СПОСОБ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД И ГРУНТОВ
METHOD OF MELTING OF FROZEN ROCKS AND SOIL

Изобретение относится к химической, горнодобывающей промышленности, в частности к искусственному оттаиванию мерзлых пород в горном деле и строительстве, и может быть использовано при разработке россыпных месторождений, в том числе с применением внешних энергоисточников, в особенности ядерных.
3
Данные Роскомдрагмета свидетельствуют, что в настоящее время около 40% россыпного золота в стране сосредоточено в месторождениях с содержанием металла менее 300 мг/м. При таких низких содержаниях для получения 1 грамма золота необходимо взрыхлить примерно 4-5 кубометров земли, что вызывает необходимость экскавации больших объемов грунта, учитывая, что только в 2011 году россыпного золота в России было добыто 60,5 тонны (23% общей добычи).
На территории Забайкалья и Приамурья в связи с отрицательными среднегодовыми температурами воздуха и незначительным снежным покровом повсеместно распространены сезонно- и многолетнемерзлые породы. При этом в северных и восточных районах Читинской области мощность сезонно-мерзлых пород достигает 4…5 м. В мерзлом состоянии горные породы обладают высокой прочностью. Энергоемкость разрушения мерзлых горных пород при понижении их температуры всего лишь до минус 1°C увеличивается в десятки раз. Поэтому при разработке золотоносных россыпных месторождений существенно возрастает значение работ по оттаиванию мерзлых горных пород.
Первостепенную роль стали играть два основных фактора, влияющих на конечный результат:
- минимизация затрат при планировании вскрышных работ, перемещении грунтов и последующей рекультивации;
- обеспечение драги (или промприборов) талыми запасами песков на текущий и следующий промывочный сезон.
Причины, снижающие производительность промывки песков: позднее наступление теплого летнего периода и медленная оттайка валунистых песков, затрудняющая послойное снятие.
В этой связи особая важность придается хорошей подготовке полигонов, эффективному использованию солнечного тепла, возможностям гидрооттайки и различным методам теплосбережения в зимний период. Мероприятия по обеспечению драги (промприбора) талыми запасами, занимают в структуре себестоимости незначительное место (до 10%), а эффект от их применения весьма значительный, учитывая, что практически вся территория России, на которой велась россыпная золотодобыча, подвержена сезонному промерзанию поверхностного слоя грунта. Глубина промерзания в районах с суровым климатом доходит до 3-4 м. Следовательно, 100% мелкозалегающих россыпей не доработаны или погашены с большими потерями. Что касается районов, пораженных вечной мерзлотой, то здесь необходимость мероприятий по оттайке полигона очевидна.
Основные потери приходятся на начало сезона, т.к. и драги и промприборы хронически не обеспечены талыми песками. Мероприятия по дополнительной теплоизоляции талых песков, как правило, никто не применяет. В некоторых случаях, неоттаянный дражный полигон затапливался в начале сезона, однако, скорость естественного оттаивания под слоем воды уменьшается в 3-4 раза. Для решения задачи качественной оттайки полигона на всю глубину залегания продуктивного слоя предлагают применять следующие методы:
- естественное оттаивание;
- послойное оттаивание;
- использование полимерных пленок;
- фильтрационно-дренажное оттаивание;
- гидроигловое оттаивание.
В частности, известен способ разупрочнения мерзлых пород (патент РФ №2143032, опубл. 20.12.1999), согласно которому при искусственном оттаивании мерзлых россыпных месторождений разупрочнение достигается тем, что после образования льдозаполненной трещины гидроразрыва между, как минимум, двумя скважинами нагнетают солевой раствор насыщенной концентрации до получения на выходе из другой скважины раствора, разубоженного до концентрации, соответствующей незамерзанию раствора при начальной температуре мерзлых пород. Недостаток способа - высокая трудоемкость.
