СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БЛОКОВ АКТИВНОГО КЛИМАТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ К ВЫЕМКЕ
METHOD OF PREPARING BLOCKS OF ACTIVE CLIMATIC ACTION FOR EXCAVATION

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и предназначено к использованию при открытой разработке месторождений твердых полезных ископаемых в условиях криолитозоны.
В условиях зоны распространения многолетней мерзлоты непосредственная выемка многолетнемерзлых горных пород ввиду их значительной прочности с применением землеройной техники зачастую невозможна. Необходима их предварительная подготовка. При этом, основными методами подготовки горных пород к выемке являются буровзрывное или механическое рыхление и оттаивание мерзлых пород.
Оттаивание мерзлых пород может быть искусственным или естественным, и нашло применение в основном при разработке россыпных месторождений и на некоторых карьерах стройматериалов. Эти способы подготовки основаны на учете известных распределений температуры в горных породах, в зависимости от глубины в различные периоды времени и зависимостях сопротивления мерзлых грунтов на изгиб разрыв и сжатие от их температуры [1-4 и др.].
Основным методом искусственного оттаивания мерзлых горных пород является гидроигловой, используемый в основном для подготовки дражных полигонов. Применение гидроиглового оттаивания пород в комплексе с выемочными и выемочно-транспортирующими машинами позволяет интенсифицировать горные работы и увеличивает глубину открытой разработки многолетне-мерзлых россыпей.
Существует также фильтрационно-дренажная оттайка, которая может применяться при подготовке пород к вскрыше, в тех случаях, когда коэффициент фильтрации рыхлых отложений, слагающих торфа превышает 50 м/сутки, а также дождевальная оттайка, которая рекомендуется при необходимости оттайки отвалов торфов или хвостов промывки прошлых лет.
В связи с постоянно увеличивающейся мощностью землеройной техники широкое распространение нашло механическое рыхление осуществляемое бульдозерами с рыхлительными агрегатами.
Буровзрывное рыхление также нашло широкое применение и не только на месторождениях с достаточно большими объемами производства горных работ. Здесь, в зависимости от горнотехнических условий буровзрывная подготовка осуществляется шпуровыми или скважинными зарядами.
Естественное оттаивание происходит под действием солнечной радиации. Его интенсивность зависит от частоты снятия талого слоя. Снятие талого слоя бульдозерами или скреперами производится по всей площади полигона не реже 1 раза в сутки. Эффективность работы выемочно-транспортирующих машин зависит от глубины оттаивания (площади срезаемой стружки) и от наличия валунов в оттаивающих рыхлых отложениях. Глубина и скорость естественного оттаивания мерзлых пород зависят от температуры наружного воздуха, состава породы и ее влажности и при непрерывной очистке оттаявших пород может достигать 25-35 см в сутки. Способ естественного оттаивания характеризуется простотой и небольшими затратами.
В сильно льдонасыщенных породах, а также при необходимости создания запаса талых пород для работы осенью применяют естественное оттаивание с накоплением талого слоя. Интенсивность оттаивания в этом случае ниже, чем при систематическом снятии талого слоя.
Для подготовки дражных полигонов может быть применен метод солнечно-радиационного оттаивания мерзлых пород под пленочным покрытием.
Высокая энергоемкость оттаивания и предохранения от промерзания пород исключают возможность использования в ближайшие годы искусственных источников энергии или других способов разупрочнения пород. Поэтому дальнейшее повышение эффективности открытых разработки зависит от решения проблемы совершенствования технологии оттаивания или предохранения от промерзания пород на основе природных энергетических ресурсов.
Известен способ разработки месторождений криолитозоны, использующий эффект оттайки мерзлых пород, заключающийся в том, что после подготовки земной поверхности выполняют горно-капитальные работы и горноподготовительные работы, вскрышные и добычные работы, подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого), и отвалообразование. В процессе подготовки очередного горизонта создают зоны интенсивного тепломассопереноса в горных породах в виде блоков активного климатического воздействия (блоки АКВ), путем прохождения выработок служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блока АКВ [5].
При этом, в зависимости от горнотехнических условий месторождения блоки располагают вдоль или перпендикулярно направлению развития фронта горных работ.
Параметры блоков, время их формирования и отработки определяют с учетом температурно-климатических характеристик района работ, теплофизических свойств горных пород, характеристик горно-добычного оборудования во взаимосвязи со степенью разупрочнения массива пород в блоке.
В природе, для участка в рельефе существенное влияние на формирование средней температуры в грунте оказывают экспозиция (ориентация склонов, откосов относительно сторон света) и крутизна склонов (угол падения солнечных лучей на склоны разной крутизны). В основном это проявляется через количество приходящей и поглощенной этими поверхностями солнечной радиации
Для иллюстрации приведем изменение температуры почвы в зависимости от экспозиции и крутизны склонов в пади Мульдаи в Восточном Забайкалье, по П.И. Колоскову [6]. Замер произведен 3-6 июня в 13 часов.
Приведенные в таблице данные указывают на гораздо более высокие температуры почвы на склоне южной экспозиции.
Глубины сезонного промерзания пород на склонах северной и южной экспозиций отличаются от глубин сезонного протаивания на склонах этих же экспозиций. Экспозиция склонов слабо влияет на глубину сезонного промерзания пород. При этом, она оказывает сильное влияние на глубину сезонного протаивания, которая на склоне южной экспозиции значительно выше.
Разница среднегодовых температур на склонах южной и северной экспозиций объясняется главным образом различием на них летней амплитуды колебаний температуры на поверхности породы. Зимой же, при очень малом поступлении лучистой энергии северные и южные склоны охлаждаются почти одинаково.
