«ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ИСКУССТВЕННЫХ СУШЕНЦОВ К ВЫЕМКЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

МОРОЗОВА НАДЕЖДА ВАЛЕНТИНОВНА

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ИСКУССТВЕННЫХ

СУШЕНЦОВ К ВЫЕМКЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПНЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Диссертация На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Коростовенко В. В.

Красноярск -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................

1. СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ВОПРОСА.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ………………………………………... 1.1 Особенности подготовки пород при разработке мерзлых глинистых россыпей и анализ работ в области исследования………………………....... 1.2 Физико-механические свойства многолетнемерзлых глинистых грунтов… 1.3 Цель и задачи исследования………………………………………..…………. 2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ИСКУССТВЕННЫХ СУШЕНЦОВЫХ ЗОН…………………………………. ………. 2.1 Теоретические основы движения АРР в недеформируемой пористой среде……………………………………………………………………... 2.2 Методика проведения лабораторных исследований………………..……….. 2.2.1 Обоснование реагента………………………………………………………. 2.2.2 Подготовка к эксперименту………………………………………………… 2.3 Результаты лабораторных исследований и их анализ……………………… 2.4 Выводы…………………………………………………………………............ 3. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ИСКУССТВЕННОЙ СУШЕНЦОВОЙ ВСКРЫШИ НА ВЫСОКОЛЬДИСТЫХ РОССЫПЯХ…………………...………………………………………

3.1 Теоретические основы теплофизических процессов просадки торфов…… 3.2 Промышленные исследования по созданию искусственной сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях………………………………………….. 3.2.1 Методика проведения исследований………………………………………. 3.3 Результаты промышленных исследований подготовки сушенцовых полей при просадке торфов и их анализ…………………………………………….…... 3.4 Выводы………………………………………………………………………….

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВЛИЯНИЯ СУШЕНЦОВОЙ

ВСКРЫШИ НА ДИНАМИКУ ГОДОВОГО НАМЫВА МЕТАЛЛА………... 4.1 Обоснование параметров теоретического намывочного коэффициента с учетом объемов подготовленных искусственных сушенцов………………… 4.2 Условия применения способов подготовки искусственных сушенцов…... 4.3 Выводы………………………………………………………………….......... ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………..……………………………………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ….…………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт о проведении лабораторных испытаний проницаемости глинистых грунтов………………………………………...…………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт о проведении промышленных экспериментов на полигонах драг №230, №.2, №24 ЗАО «Прииск Удерейский»....…………………..... ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт о использовании научных результатов диссертационной работы Морозовой Н.В. …………………………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Экспериментальные значения коэффициента фильтрации в зависимости от содержания глины ……………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Проверка значимости коэффициента корреляции в полученных зависимостях………………………………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Проверка значимости коэффициента регрессии…………. ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Исходная гидрологическая характеристика..……………. ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Разрешение Главного Государственного санитарного врача на применение ПХМ в качестве коагулянта……………………………………...... ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Разрешение Министерства здравоохранения Российской Федерации на применение ПХМ в качестве коагулянта………………………......

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие мировой и российской экономики сопровождается прогрессирующим ростом объемов потребления природных ресурсов. Объемы потребления минеральных ресурсов за последние 30 лет выросли в 3 – 5 раз. Очевидно, что тенденция роста потребления минерального сырья в ближайшие десятилетия сохранится. Однако доля платежей от природных ресурсов в России составляет 3 – 4 %, а в развитых странах – 25 – %. Отсюда следует, что в России и в Красноярском крае, как типичном представителе природоресурсного региона федерации, имеются большие резервы повышения эффективности природопользования [49, 50, 103].

Развитие России и других государств во многом определяется эффективным использованием минерально-сырьевой базы и развитием промышленности, но в настоящее время производство должно быть не только экономически рентабельным, но и экологически безопасным для окружающей среды [104].

Россия входит в группу стран – экспортеров минерального сырья, доля которого в общем объеме российского экспорта составляет 65 %, и в обозримом будущем эта доля будет возрастать.