Известен способ оттаивания мерзлых горных пород (RU 2295008), согласно которому удаляют почвенно-растительный слой на оттаиваемом участке, возводят водоподпорную дамбу, заливают участок слоем воды и отводят воду за пределы участка, отличающийся тем, что на участке бурят ряды скважин, между которыми укладывают водосбросную трубу, один конец которой закрывают заглушкой, а на другом конце устанавливают задвижку и водосливной патрубок, при этом в скважинах устанавливают водозаборные патрубки, которые перфорируют на отрезке длиной 0,5…1,0 м со стороны забоя скважин отверстиями диаметром 0,01…0,02 м и с помощью соединительных муфт присоединяют к водосбросной трубе (патент РФ №2295008, опубл. 10.03.2007). Недостатком данного способа является сложность технологии, высокие затраты на ее создание и эксплуатацию.
Известен способ оттаивания мерзлых пород (патент РФ №2315155, опубл. 20.01.2008), включающий удаление на оттаиваемом участке почвенно-растительного слоя, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав и нагнетание в питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации, отличающийся тем, что нагнетаемую в канавы воду нагревают соляными солнечными водонагревателями, установленными на дне питающей и оросительных канав. Недостатком способа также можно считать низкую глубину проникновения оттайки в грунт, сложность технологии, высокие затраты.
2
2
Известен также способ оттаивания мерзлых горных пород и грунтов (патент РФ №2276236, опубл. 10.05.2006), принятый за прототип, в котором производят удаление почвенно-растительного слоя на оттаиваемом участке, затопление оттаиваемого участка жидкостью, селективно прозрачной для коротковолнового и длинноволнового излучений, с последующим нанесением масляной пленки, отличающийся тем, что участок заливают слоями, а в качестве селективно прозрачной для коротковолнового и длинноволнового излучений жидкости используют водный раствор технической соли магния 6HO·MgCl с понижением концентрации ее от нижних слоев к верхним слоям. Недостатком способа также можно считать сложность технологии, высокие затраты, необходимость работать с коррозионноактивной средой, низкая скорость оттаивания.
Задача настоящего изобретения - упростить технологию и повысить ее производительность, снизить затраты, повысить скорость оттаивания.
Поставленная задача решается тем, что в способе оттаивания мерзлых горных пород и грунтов, включающем удаление почвенно-растительного слоя на оттаиваемом участке, осуществляют затопление оттаиваемого участка жидкостью, содержащей концентрированный водный раствор спирта, от оттаиваемого участка ведут отбор жидкости, которую направляют на регенерацию с восстановлением исходной концентрации спирта, на оттаиваемый участок жидкость подают нагретой до 30-50°С, отбор жидкости на регенерацию ведут в процессе промывки грунта или породы, подачу и отбор жидкости на оттаиваемом участке ведут таким образом, чтобы поддерживать среднее содержание спирта в режиме затопления на уровне выше 10%.
Кроме того:
- в качестве спирта используют метанол, этанол или пропанол;
- регенерацию и нагрев жидкости осуществляют выхлопными газами двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины;
- регенерацию и нагрев жидкости ведут при подводе тепла от ядерного реактора.
На фигуре дана схема реализации способа, где 1 - оттаиваемый участок, 2 - подача жидкости, 3 - отвод жидкости, 4 - регенерация, 5 - ядерный реактор, 6 - теплоноситель, 7 - вывод конденсата, 8 - промывка грунта.
Примером реализации изобретения служит способ оттаивания мерзлых горных пород и грунтов, описанный ниже.
В качестве примера выбран район с климатическими условиями Забайкалья (см. табл. 1. Среднемесячные и среднегодовые температуры воздуха за многолетний период, °С), где осадки выпадают в течение года очень неравномерно.
В излагаемом примере осуществления изобретения рассмотрено оттаивание мерзлых горных пород и грунтов применительно к разработке россыпных месторождений дражным способом.
Дражный способ имеет лучшие технико-экономические показатели - высокие показатели работы драг достигаются за счет полной механизации основных производственных процессов (выемка горной массы и песков, обогащение песков, отвалообразование). Драгами перерабатываются десятки миллионов кубометров горной массы по более низкой себестоимости, чем при других способах разработки. Эффективность работы дражного флота, горных машин и оборудования при разработке россыпных месторождений в значительной мере зависит от степени подготовленности горных пород к выемке и их физико-механических свойств.
