Анализ методов оттаивания мерзлых пород

© А.А. Ивашин, 2015

УДК 551.345; 536 А.А. Ивашин

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Рассмотрены существующие методы оттаивания и способы предохранения от промерзания горных пород россыпных месторожде-нийкриолитозоны. Описаны принципы работы каждого метода. Выявлены достоинства и недостатки. Перечислены применяемые технологии разработки россыпных месторождений и их особенности. Приведена краткая классификация,для определения технологии целесообразного применения для конкретных условий залегания россыпи. Даны общие рекомендации для выбора наиболее эффективныхметодов оттаивания мерзлых пород, при использовании современных технологий открытой разработки россыпных месторождений.

Ключевые слова: россыпные месторождения, оттаивание, фильт-рационно-дренажное оттаивание, промерзание, полигон, технология, мерзлые породы.

Россыпями называются рыхлые или сцементированные отложения обломочных пород, содержащие отдельные зерна полезного ископаемого [5]. С необходимостью разработки мерзлых россыпных месторождений столкнулись более века назад, когда началось освоение золотых россыпных месторождений на Урале, в Сибири и Якутии. В настоящее время существуют различные технологии разработки россыпей: дражный, бульдозерно-скреперный, экскаваторный и гидромеханизированный способы.

Наиболее существенное влияние на выбор технологии и систем разработки оказывают глубина залегания россыпи и ее ширина. Глубина залегания предопределяет способ ведения работ, способы вскрытия, типы применяемых механизмов и т. д. С изменением ширины россыпи меняются условия эксплуатации, системы разработки.

Целесообразна следующая классификация россыпей: • по глубине залегания: до 8 м — малая глубина, от 8 до 30 м — средняя, от 30 до 60 м — глубокие и свыше 60 м — очень глубокие россыпи;

• по ширине: до 20 м— узкие, от 20 до 50 м — средней ширины, от 50 до 100 м — широкие и свыше 100 м — очень широкие россыпи. [4]

Дражный способ предназначен в основном для разработки обводненных месторождений и представляет собой комплекс, оснащенный добычным, промывочно-обогатительным и транспортным оборудованием. Этим способом могут разрабатываться и безводные россыпи, при условии обеспечения водоснабжения. Многолетнемерзлые россыпи целесообразно разрабатывать после их оттаивания [2].

Бульдозерно-скреперный способ не требует больших капитальных затрат. Этот способ получил широкое применение благодаря способности вести послойную разработку пород по мере их оттаивания и возможности их транспортировки на значительные расстояния. К достоинствам относится их маневренность. К недостаткам: снижение производительности при повышенной влажности,валунистости пород и трудоемкость ремонтных работ[2].

Впервые экскаватор для разработки россыпей был применен в 1894 году. В настоящее время для разработки месторождений применяют драглайны, одноковшовые, многоковшовые и роторные экскаваторы. Эффективность их применения значительно повышается при работе на талых полигонах. При использовании одноковшовых экскаваторов разработка ведется как с применением, так и без применения транспорта. В первом случае много затрат уходит на транспортировку руды до обогатительной фабрики. Во втором в качестве промывочно-обогатительного оборудования используются передвижные промприборы, однако их перестановка требует больших затрат труда и времени [2].

При гидромеханизированном способе, разработка ведется за счет использования энергии водных потоков. С его применением стало возможно все основные виды работ, выполняемые при разработке россыпи, такие как: отбойка, размыв, перемещение и промывка, объединить в один технологический процесс. К достоинствам относится: небольшой штат работников, использование относительно простого оборудования. К недостаткам: большой расход электроэнергии при создании напора, возможность применения в породах поддающихся размыву и сезонность работ [2].

Практически вся территория России, на которой ведется добыча россыпных месторождений, подвержена сезонному промерзанию поверхностного слоя грунта. Глубина промерзания в некоторых районах с суровым климатом составляет до 3-4 м. Что касаетсярайонов крайнего Севера, которые относятся к районам вечной мерзлоты, то здесь необходимость мероприятий по оттайке полигонов очевидна [6].

Первыми методами оттаивания были открытый огонь (пожоги) и нагретые камни (бут). Такими методами пользовались за неимением оборудования и более совершенных способов [1, 3].К одному из первых эффективных методов оттайки мерзлых пород, применявшемуся на полигонах относится проведение парооттаечных работ. Суть его заключалась в том, что пар от котельной установки подавался через трубы вмерзлые породы, где и происходила их оттаивание.

Все эти методы подготовки полигонов требовали больших затрат и трудоёмкости, а после появления дражного способа разработки, возникла серьезная необходимость в совершенствовании методовоттайки. Это касается не только дражных полигонов, но и всех остальных россыпных месторождений. Основные потери приходились на начало сезона, т.к. драги, бульдозеры и экскаваторы не были обеспечены талыми песками. Постепенно эти методы оттайки были заменены новыми, прогрессивными:

• радиационный метод, включающий в себя:естественное и послойное оттаивание;

• игловое гидроттаивание;

• фильтрационно-дренажное оттаивание;

• дождевально-инфильтрационноеоттаивание;

• электрооттаивание.

