СПОСОБ ОТБОРА ВОДЫ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗ ВОДОЁМОВ-ИЛООТСТОЙНИКОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF EXTRACTING HIGH TEMPERATURE WATER FROM SILT-DETENTION WATER RESERVOIRS (VERSIONS)

Изобретение относится к области разработки и обогащения песков россыпных месторождений драгметаллов, включая хранилища техногенных отходов, залегающих в области многолетней или сезонной мерзлоты.
Россыпные месторождения РФ, в подавляющем большинстве, расположены в зоне многолетней мерзлоты или глубокого сезонного промерзания.
Известно, что прочность мерзлых рыхлых пород (торфов, песков) многократно выше прочности этих же пород, находящихся в талом состоянии. А поскольку горно-добычные работы предполагают обязательное разрушение пород-торфов для вскрытия продуктивного пласта, а песков для подачи на промприбор - то применяемый способ разрушения (разупрочнения) существенно влияет на экономику работы предприятия. Оттайка (под этим термином будем понимать процесс повышения температуры пород до нулевого или положительного значения искусственным или естественным способом), а тем более естественная, по затратным показателям выгодно отличается от остальных способов разупрочнения мерзлых пород россыпей.
Скорость оттайки мерзлых пород (песков) за счет тепла солнечной радиации во многом зависит от погодных условий и редко превышает 6-8 см/сут при условии непрерывного удаления оттаявшего слоя.
При относительно небольшой глубине залегания продуктивного пласта песков (до 5÷6 м) вскрышные работы выполняют, как правило, по естественной оттайке. Но при большей мощности торфов вскрышные работы выполняют с применением буровзрывных работ или с механическим рыхлением, что существенно удорожает процесс. В тоже время при применении искусственной оттайки этот процесс можно многократно ускорить.
Известен способ естественной оттайки мерзлых пород зачернением земной поверхности сажей, пеплом, торфяной крошкой и др. (Потемкин С.В. Оттайка мерзлых пород. М, Недра, 1991г.).
Недостаток способа - сложность исполнения в связи с необходимостью многократного повторения процесса зачернения при большой мощности разрабатываемой толщи мерзлых пород и медлительность процесса.
Известен способ гидроиглового оттаивания для подготовки вечномерзлых пород к выемке (а.с. № 861506, МПК E02F 5/30, опубликовано 07.09.81г.), состоящий в том, что с поверхности бурят вертикальные скважины, в которые опускают трубы (иглы) с отверстиями в стенках. В трубы подают подогретую в специальных котлах воду, которая, выходя через отверстия, вызывает постепенное расширение искусственных таликов и слияние их в общий талый массив.
Недостаток способа - в технической сложности исполнения, высокой энергозатратности.
Известен способ гидравлического оттаивания мерзлых пород (а.с. № 863785, МПК E02F 5/30, опубликовано 15.09.81г.), заключающийся в проведении параллельных разновысотных канав (распределительной и дренажной) и подаче воды в распределительную канаву с постепенной фильтрацией воды в дренажную канаву с оттайкой окружающих пород и периодическим их механическим рыхлением.
Недостатком способа является невысокая скорость оттайки, и даже невозможность оттайки при наличии в толще породных слоев (прослойков) с коэффициентом фильтрации менее 10 м/сут.
Наиболее эффективным способом оттайки мерзлых пород считается дождевально - инфильтрационный (см. Потемкин С.В. Оттайка мерзлых пород. М, Недра, 1991г.), заключающийся в орошении поверхности мерзлых пород водой из естественных или искусственных водоемов.
Поскольку горно-добычные и горно-обогатительные работы при разработке россыпных месторождений, в том числе с использованием различных способов оттайки, сопровождаются достаточно большим потреблением (расходом) воды, то естественно, что они выполняются предпочтительно в сезон положительных температур. Вода используется как для оттайки пород вскрыши, так и для промывки песков, подаваемых на промывочный прибор. И в том и в другом случае температура используемой воды имеет немаловажное значение в эффективности выполняемых процессов.