В качестве примера взяты горнотехнические условия эксплуатации месторождения р. Вача (таблица 2).
[Проект разработки россыпного месторождения р. Вача. Новосибирский филиал института ВНИИПИГОРЦВЕТМЕТ (Ленский ОКП). 2004 г.]
Участок россыпного месторождения, предназначенный на планируемый год к разработке, разбивается на эксплуатационные блоки из условий достижения оптимальных параметров использования землеройно-транспортных машин, обеспечения потребной суточной оттайки песков на многолетнемерзлых запасах и полной отработки всех выделенных блоков в течение промывочного сезона.
Работы по вскрытию включают совокупность работ, проводимых с целью создания доступа к горизонту залежи, т.е. обеспечения непосредственной транспортной связи этого горизонта с поверхностью и размещения горных машин. Для этого предварительно с помощью бульдозера на оттаиваемом участке 1 удаляют почвенно-растительный слой и планируют поверхность с образованием полигона. Затем проводят затопление оттаиваемого участка мерзлых горных пород слоями жидкости 2 с целью увеличить скорость оттаивания пород.
Технология промывки грунта 8 (песков) рассмотрена на примере использования прибора МПД-6М и заключается в следующем. Пески подаются бульдозером непосредственно в завалочный люк скруббера, в котором осуществляется дезинтеграция песков и последующее грохочение их на две фракции. Фракция песков мельче 30 мм обогащается на шлюзе мелкого наполнения, а фракция крупнее 30 мм выкладывается галечным стакером в отвал, хвосты промывки песков на шлюзе удаляются из прибора промывки грунта 8 самотеком в потоке пульпы. При отсутствии благоприятного рельефа местности для их уборки применяют землесос или гидроэлеватор. Возможно применение также прибора промывки грунта 8 типа ФМВ - 200 ТРН (Австрия) или других приборов дражного флота, горных машин и оборудования.
Размораживание мерзлого грунта и его переход из твердомерзлого в мерзлопластичное состояние происходит за счет взаимодействия жидкости 2 с грунтом на оттаиваемом участке 1.
Лед в мерзлом грунте оттаиваемого участка 1 подразделяют на: поровой лед (лед-цемент), который находится в порах мерзлого грунта и цементирует его частицы или их агрегаты; ледяные включения - прослойки, линзы и другие формы льда. Основные физические свойства мерзлых грунтов: суммарная влажность, льдистость и объемный вес - зависят от их криогенной текстуры.
Оттаивание за счет взаимодействия жидкости 2 с грунтом оттаиваемого участка 1 производят с поглощением скрытой теплоты льдообразования, составляющей при 0°C при фазовом переходе льда в воду примерно 335 кДж тепла, которое тем в большем количестве передается фунту, чем толще снеговой покров на размораживаемом участке (авт. свид. SU №503004, МПК E02D 3/10, 1976 г.). Эта тепловая энергия снижает температуру жидкости 2.
Одновременно спирт, в качестве которого в данном примере взят этанол, содержащийся в жидкости 2, также взаимодействует со льдом грунта оттаиваемого участка 1. Взаимодействие этанола с водой - реакция экзотермическая. Изменение энтальпии этой реакции при 18°C с участием 1 моля этанола и 5.24 молей воды составляет - 5,99 кДж. Эта величина, взятая с обратным знаком, соответствует тепловому эффекту растворения. Так, например, для образования 1 кг 33% водного раствора спирта требуется 328 г этанола и 672 г воды. При 18°C в результате реакции спирта жидкости 2 с водой выделится 42.7 кДж тепла, еще 65 кДж нужно отобрать у раствора, чтобы охладить его до 0 град. Это тепло заберет плавящийся лед грунта оттаиваемого участка 1, но не все 672 г, а только 1/3 его часть. Остальные 2/3 части льда расходуется на более глубокое охлаждение раствора и на компенсацию подвода внешнего тепла. Температура равновесной системы, состоящей из жидкости 2 (водно-спиртового раствора) и льда оттаиваемого участка 1, отрицательна и равна взятой со знаком минус величине понижения температуры замерзания раствора. Для 49.4% раствора спирта она составляет - 36 град., а для 35.4% раствора - 25.7 град. Плавление льда в спиртовой среде процесс неравновесный, но система стремится к равновесию и поэтому температура быстро понижается. В литровом объеме оттаиваемого участка 1 температура смеси опускается до температуры минус 13.5 град, что позволяет работать дражным методом добычи золота при отрицательных температурах в приборе промывки грунта 8. Это продляет сезон промывки на 2-3 месяца. В качестве спирта могут рассматриваться также пропанол и метанол. Кроме того, в состав жидкости 2 могут добавлять также различные соли, например хлориды.
