переходе с открытого на комбинированный способ отработки месторождения;
- простота и дешевизна ежегодной проморозки приконтурного слоя пород уступа и хладозарядки ледовых холодоаккумуляторов атмосферным холодом в зимний период при убранном теплозащитном мате;
- обеспечение прогрессирующего из года в год накопления холода приконтурным породным массивом и кольцевой ледопородной бермой за счет высокой теплоаккумулирующей способности льдопородного материала и ограничения притока тепла от различных источников в летний период через съемный гибкий влаго-тепло- и светоотражающий мат;
- значительное снижение интенсивности физико-химического выветривания поверхностных слоев приконтурных породных массивов, замоноличенных льдом, находящихся (круглогодично) в мерзлом состоянии.
Включенный в формулу изобретения такой существенный отличительный признак, как возведение противофильтрационного экрана в виде столбообразных ледовых конструкций в приконтурном породном массиве уступа многофункционального назначения, позволит не только снизить водоприток в карьер, но и значительно повысить теплоемкость и конструкционную устойчивость уступа, снижая тем самым интенсивность растепления, сдвижения и обрушения пород в летний период.
Следующий существенный признак заключается в том, что по периметру верхней площадки уступа карьера возводится ледопородная защитная берма, закрывающая устьевые части скважин, начиная от бровки, обеспечивающая при наличии теплоизоляции расчетной толщины мерзлое состояние и высокую тепловую и механическую устойчивость бровки уступа, а также дополнительную надежную защиту карьера от проникновения грунтовых вод.
Существенным отличием в сравнении с аналогом является использование гибкого влаго- и теплозащитного мата с высокой светоотражательной способностью, возводимого на уступе в весенний период (и убираемого в осенний), снижая тем самым приток всех типов естественного тепла в приконтурный породный массив уступа карьера, а также обеспечивающего возможность беспрепятственного доступа атмосферного холода в зимний период ко всем объектам с прогрессирующим из года в год накоплением.
Требуемый технический результат при реализации изобретения предполагается получить при учете и использовании: климатических, геокриологических особенностей региона и естественных природных ресурсов; технической оснащенности горных предприятий; имеющегося опыта возведения ледопородных сооружений.
К ним относятся:
- длительный зимний период с экстремально низкими температурами;
- наличие сплошной многолетней мерзлоты;
- небольшая мощность деятельного слоя пород, оттаивающего в летний период;
- высокая теплоемкость льдонасыщенных мерзлых горных пород и льда;
- наличие большого парка техники у горных предприятий, необходимой для проведения планируемых работ;
- наличие большого объема вскрышных пород в отвалах;
- наличие опыта строительства каменно-набросных сооружений (дамб, плотин) мерзлотного типа.
Заявляемый способ поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез верхнего уступа карьера, оснащенного ледовым противофильтрационным экраном, ледопородной защитной бермой и гибким влаго-тепло- и светоотражающим матом.
Условные обозначения, принятые на чертеже:
1 - Верхняя площадка уступа карьера
2 - Откос уступа борта карьера
3 - Наклонные нисходящие скважины
4 - Ледовый противофильтрационный экран
5 - Верхняя бровка уступа карьера
6 - Ледопородная защитная берма
7 - Гибкий влаго-тепло- и светоотражающий мат
Заявляемый способ на практике реализуется в зимний период после промерзания деятельного слоя пород. Вначале с верхней площадки 1 уступа карьера 2 на всю его высоту пробуривают наклонные скважины 3 большого диаметра (Ǿ400-500 мм), которые полностью заполняют ледовым щебнем и охлажденной пресной водой в соотношении Т:Ж=3:1. После замерзания водоледяной смеси естественным путем образуется ледяной противофильтрационный экран 4, выполняющий также функции аккумуляторов холода в виде наклонных цилиндрических столбов. По окончании этих работ по периметру верхней площадки уступа карьера (включая бровку 5 и устья скважин) возводят ледопородную защитную берму 6 трапецеидального сечения, расчетной высоты, способом послойной отсыпки вскрышных пород с утрамбовкой, проливом водой и промораживанием каждого слоя атмосферным холодом, с использованием технологий строительства мерзлотных каменно-набросных плотин (дамб) на Севере [3].
По окончании зимнего периода поверхность защитной бермы и откос уступа карьера покрывают съемным гибким водо-тепло- и светоотражающим матом 7, эксплуатируемым весь теплый период года. Мат монтируется из отдельных рулонных, герметично соединяемых полотнищ теплоизоляционного материала, одна сторона которых имеет светоотражающее пленочное покрытие.
С наступлением зимнего периода гибкий защитный мат убирают, обеспечивая тем самым беспрепятственный доступ атмосферного холода к объектам. Периодически для интенсификации проморозки защитной бермы необходимо проведение (в течение зимы) снегоуборочных работ.
Основные преимущества предлагаемого способа:
- высокая степень защиты верхней бровки и откоса уступа карьера от растепления в летний период;
- высокая конструкционная жесткость, прочность, водонепроницаемость и холодоемкость приконтурного слоя пород уступа карьера;
- снижение динамической и статической нагрузки от обрушаемых пород на предохранительный целик (или породную подушку);
- снижение эрозионного разрушения приконтурного слоя пород уступа карьера;
- низкие затраты на содержание и очистку защитных берм от обрушаемых пород;
- низкий приток грунтовых вод в карьер;
- снижение затрат на водоотлив;
- низкая степень изнашиваемости гибкого защитного мата, легко убираемого на зимний период;
- возможность уменьшения толщины предохранительного целика (или подушки), сооружаемого на дне отрабатываемого карьера при переходе на комбинированный и подземный способы отработки месторождения, и соответственно снижение затрат на его возведение (за счет снижения динамических и статических нагрузок от обрушаемых пород).
Источники информации
1. Изаксон В.Ю. и др. Вопросы устойчивости обнажений многолетнемерзлых горных пород. Новосибирск: В.О. «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. - 165 с.
2. Патент РФ №2059752, БИ №13, 1996 г.
3. Биянов Г.Ф. и др. Перспективные направления совершенствования конструкции и технологии возведения грунтовых плотин мерзлотного типа на Крайнем Севере // Гидротехническое строительство, - 1982. - №5 - С.1-4.