Радиационный метод - оттаивание теплом естественных источников при сохранении естественных механизмов теплопередачи в грунтах и направленном изменении условий на их поверхности для увеличения поступления тепла в грунт путем удаления растительного и торфяного покровов; то же с зачернени-ем поверхности с целью уменьшения альбедо, применения плёночных покрытий и др.

Наиболее эффективен и широко используется при горном производстве метод послойного удаления оттаивающего грунта,

позволяющий за один летний сезон разработать толщу много-летнемёрзлых пород мощностью до 10-15 м.

Эффективность оттаивания горных пород повышается с увеличением температуры воды, поэтому возможен её предварительный прогрев (искусственный или в прудах-отстойниках).

В настоящее время в северных районах широко распространена разработка полигонов с ежедневным удалением оттаявшего под воздействием солнечного тепла слоя. Разработка при этом происходит в основном бульдозерами. Однако этот способ уступает разработке полигонов экскаваторами, в связи с увеличением глубины разрабатываемых россыпей. Тут естественного оттаивания за счет солнечного тепла становится не достаточно для работы экскаватора на полную мощность. И появляется необходимость применения буровзрывного рыхления, что приводит к увеличению затрат, а также выбросу пыли в атмосферу, что негативно сказывается как на работниках, так и на окружающей среде.

Так же существует метод накопления талого слоя. Он основан на радиационном оттаивании мерзлых горных пород в течение нескольких сезонов и предохранением их от промерзания в зимний период времени.

Позднее появились методы искусственного оттаивания полигонов. Эти методы оттаивания рыхлых (песчаных и крупнообломочных) мёрзлых пород являются наиболее эффективными и безопасными, и основаны они на теплоотдаче искусственных фильтрационных потоков воды.

Игловая гидрооттайка

В 1917-1918 г. первые опыты по игловой гидрооттайке проводились на Аляске Джоном X. Майлсом. В 1921 г. американец Пирс провел успешный опыт оттаивания галечников фильтрационно-дренажным способом. В дальнейшем гидравлическое оттаивание применялось в разработке россыпных месторождений Канады и Аляски[1,3].

В нашей стране игловая гидрооттайка была впервые применена в 1936-1938 гг. А началом её широкого применения на территории Советского Союза следует считать начало 50-х годов [1, 3].

Распространённый метод быстрого оттаивания мёрзлых рыхлых пород, подготовки их к дражной, бульдозерной и экска-

ваторной разработке. Оттаивание пород происходит за счёт тепла подогретой до температуры свыше 2 °С воды или водяного пара, нагнетаемых в трубы-иглы. Установка игл, как правило, совмещается с процессом бурения скважин. Буровая штанга после окончания работ по бурению подключается к гидравлической сети и служит в качестве иглы (буровая коронка имеет специальную конструкцию). Время действия игл изменяется в зависимости от условий работ от 7-12 дней до 2-3 месяцев [7]. Объём талых пород обусловливается количеством игл, расстоянием между ними, глубиной погружения. Естественный подогрев воды происходит в водохранилищах с большой площадью поверхности и незначительной глубиной. Наиболее полное использование тепла воды достигается при её 1 до 25 °С.

Фильтрационно-дренажное оттаивание мёрзлых - пород производится за счёт тепла, отдаваемого им фильтрационным потоком, распространяемым от оросительных выработок к дренажным; необходимый напор создаётся разностью уровней воды в системах этих выработок. Фильтрационно-дренажный способ гидрооттайки применяется при необходимости обработки значительных площадей с хорошо фильтрующими породами; процесс отличается большой продолжительностью [2].

Дождевально-инфильтрационный способ гидрооттайки — вода равномерно разбрызгивается дождевальными установками над обрабатываемым участком, инфильтруется через толщу пород и стекает в дренажные выработки, откуда после отстоя может снова подаваться в установку. Этот способ применяют на участках, имеющих неровную поверхность, сложенную песчано-гравийно-галечниковыми отложениями, с хорошей (в талом состоянии) фильтрационной способностью. По интенсивности дождевально-инфильтрацион-ный способ оттаивания близок фильтрационно-дренажному.

Существует так же метод электрооттаивания мерзлых пород, основан он на использовании электродов-игл которые погружаются в породу и взаимодействуют между собой. Но применяется он крайне редко, ввиду сложности его применения, и экономической невыгодности. Но в будущем, при условии уменьшения стоимости электроэнергии, этот метод может стать перспективным [2].

В советские годы большое внимание уделялось хорошей подготовке полигонов, грамотному использованию солнечного тепла и различным методам тепло-сбережения в зимний период.

Для защиты полигонов от промерзания существует ряд эффективных мер:

• затопление полигона на зиму;

• использование пленочных покрытий;

• зачернение;

• использование теплоизоляционных материалов, таких как водно-воздушная пена;

• рыхление песков.

Часто применяемым методом защиты талого полигона от промерзания, является его полное затопление на зиму. Образовавшийся слой льда предохраняет породы от промерзания. Однако и скорость естественного оттаивания под слоем воды уменьшается в 3-4 раза. К достоинствам относится простота применения и невысокая стоимость. К недостаткам этого метода относится то, что более чем в половине случаев удержать воду на затопленном полигоне не удаётся в связи с повышенной фильтрационной способностью пород и неизбежно полное или частичное промерзание.