Точно также, обогащение песков на шлюзах должно производиться при полной их оттайке; в противном случае частицы драгметалла, не успевшие вытаять из ледовой оболочки, неизбежно будут снесены со шлюза в отвал. По этой причине продолжительность сезона промывки в северных районах РФ очень ограничена и не превышает 100÷110 дней, а в первые дни от начала промывки (до 30 дней) на шлюз подаются не оттаявшие полностью пески, что приводит к существенным потерям драгметалла в виде сноса со шлюза.
При этом, опять таки, существенное значение имеет температура воды. Так, при идущей на орошение температуре воды +10°С скорость оттайки в сопоставимых условиях возрастает в 3÷4 раза в сравнении с таким же процессом, но выполняемым при температуре используемой для этих целей воды 2÷3°С. То же самое, можно сказать и о температуре воды, подаваемой на промывку песков.
Технической задачей изобретения является обеспечение снижения энергозатрат и повышение полноты извлечения полезного компонента из исходной горной массы (песков).
Достигается поставленная задача  двумя техническими вариантами: по первому варианту за счет того, что способ отбора воды повышенной температуры из водоёмов-илоотстойников включает в себя устройство канавы параллельно береговой линии водоёма-илоотстойника, на которой монтируют насосную установку, а перемычку, отделяющую канаву от водоёма-илоотстойника, понижают на глубину, обеспечивающую переток в канаву воды из нагретых слоев водоёма.
Достигается поставленная задача по второму варианту за счет того, что способ отбора воды повышенной температуры из водоёмов-илоотстойников включает в себя изготовление поддона из теплоизоляционных материалов размерами, обеспечивающими ламинарное течение потока воды из нагретого слоя в него (поддон), монтаж рядом насосной установки, всасывающий патрубок которой опускают в поддон, причем поддон притапливают в водоёме с помощью балласта и удерживают на поплавках на глубине, обеспечивающей поступление в поддон прогретой воды из верхних нагретых слоев водоема-илоотстойника.
На Фиг. 1 представлен график изменения температуры воды по глубине в технологических водоемах-илоотстойниках при замкнутом водообороте.
На Фиг. 2 представлена схема отбора воды повышенной температуры из водоема-илоотстойника по первому варианту.
На Фиг. 3 представлена схема отбора воды повышенной температуры из водоема-илоотстойника (а) и конструктивные элементы поддона: кожух (б) и каркас (в) по второму варианту.
Все насосные установки 3 (8 НДВ, 12 НДС, 14 НДС) промывочных приборов устроены так, что всасывающий патрубок 2 насосной установки 3 опускают в водоем-илоотстойник 1 на глубину не менее 1,5÷2,0 м во избежание явления кавитации, разрушающего рабочее колесо насосной установки 3.
Но на такой глубине температура воды любого водоема-илоотстойника 1 в северном регионе (а тем более в зонах вечной мерзлоты) не поднимается выше 2÷3°С даже в середине лета. При этом температура «обратки» (обратного потока воды при замкнутом водообороте) редко превышает +1°С.
Таким образом, на технологические нужды используется вода с очень низкой температурной энергетикой и низкой теплоотдачей, в результате чего эффективность оттайки мерзлых пород водой при таких условиях крайне низка.
В то же время, температура верхних слоев водоемов-илоотстойников 1 северных регионов в сезон положительных температур достигает 18÷20°С, но в обороте фактически не участвует из-за указанного выше способа её отбора (Фиг. 1).
Предлагается способ отбора воды из верхних слоёв водоёмов-илоотстойников с помощью тех же насосных установок 3, что применяются в современных промывочных приборах. При этом заявляются два варианта способа отбора воды из нагретых слоев водоемов-илоотстойников 1.