Морина О.М., Холоден Е.Э. и др., [7] также приводят данные о многочисленных исследованиях, которыми установлено, что южные склоны получают тепла больше, чем горизонтальная поверхность, а поступление тепла на поверхность северных склонов уменьшается с возрастанием крутизны и всегда бывает меньше, чем на горизонтальную поверхность. Температура воздуха и почвы на южном склоне - там, где больше всего светит солнце, всегда выше, чем на северном.
Вышеизложенный способ открытой разработки предполагает разупрочнение и оттайку блоков АКВ под воздействием солнечной радиации. Недостатком данного способа разработки является высокая зависимость интенсивности оттайки и разупрочнения блоков от продолжительности облучения откосов на теневой стороне солнцем - инсоляционной экспозиции.
Задача изобретения - обеспечить максимальный приток лучистой энергии солнца и повышение интенсивности оттайки в летний период на откосы (склоны) теневой стороны блоков АКВ.
Воздействие солнечной радиации на массив многолетнемерзлых горных пород, а соответственно его разупрочнение, можно усилить путем использования поверхностей с высокой отражательной способностью, с помощью которых можно направить лучистую энергию солнца на теневые поверхности блоков АКВ.
Предлагаемый способ подготовки блоков активного климатического воздействия к выемке, включающий подготовку земной поверхности, горнокапитальные работы, горно-подготовительные работы, вскрышные и добычные работы, технологические процессы в карьере: подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт вскрышных пород и полезного ископаемого), отвалообразование и формирование блоков АКВ в процессе подготовки очередного горизонта, отличающийся тем, что для одновременного облучения теневых склонов блоков АКВ солнечной радиацией используют модульные конструкции с поверхностями, обладающими высокой отражающей способностью, которые размещают и закрепляют с возможностью их поворота и наклона для регулирования направленности светового потока на верхней площадке смежного блока АКВ или верхней поверхности уступа по контуру карьера на солнечной стороне.
Это техническое решение, основанное на известных зависимостях температурного режима в массиве пород зоны многолетней мерзлоты, взаимосвязях прочности горных пород от температуры [2-4, 6], обладает новизной и изобретательным уровнем.
Предлагаемая технология имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- направление лучистой энергии солнца на теневые поверхности блоков АКВ позволяет интенсифицировать нагрев боковых поверхностей;
- интенсифицируются процессы тепломассопереноса в блоке, ускоряется его оттайка и разупрочнение;
- отработку блока можно начать через более короткое время с начала его подготовки.
Возможность эффективного применения данного способа открытой разработки месторождений зависит от уровня солнечной инсоляции в районе ведения горных работ, горнотехнических условий месторождения, термомеханического состояния пород и их теплофизических свойств, и параметров карьера.
На фиг. 1 показан способ подготовки блоков активного климатического воздействия к выемке.
Способ осуществляется следующим образом. После подготовки земной поверхности выполняют горно-капитальные работы и горно-подготовительные работы, вскрышные и добычные работы, подготовку пород к выемке (бурение, заряжание, взрывание), выемочно-погрузочные работы, перемещение горной породы (транспорт пустых вскрышных пород и полезного ископаемого), и отвалообразование. В процессе подготовки очередного горизонта создают зоны интенсивного теплооборота в горных породах в виде блоков активного климатического воздействия (блоки АКВ) - 1, путем прохождения выработок служащих для создания дополнительной обнаженной поверхности блока АКВ -2.
После формирования блоков АКВ на верхней площадке смежного блока 3 или верхней поверхности уступа 4 по контуру карьера размещают и закрепляют с возможностью их поворота и наклона для регулирования направленности светового потока 5 модульные конструкции с поверхностями, обладающими высокой отражающей способностью 6 для одновременного облучения солнечной радиацией откосов блоков на теневой стороне. Модульная конструкция включает в себя планшет с поверхностью, обладающей высокой отражающей способностью, а также одну или две опорные стойки из профильной трубы.
Установку модульных конструкций осуществляют посредством заглубления в грунт в специально пробуренные скважины, или на фундаментном блоке, который выполняется из монолитного железобетона.
Расстояние между блоками АКВ определяют исходя из того, чтобы не затенять щитовыми конструкциями с отражающими поверхностями откос смежного блока, а параметры блоков, время их отработки - с учетом температурно-климатических характеристик района работ, теплофизических свойств горных пород, характеристик горно-добычного оборудования во взаимосвязи со степенью разупрочнения массива пород в блоке.
Источники
1. С.В. Потемкин. Разработка вечномерзлых россыпей. М., изд-во «Недра», 1961 г. - 152 с.
2. С.В. Потемкин. Оттайка мерзлых пород: Учеб. Пособие для вузов. - «Недра», 1991 г.- 160 с.
3. А.Н. Зеленин. Основы разрушения грунтов механическими способами, изд. 2, переработанное и дополненное. М.: Изд-во Машиностроение,1968, 375 с.
4. Рашкин А.В., Авдеев П.Б., Субботин Ю.В., Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых россыпей - изд-во "Горная книга", 2007. - 352 с.
5. 1. Пат. 2575283 Российская Федерация МПК Е21С 41/26. Способ открытой разработки месторождений криолитозоны [Текст] / Панишев С.В. Заявитель и патентообладатель Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. - №2014149521/03; заявл. 08.12.2014; опубл. 20.02.2016.
6. Достовалов. Общее мерзлотоведение. Учебное пособие. / Достовалов Кудрявцев - М.: Изд-во МГУ, 1967. - 403 с.
7. Морина, О.М. Динамика температур почв при антропогенных нагрузках: учеб. пособие. О.М. Морина, Е.Э. Холоден, С.А. Лобанов, A.M. Дербенцева. - Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2008. - 115 с.