Поэтому рациональное использование недр и охрана природных ресурсов в условиях интенсивного развития промышленности – одна из важнейших проблем, от решения которой зависит успешное выполнение хозяйственных планов. В настоящее время она приобретает все большую остроту в связи с возрастающими масштабами развития горнодобывающих отраслей промышленности, невосполнимостью и сокращением дефицитных запасов полезных ископаемых, вовлечением в разработку бедных месторождений.

Сложность поставленной задачи при разработке россыпных месторождений заключается в том, что наиболее доступные россыпи, в основном, отработаны. В эксплуатацию вовлекаются россыпи, залегающие в сложных горногеологических условиях с большой мощностью торфов.

Увеличение роста объемов вскрышных работ при разработке россыпных месторождений с необходимостью применения тяжелой землеройной техники ставит подготовку мерзлых пород к выемке в число важнейших задач, стоящих перед горнодобывающей промышленностью Сибири и Северо-Востока РФ.

Особенно большое значение в последние годы приобретают методы воднотепловой подготовки многолетнемерзлых россыпей в осенне-зимний период, так как возможности существенного расширения применения масштабов буровзрывного способа рыхления торфов сдерживает его высокая себестоимость. Учитывая особенности развития горного производства Сибири и Северо–Востока, а также геологическое строение россыпных месторождений, следует ожидать, что ведущим способом водно-тепловой мелиорации многолетнемерзлых торфов станет фильтрационно-дренажное оттаивание в комплексе с подготовкой искусственных сушенцов [33].

Современное выемочное оборудование не способно эффективно и производительно работать на мёрзлых грунтах без их предварительной подготовки. Наиболее распространённым способом подготовки мёрзлых пород к выемке считается буровзрывной, но он является весьма трудоёмким, энергомким и дорогостоящим. В связи с переводом предприятий на полную окупаемость, разработка россыпных месторождений в условиях Крайнего Севера становится практически нерентабельной.

В этих условиях актуальной является разработка технологии подготовки искусственных сушенцовых зон, особенно на месторождениях с повышенным содержанием глинистых частиц. Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из двух основных элементов: оттаивания мерзлых торфов (обычно фильтрационно-дренажным способом или с помощью буровых скважин) и уменьшения влажности отложений до критической величины при помощи дренирования оттаянного массива. После этого торфа готовы к круглогодичной разработке. На россыпных месторождениях этот способ позволяет оттаивать слои мерзлых галечников или щебня, гравия, песка, если коэффициент фильтрации водопроницаемости пород составляет (в талом состоянии) не менее 40 м/сутки при содержании глинистого материала не более 5 % [33].

Актуальность научных исследований, направленных на расширение использования этого способа, особенно на месторождениях с содержанием глинистого цемента до 15 %, обусловливается высокой долей таких россыпей (табл. 1-2).

Подготовка же сушенцовой вскрыши позволит разрабатывать мерзлые торфа даже легкими бульдозерами во время сильных морозов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с «Целевой научнотехнической программой «Интеграция»: Раздел 2.3 «Исследование и разработка принципов и технологий территориально-экологической оптимизации освоения природно-ресурсного потенциала Сибири».

Таблица 1 - Актуальность научных исследований технологии подготовки искусственной сушенцовой вскрыши Таблица 2 - Структура запасов и ресурсов золота Красноярского края с возможностью создания сушенцов Красноярский край Россыпное золото, Степень разработанности темы исследования: Современные взгляды на проблемы разработки россыпных месторождений изложены в трудах крупных ученых и специалистов таких как Е.И.Богданов, В.И. Емельянов, Е.Т.Жученко, В.А.Кудряшов, В.Г.Лешков, Е.А. Компанейцев, А.В.Лобов, В.Д.Макаров, Ю.А.Мамаев А.А.Матвеев, В.П.Мязин, С.В.Потемкин, В.Г.Пятаков, А.В.Рашкин, В.В. Сборовский, Б.Л.Тальгамер, М.С.Шорохов и др. Одной из основных проблем на первое место они ставят подготовку мерзлых пород к выемке, увеличение объемов вскрышных работ, рациональное природопользование.