Сущность способа по первому варианту (Фиг. 2) заключается в следующем: после устройства и заполнения водоема-илоотстойника 1 отступают от его границы примерно на 3÷5 м в удобную сторону и устраивают канаву 4, параллельную береговой линии водоема-илоотстойника 1, длиной, например, 20÷30 м и глубиной в середине (зумпф) 1,5÷2,0 м. На этой канаве 4 монтируют насосную установку 3 с всасывающим патрубком 2. Затем бульдозером (или какой либо другой землеройной машиной) понижают слой за слоем  перемычку 5, отделяющую канаву 4 от водоема-илоотстойника 1, давая возможность воде перетекать из водоема-илоотстойника 1 в канаву 4 слоем толщиной, обеспечивающей отбор воды задаваемой температуры (ориентировочно, не более 0,5 м.). Таким образом, в канаву 4 будет перетекать вода верхнего теплого слоя водоема-илоотстойника 1 с температурой значительно более высокой и подаваться насосной установкой 3 на технологические нужды. В соответствии с этим производится расчет минимального потребного количества воды для оттайки расчетного объема мерзлых пород, а также необходимой площади водоема-илоотстойника 1, обеспечивающей прогрев воды до заданной температуры за счет тепла солнечной радиации.
Расчет потребной площади водоема-илоотстойника 1, обеспечивающей прогрев необходимого количества воды до температуры +15÷20°С, производят в такой последовательности.
с
o
т
3
Определяется (потребностями производства) суточный расход воды, который, например, равен  П (м). Устанавливают температуру «обратки» t и задают желаемую температуру отбираемой воды на технологические нужды t.
с
Количество тепла солнечной радиации, необходимого для подогрева указанного (П) количества воды в водоёме-илоотстойнике 1 до заданной температуры, составит:
т
с
o
т
o
3
Q = Пq(t- t)10, кКал       (1)
Количество тепла, получаемого водоёмом-илоотстойником 1 в виде лучистой солнечной энергии, определяют известной формулой:
т
c
с
Q= qTS∙860, кКал       (2)
o
где q - удельная теплоемкость воды, кКал/(кг∙град);
c
2
q - удельный поток сезонной лучистой солнечной энергии на плоскость, перпендикулярную потоку, кВт/м;
Т - время (продолжительность) активной стадии солнечной радиации в сутки, ч;
2
S - площадь поглощения солнечной радиации (зеркало водоема-илоотстойника), м.
Приравнивая друг к другу выражения (1) и (2), получим формулу для определения потребной площади водоёма-илоотстойника 1:
с
o
т
o
c
3
S=Пq(t-t)∙10 / qT∙860;       (3)
o
Произведем примерный расчет необходимой площади зеркала воды в водоёме-илоотстойнике 1 для исходных условий: q=1,0 кКал/(кг∙град);
c
2
q = 0,65 кВт/м (например, для районов центральной Колымы); Т = 15 ч;
т
o
(t-t)=10°С, (справочно: 1 кВт∙ч = 860 кКал), преобразующих формулу (3) после подстановки входящих величин в вид
с
с
4
2
S=П∙10/0,65∙15∙860=1,2П, м.       (4)
Результат расчета представлен в таблице 1.
Таблица1. Потребная площадь водоёма-илоотстойника 1 в зависимости от суточного расхода воды
П<sub>с</sub>, м<sup>3</sup>/сут
3000
6000
9000
12000
S, размеры (м х м) и площадь водоёма-илоотстойника (м<sup>2</sup> )
(60х60)3600
(85х85)7200
(104х104)10800
(120х120)14400
Практика сегодняшних производственных работ показывает, что именно такие водоёмы-илоотстойники 1 устраивают предприятия россыпной золотодобычи, так что реализация заявляемого способа не вызовет дополнительных затрат или изменений в существующих технологиях устройства водоемов-илоотстойников 1.
В ряде случаев (неудобный рельеф местности, ограничения по планировке поверхности и др.) реализовать предложенную схему отбора воды повышенной температуры из водоема-илоотстойника 1 по первому варианту не представляется возможным.
В этом случае предлагается способ по второму варианту отбора воды из водоема-илоотстойника 1(Фиг. 3).