Применение пленочных покрытий связано с тем, что они позволяют значительно увеличить воздействие солнечного тепла на многолетнемерзлую породу. Максимальный эффект от их применения обеспечивается при настилке пленочных покрытий ранней весной. Это повышает интенсивность оттаивания до 2-х раз. Этот метод обладает следующими недостатками: сложность закрепления и обслуживания, малый срок службы, относительно высокая стоимость.

Известно, что зачернение поверхности пород способствует повышению их температуры. Обычно зачерняют сажей, пеплом и торфяной крошкой. В настоящее время стали применяться битумная эмульсия и специальные смолы и лаки, которые наносятся разбрызгиванием. Получается покрытие близкое по свойствам к полимерным пленкам, однако оно не разрушается от воздействия солнечного света и ветров [2].

В настоящее время существует перспективный метод с использованием специальных пенных покрытий. Пена, полученная химическим путем в пеногенераторной установке, из

брандспойта подается на подготовленный полигон. Пена замерзает, образуя пористую массу. Опыт применения показал, что глубина промерзания пород под слоем пены толщиной 0,8 м уменьшается в 2 раза [2]. К недостаткам относится поздний срок их нанесения в связи с установлением устойчивых отрицательных температур.

Также предохранение от промерзанияосуществляется путем рыхления верхних слоев полигонов. При рыхлении нарушается структура породы и образуются воздушные поры, что приводит к уменьшению теплопроводности.

Были рассмотрены основные методы оттайки мерзлых пород на полигонах. Чтобы добиться максимальной производительности работ на добывающем предприятии, нужно выбирать метод оттайки конкретно для рассматриваемого объекта, с учетом его территориального расположения, условий залегания россыпи и климатических условий.

Эффективность использования способов оттаивания определяется свойствами грунтов: для хорошо фильтрующих пород целесообразно применять гидро- и парооттайку, для глинистых и торфяных пород предпочтительно оттаивание теплом искусственных источников, а для пород, подлежащих разработке, — послойное оттаивание. А также рекомендуется использовать комплексный метод оттайки с применением дополнительных мер предохранения от промерзания.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гольдтман В.Г., Знаменский В.В., Чистопольский С.Д. Гидравлическое оттаивание мерзлых пород, Труды ВНИИ-1, 1970. т. XXX, - 440с.

2. Лешков В.Г. Разработка россыпных месторождений, М.: изд-во «Горная книга» 2007. - 906с.

3. Потемкин С.В. Оттайка мерзлых пород, М.: изд-во «Недра», 1991. -160 с.

4. Потемкин С.В. Разработка вечномерзлых россыпей, М.: изд-во «Недра», 1969. - 152 с.

5. Шорохов С.М. Разработка россыпей открытыми работами, М.:Металлургиздат, 1948.- 561с.

6. http://www.scruber.ru/podgotovka_drazhnyx_poligonov_v_usloviyax_merzloty/

7. http://www.mining-enc.ru/g/gidroottajka/ ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Ивашин Антон Александрович — аспирант, antoxa-se@mail.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 551.345; 536 ANALYTICAL REVIEW METHOD SOFT HAWING FROZEN ROCKS

Ivashin Anton, Postgraduate student, antoxa-se@mail.ru, National Mineral Resources University (University of Mines), Russia.

Reviewed the existing methods of thawing and methods of protection of frost penetration rock massive placer deposits of cryolithozone.Described the principles of operation of each method.Lists their advantages and disadvantages. Also described are the technologies of placer deposits and their features. A brief classification helps to determine what technology are useful for specific bedding conditions placers. Provides general recommendations for the selection of the most effective methods of thawing permafrost, using modern technologies open development of placer deposits.

Key words:placer deposits, thawing, filtration and drainage thawing, frost penetration, ground,technology, frozen rocks.

REFERENCES

1. Gol'dtman V.G., Znamenskij V.V., Chistopol'skij S.D. Gidravlicheskoe ottaivanie merzlyh porod (Hydraulic defrost permafrost), Trudy VNII-1, 1970. t. HHH, 440 p.

2. Leshkov V.G. Razrabotka rossypnyh mestorozhdenij (The development of placers deposits), Moscow: izd-vo «Gornaja kniga» 2007. 906 p.

3. Potemkin S.V. Ottajka merzlyh porod (Defrost frozen rocks), Moscow: izd-vo «Ne-dra», 1991. 160 p.

4. Potemkin S.V. Razrabotka vechnomerzlyh rossypej (The development of permafrost placers), Moscow: izd-vo «Nedra», 1969. 152 p.

5. Shorohov S.M. Razrabotka rossypej otkrytymi rabotami (Development placers open cast mines), Moscow: Metallurgizdat, 1948. 561 p.

6. http ://www. scruber. ru/podgotovka_drazhnyx_poligonov_v_usloviyax_merzloty/

7. http: //www. mining- enc. ru/g/gidroottaj ka/