Подготовка мерзлых торфов к выемке при разработке россыпных месторождений традиционно относится к наиболее сложным и трудным задачам. В решение этих задач крупный вклад внесли такие ученые как П.Б.Авдеев, В.П.

Бакакин, В.Т.Балобаев, Э.И.Богуславский, Ю.М. Ведяев, В.Г. Гольдтман, Ю.Д. Дядькин, В.В.Знаменский, Н.С.Иванов, В.А. Кудрявцев, В.Е.Кисляков, Б.А. Оловин, А.В. Павлов, Г.З.Перльштейн, Т.С.Потапова, Ю.В.Субботин, С.Д.Чистопольский и др.

В научных работах отражены аспекты управления параметрами технологии подготовки многолетнемерзлых пород к выемке, способов и методов расчета. Вместе с тем, для дальнейшего повышения эффективности подготовки искусственной сушенцовой вскрыши при разработке россыпных месторождений необходимы глубокие исследования, в направлении повышения скорости проницаемости торфов с содержанием глинистых частиц более 5 % при фильтрации активированного раствора реагента (АРР), оптимизации параметров подготовки сушенцов – расстояния между горизонтальными дренами, сетки скважин, продолжительности воздействия активированного раствора реагента на массив россыпи и взаимной увязки их с добычными работами во времени и пространстве.

Цель работы: Обоснование технологии подготовки искусственных сушенцовых полей на основе их обработки активированным раствором реагента (АРР) в процессе подготовки к выемке; создание технологических схем и методик расчета параметров технологии подготовки сушенцовой вскрыши.

Задачи исследований:

1. Изучение опыта отечественных и зарубежных компаний по способам гидравлического оттаивания грунтов.

2. Исследование проницаемости торфов с повышенным содержанием глинистого цемента после обработки их активированным раствором реагента.

3. Обоснование параметров технологии подготовки искусственной сушенцовой вскрыши при фильтрационно-дренажном оттаивании массива с повышенным содержанием глинистого цемента.

4. Разработка технологии подготовки сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях.

5. Разработка методики расчета годового намыва металла при подготовке искусственной сушенцовой вскрыши.

Научная новизна диссертации:

1. Установлена взаимосвязь параметров технологии подготовки искусственных сушенцов с фильтрационной характеристикой на слабопроницаемых грунтах при их обработке АРР.

2. Установлены зависимости влияния температуры и продолжительности активации раствора реагента на проницаемость торфов.

3. Выявлена закономерность изменения объемов, подготовленных сушенцов от льдистости пород, продолжительности солнечного воздействия и температуры.

4. Выявлена зависимость продолжительности обработки АРР пород от конвективного и диффузионного массопереноса, и оптимальной продолжительности контакта АРР с породами.

5. Построены функции движения активированного раствора реагента в кусочнооднородном пласте торфов постоянной мощности.

6. Установлено, что при конформном отображении области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика;

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:

1. Проведен анализ опыта отечественных и зарубежных компаний по способам фильтрационно-дренажного оттаивания, как с помощью горизонтальных дрен, так и с помощью буровых скважин.

2. Исследовано влияние предварительной фильтрации активированного раствора реагента, на кинетику проницаемости фильтрующего агента.

3. Обоснована методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов при обработки торфов активированным раствором реагента.

4. Разработаны способы и технологические схемы оттаивания пород с высоким содержанием льда-цемента на основе учета процессов теплообмена при интенсивном водоотведении.

5. Разработанная методика планирования годового намыва металла позволяет учитывать изменение объема и содержания металла исходя из принятой технологии подготовки искусственных сушенцов, и снижения объемов вскрыши. При календарном планировании вскрышных работ определяются объемы вскрыши с учетом мощности протаивания торфов, объема искусственных сушенцов, а также площади, где необходимо произвести снятия поверхностного теплоизолирующего слоя.