С целью резко уменьшить завоз спирта на площадку оттаиваемого участка 1 в заявляемом способе проводят отвод жидкости 3 на регенерацию 4, которую проводят путем повышения концентрации спирта в жидкости 2 за счет подвода тепловой энергии с помощью теплоносителя 6, нагреваемого сторонним энергоисточником, в качестве которого могут выступать тепловые двигатели или ядерный реактор 5.
Избыток воды, образующейся при регенерации 4, удаляют при выводе конденсата 7.
Процесс регенерации 4 может быть построен на основе тепловой дистилляции аналогично процессу опреснения морской воды, например по процессу типа энергоблока БН-350 в Казахстане или по процессу обратного осмоса. Для дистилляции и ректификации температура теплоносителя не должна превышать 100°C даже в случае этанола, а при использовании пропанола и метанола может быть на 10-20°C ниже. В частности, пропанол и вода формируют азеотроп и в результате простой дистилляции получается раствор жидкости 2, который на 87,9% состоит из пропанола и на 12,1% из воды.
В случае этанола в процессе дистилляции достаточно остановиться на концентрации спирта в жидкости 2 на уровне 65-68%, до температуры нагрева около 88°C (таблица 3).
В случае ректификации концентрация спирта в жидкости 2 может быть повышена до 75-80%. В этом случае вывод конденсата 7 может производиться в затопленный объем оттаиваемого участка 1. В процессе регенерации 4 возможна комбинация методов ректификации и дистилляции.
Для повышения эффекта оттаивания в мерзлом массиве горных пород оттаиваемого участка 1 могут создавать камуфлетные полости, фильтрационные каналы и сеть трещин различного рода путем взрывания в скважинах камуфлетных зарядов ВВ или электрогидроразрывом пласта.
В процессе промывки грунта 8 чешуйчатое золото иногда плавает по поверхности воды, поэтому с целью снижения уноса с пульпой при отводе жидкости 3 на регенерацию 4 необходимо понизить поверхностное натяжение жидкости 2, что и достигается применением спирта, имеющего значение коэффициента поверхностного натяжения, мН/м (при 20°C), равное 22 по сравнению с 77 мН/м (при 20°C) у воды. Подачу и отбор жидкости 2 на оттаиваемом участке 1 ведут таким образом, чтобы поддерживать среднее содержание спирта в режиме затопления на уровне выше 10%.
На оттаиваемый участок 1 жидкость 2 подают нагретой до 30-50°C, что возможно совместить с регенеративным нагревом исходного потока из отвода жидкости 3.
Возможно регенерацию и нагрев жидкости 2 осуществлять выхлопными газами двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины. В частности, на основе дизельных двигателей типа ЯМЗ за счет выхлопных газов может быть получено достаточно энергии для регенерации и нагрева жидкости 2 (см. таблицу 4. Характеристики энергоустановок на основе дизельных двигателей типа ЯМЗ). В отопительный период эти тепловые отборы переключаются на отопительные нужды.
За счет реализации предложенного способа удалось примерно на 2-3 месяца продлить процесс дражной добычи, повысить скорость оттаивания и коэффициент использования первичной энергии, упростить технологию и повысить ее производительность, снизить затраты на добычу золота, в первую очередь, электроэнергии.