Он предполагает использование такой же насосной установки 3, расположенной на берегу водоема-илоотстойника 1, что и в уже рассмотренном первом варианте. Но всасывающий патрубок 2 насосной установки 3 опускают в этом случае в специальный поддон 6, притопленный в водоеме-илоотстойнике 1 и удерживаемый на заданной глубине поплавками 7. Поддон 6 выполнен в виде емкости с открытым верхом и закрытым дном, и изготовлен из теплоизоляционного материала (например, двухслойный дакрон с поролоновой прослойкой), закрепляемого на каркасе (на фиг. не обозначен), например, из труб диаметром 40÷50 мм, и помещен в водоем-илоотстойник вблизи насосной установки 3. Поддон 6 притапливают с помощью балласта (на фиг. не показан) и удерживают на необходимой глубине 0,3÷0,5м с помощью поплавков 7, например, из пустых бочек от ГСМ (предварительно очищенных). Глубина притопления поддона 6 определяется характером распределения температуры воды в водоеме-илоотстойнике 1 в конкретных природных условиях и обеспечивает поступление в поддон 6 прогретой воды из верхних нагретых слоев водоема-илоотстойника 1 с ламинарным течением.
Всасывающий патрубок 2 насосной установки 3 помещают в поддон 6 на технически безопасную глубину 1,5÷2,0 м. При включении насосной установки 3 вода в поддон 6 поступает из верхнего слоя водоема-илоотстойника 1 с температурой, значительно выше той, которая находится на глубине 1,5-2,0 м от поверхности в точке отбора её всасывающим патрубком 2 в существующих схемах. Изменяя глубину притопливания поддона 6, изменяют, в известных пределах, температуру воды, отбираемой из водоема-илоотстойника 1 на технологические нужды. При этом размеры периметра поддона 6 должны обеспечивать ламинарное течение потока отбираемой воды из нагретого слоя водоема-илоотстойника 1 в ограниченный кожухом (на фиг. не обозначен) объем поддона 6.
н
п
п
п
В соответствии с этим производят расчет параметров поддона 6 в такой последовательности: определяют необходимую производительность насосной установки 3 по источникам потребления Q устанавливают (задают) предельно допустимую скорость (V) потока воды по верхнему периметру поддона 6 и рациональную глубину установки поддона 6 (h), т.е. расстояние от поверхности воды до верха поддона 6, для чего измеряют температуру воды в водоеме-илоотстойнике 1 на разной глубине и руководствуются соображениями необходимости обеспечения рационального теплового режима процесса оттайки. Для обеспечения ламинарного потока воды по поверхности водоема-илоотстойника 1 и минимизации перемешивания слоев более нагретой воды с менее нагретыми  желательно, чтобы скорость потока воды V, поступающей в поддон 6 из водоема-илоотстойника 1, не превышала V ≤ 0,05 м/с. Тогда верхний периметр кожуха поддона 6 должен быть равен  (или немногим больше) величины:
в
н
п
Р=Q/(3600hV)      (5)
в
где Р - верхний периметр кожуха поддона, м.
3
Например, потребный расход воды равен 600 м /ч, а принятое значение h=0,4 м. Тогда верхний периметр кожуха равен
в
н
п
Р=Q/(3600hV) = 600/(3600•0,4•0,05)=8,3 м,       (6)
а размер стороны, соответственно, 8,3/4≈2,1м.
Для большей гарантии его (размер стороны) следует увеличить на 15-20%. Нижний периметр кожуха поддона 6 определяется конструктивными требованиями и влияния на температурный режим, практически, не оказывает, его следует принимать в 2÷3 раза меньше верхнего.
Расчет потребной площади водоема-илоотстойника 1, обеспечивающей прогрев необходимого количества воды до температуры +15÷20°С, при втором варианте отбора воды производят в той же последовательности, что и в первом случае.
В первом и втором варианте исполнения данного способа обеспечивается снижение энергозатрат и повышение полноты извлечения полезного компонента из исходной горной массы (песков).