Методология и методы исследований комплексные, включающие системный анализ, экспериментально-аналитический метод, физическое моделирование, математическую статистику, анализ и обобщение литературных источников и практических результатов; лабораторные и промышленные эксперименты в производственных условиях; методы математического моделирования; программирование, промышленные наблюдения, технико-экономическая оценка полученных результатов исследований и промышленное внедрение.

В результате исследований выявлен ряд зависимостей, позволяющих сделать некоторые практические выводы и рекомендации.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Подготовка искусственных сушенцов с повышенным содержанием глинистого цемента должна осуществляться на основе предварительной фильтрации раствора реагента, активированного при температуре 50-80 0С в течение 5 суток, что позволяет увеличить скорость фильтрации в 4 раза.

2. Расчет параметров подготовки искусственных сушенцовых зон необходимо производить на основе уравнений симметричной и осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах, при этом необходимо учитывать, что при глубине оттаивания значительно превышающей расстояние между дренами, заложение последних должно быть не менее 3-х метров при глубине торфов до 6 метров.

3. На основе выявленных процессов теплообмена при гидравлическом оттаивании мерзлых пород создана возможность наращивания объемов сушенцовых полей при разработке высокольдистых россыпей за счет создания высокого градиента потенциала почвенной влаги в поверхностном слое и распространения расклинивающего давления при интенсивном отведении фильтрующейся жидкости. Увеличение льдистости с 30 до 50 % приводит к росту мощности протаивания торфов от 2 до 4,6 м подготавливаемой площади.

Степень достоверности научных выводов и рекомендаций: Теория согласуется с опубликованными результатами исследований в этой области;

подтверждается корректным использованием математического аппарата и основных положений теории статистики; использованием результатов исследований при подготовке сушенцовой вскрыши на карьере ОАО «Селигдар»;

идея базируется на результатах проведенного анализа эффективности применения разработанной технологии подготовки искусственных сушенцов на слабопроницаемых грунтах с фильтрационной характеристикой при их обработке АРР;

использованы авторские данные и данные, ранее полученные по рассматриваемой тематике;

все основные научные выводы, полученные в работе, подтверждаются теоретически и практически, научные положения аргументированы, теоретические результаты работы подтверждены результатами представительного объема проведенных исследований;

использованы современные методики сбора, анализа и обработка исходной информации.

Апробация результатов работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: 7-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2009 г.); 8-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера» (г. Воркута, 2010 г.); 8-ой международной научно- технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (г. Красноярск, 2010 г.); 7-ой международной «научно-практической конференции «Перспективы образования, наука и техника» (Белград, 2011 г.);

международной научной конференции «Технические науки: теория и практика» (г. Чита, 2012 г.); 8-ой международной конференции «Наука: теория и практика» (г. Белград, 2012 г.); Всероссийской научно- практической конференции "Развитие Севера и Арктики: проблемы и перспективы", (Апатиты 2013, 6-8 ноября, СПГЭУ), научных конференциях кафедры «Техносферной безопасности горного и металлургического производства», Института цветных металлов и материаловедения, Сибирского Федерального Университета (2011-2013 г. г.) Личный вклад соискателя состоит в формировании идеи, цели и задач исследований, в разработке методики решения задач, в проведении аналитического обзора информации по существующим методам обоснования технологии подготовки искусственных сушенцов; в проведении лабораторных и промышленных исследований по изучению эффективности оттайки мёрзлых грунтов при подготовке искусственных сушенцов; в теоретическом обосновании способа подготовки искусственных сушенцов на основе воздействия на слабопроницаемый грунт активированного раствора реагента; в разработке методике расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцовых зон (обоснование расстояния между горизонтальными дренами и параметров сетки буровых поглощающих скважин); в разработке технологии подготовки сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях на основе использования расклинивающего давления в грунтах при интенсивном отведении фильтрующейся жидкости; в опытно-промышленном внедрении разработанного способа подготовки искусственных сушенцовых полей на предприятии ОАО «Селигдар».

Публикации. Основные результаты исследования представлены в отечественных и зарубежных публикациях, в том числе 4 - из списка рекомендованных ВАК России.

Реализация работы. Результаты исследований по подготовке искусственных сушенцов на основе обработки пород активированным раствором реагента применялись при составлении технологического регламента при производстве горных работ на карьерах ОАО «СЕЛИГДАР». В ходе внедрения результатов исследований диссертационной работы было установлено, что основными факторами, определяющими расстояние между горизонтальными дренами при подготовке искусственных сушенцов, являются содержание глины в грунтах, проницаемость пород, уклон плотика, мощность пород. Достигнутые в ходе промышленных исследований значения критической влажности 3,5%, позволили разрабатывать мерзлые породы даже легкими бульдозерами во время сильных морозов. На участках месторождения, где льдистость пород не удалось понизить ниже 4,5 %, была успешно использована тяжелая землеройная техника.

Таким образом, предварительная подготовка пород активированным раствором реагента позволила создать искусственные сушенцовые зоны в грунтах с содержанием глины до 15 % и снизить затраты на вскрышу на 20- %. (приложение 3). Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах по специальности «Открытые горные работы» в Сибирском Федеральном университете.

1. СТЕПЕНЬ РАЗРАБОТАННОСТИ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности подготовки пород при разработке мерзлых глинистых россыпей и анализ работ в области исследования Разведанные и прогнозные запасы россыпных месторождений сосредоточены на огромной территории Сибири, Севере и Дальнем Востоке России.

Особенностью сырьевой базы добычи золота из россыпей является то, что около 85% из них представлены мерзлыми и глинистыми породами. Для их разработки требуется проведение комплекса работ по разупрочнению массива и созданию определенного объема готовых к выемке запасов. Прогресс в области разработки многолетнемерзлых пород связан с поиском научно обоснованных решений, позволяющим увеличить скорость оттайки, обеспечить разупрочнение глинистых частиц и решить экономические и экологические задачи.

В настоящее время разработано и внедрено в производство большое разнообразие интенсивных физико-технических способов оттаивания мерзлых и разупрочнения глинистых пород. Вместе с тем, большинство способов не находят широкого применения в практике по разным причинам, основной из которых является отсутствие научно-методических подходов к определению оптимальных параметров горно-подготовительных работ. Своевременная и качественная подготовка мерзлых пород к выемке позволит расширить возможности осенне-зимней вскрыши и увеличить производительность добычных работ. Учитывая тенденции развития горного производства и особенности геологического строения россыпных месторождений, следует ожидать, что ведущим способом подготовки мерзлых пород станет создание искусственных сушенцов.

Характеристика прироста запасов за счет вторичной переработки техногенных россыпей показывает, что объем мерзлых пород будет увеличиваться.

Важнейшей особенностью мерзлых пород является высокая энергоемкость разупрочнения, достигающая 200 МДж/м. Поэтому с увеличением объемов переработки мерзлых пород возрастает значение подготовительных работ и, в первую очередь работ по оттаиванию и предохранению пород от промерзания, которые оказывают решающее влияние на технико-экономические показатели: годовая производительность драг и промприборов изменяется в 3-4 раза, потери металла в недрах и при промывке песков, а также разубоживание - в 2раза, себестоимость добычи металла - в 2-3 раза [107].

Удельная стоимость искусственного оттаивания мерзлых пород, отражающая затраты на оттаивание 1 м3 мерзлого грунта, зависит от многих природных и производственно-технических условий, а также от способа оттаивания, включая освоенность технологии его и оснащенность техническими средствами. Зимняя вскрыша торфов позволяет повысить коэффициент использования бульдозерного парка, увеличить годовой объем выработки на машину, сократить число бульдозеров в одновременной работе, уменьшить расходы на амортизацию.

Одним из создателей отечественного инженерного мерзлотоведения является Гольдман В.Г. Ему принадлежит научное обоснование способов гидравлического оттаивания, его научные разработки изложены в многочисленных Трудах ВНИИ-1 за 1959 - 70 г.г.[33]. Существенный в теоретические основы оттайки мёрзлых пород внесены В.В. Знаменским и С.Д. Чистопольским.

Также большую роль по внедрению оттайки мёрзлых пород фильтрационнодренажным способом сыграли В.Г. Гольдман, Э.И. Богуславский, С.В. Потёмкин, Г.З. Перельштейн, А.В. Рашкин, П.Б.Авдеев, Ю.В.Субботин и другие [21, 33, 97, 98, 103, 106]. По мнению В.Г. Гольдмана, фильтрационно-дренажный способ позволяет готовить не только мерзлые породы к эффективной разработке машинами, но и создавать искусственные талики в целях водоснабжения предприятий.

Огромный вклад в разработку теории и методов расчета параметров технологии подготовки пород к выемке внесли В.П. Бакакин, В.Т. Балобаев, Ю.М. Ведяев, Ю.Д. Дядькин, В.В. Знаменский, Н.С. Иванов, В.А. Кудрявцев, Б.А. Оловин, А.В.Павлов, Т.С. Потапова, Б.Л. Тальгамер, С.Д. Чистопольский, Б.В. Левинский, Р.С. Новоселецкий, В.Г. Пятков, В.М. Старков, П.Ф.

Стафеев и др. Благодаря работам этих ученых совершенствовалась и развивалась технология подготовки мерзлых пород и предохранения пород от промерзания, управления теплообменом протаивающих пород, теории и методов расчета скорости оттаивания, проектирования подготовительных работ. Большой вклад в разработку внесли научные коллективы ЛГИ, ВНИИ-1, Иргиредмета, ЦНИГРИ, Института мерзлотоведения СО АН СССР, МГРИ, ИПИ, МГИ.

Значительный вклад в развитие методов оттаивания мерзлых пород с целью повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых внесли научные коллективы Института мерзлотоведения АН СССР им.

В.А. Обручева, Института мерзлотоведения СО АН СССР, ВНИИ-1, ЦНИГРИ, Иргиредмета, кафедры мерзлотоведения МГУ, МГРИ, ЛГИ, МГИ и других научных организаций.

Вопросами подготовки многолетнемерзлых пород к выемке занимались такие крупные ученые и специалисты в области разработки россыпей Е.И.Богданов, В.И.Емельянов, Е.Т.Жученко, В.А.Кудряшов, В.Г.Лешков, Е.А. Компанейцев, А.В.Лобов, В.Д.Макаров, Ю.А.Мамаев А.А.Матвеев, В.П. Мязин, С.В.Потемкин, В.Г.Пятаков, В.В. Сборовский, С.М.Шорохов.

На основе обобщения богатейшего опыта отечественной и зарубежной горнодобывающей промышленности, и теоретических исследований были разработаны способы оттаивания, которым свойственна общность по видам используемой энергии и принципам передачи тепла мерзлому массиву.

В зависимости от мощности мерзлых пород и их свойств, применяемой техники и технологии подготовки затраты на подготовительные работы, включая вскрышу торфов, оттаивание и предохранение от промерзания, изменяются в несколько раз, достигая, а в некоторых случаях превосходя затраты на промывку песков. Практика показывает, что простого увеличения количества единичной мощности вскрышной техники и объемов вскрыши торфов недостаточно для нормативного обеспечения драг и промприборов готовыми к выемке запасами. Не удается также существенно повысить годовую производительность и снизить себестоимость добычи металла за счет ускорения оттаивания пород без применения экономичной и надежной технологии подготовки мерзлых пород к выемке.

Высокая энергоемкость оттаивания и предохранения от промерзания пород практически полностью исключают возможность использования в ближайшие годы искусственных источников энергии или других способов разупрочнения пород.

Вскрыша торфов осуществляется, как правило, в теплый период года путем послойного удаления оттаянных пород бульдозерами, работающими иногда в комплексе с экскаваторами. Из-за высокой себестоимости не получили широкого применения способы зимней вскрыши. Подготовка сушенцовых зон позволяет разрабатывать предварительно оттаянные породы, как в морозный период, так и после его окончания не прибегая к дополнительным мерам по предотвращению от промерзания.

В комплексе горно-подготовительных работ оттаивание мерзлых пород занимают особое положение. Актуальность проблемы оттаивания и промерзания горных пород на дражных полигонах обусловлена тем, что свыше 60 % их числа на мелких, неглубоких и средней мощности россыпях содержат многолетнемерзлые породы в объеме свыше 35 % от объемов горной массы, а с учетом сезоннопромерзающих пород - свыше 50 % на россыпях средней мощности, около 80 % - на неглубоких и около 100 % - на мелких россыпях. В зоне холодного климата находится 97 % дражных полигонов.

Общей и наиболее важной особенностью мерзлых пород является повышенная энергоемкость разрушения. Так, например, суглинок с влажностью около 20 % имеет в талом состоянии сопротивление резанию 0,5...0,7 МПа.

При понижении температуры до минус 1 °С сопротивление резанию возрастает до 5,0 МПа, а при минус 25 °С - до 15,0 МПа.

Разработку многолетней мерзлоты в России осуществляют преимущественно бульдозерным и экскаваторным способами в районах Крайнего Севера. Но самое современное выемочное оборудование не способно эффективно и производительно работать на мёрзлых грунтах без их предварительной подготовки.

С началом разработки россыпных месторождений на севере Урала, Сибири и Якутии ещё в прошлом столетии возникла необходимость оттайки мёрзлых грунтов. Первоначально для оттайки малых объёмов использовался открытый огонь (пожоги), а когда начали применять дражный способ разработки в суровых климатических условиях, возникла необходимость в применении игловой оттайки. Первые исследования проводились Д.Х. Майлсом в 1917-18 гг. на Аляске в районе г. Нома. В 1921 г. Американец Пирс проводил опыты по оттайки галечников фильтрационно-дренажным способом. В больших объёмах гидрооттайку начали применять с 1951 г., когда впервые в условиях Северо-востока нашей страны начали использовать дражный способ разработки. Инициаторами применения игловой оттайки для подготовки мёрзлых полигонов к драгированию были работники прииска им. Фрунзе - Куколёв П.Г., Чадаев П.Т. и другие [1]. Донцов Л.П. и Знаменский В.В. [33] отмечают, что гидроигловой способ оттаивания мёрзлых пород считается наиболее распространённым при разработке россыпей драгами и применяется на большинстве дражных полигонов Колымы и Чукотки. Одним из создателей отечественного инженерного мерзлотоведения является Гольдман В.Г. Его рекомендации в 1951 г. по механизации гидрооттайки на приисках им. Чкалова и им. Гастелло позволили удешевить и расширить масштабы гидрооттайки не только на дражных полигонах, но и на вскрышных экскаваторных работах. В.Г. Гольдману принадлежит научное обоснование способов гидравлического оттаивания, его научные разработки изложены в многочисленных Трудах ВНИИ-1 за 1959 - 70 гг.[33]. Наиболее распространённым способом подготовки мёрзлых пород к выемке считается буровзрывной, но он является весьма трудоёмким, энергоёмким и дорогостоящим [119]. В связи с переводом предприятий на полную окупаемость, разработка россыпных месторождений в условиях Крайнего Севера становится практически нерентабельной, особенно если ещё правильно решать вопросы, связанные с экологией при разработке россыпей. Интенсивным источником загрязнения атмосферы являются буровзрывные работы. При взрыве образуется ядовитое пылегазовое облако, которое может распространяться на значительные расстояния. Кроме того, при буровзрывном способе подготовки торфов к выемке укладка их производится по бортам разреза в зимний период. Летом поверхность отвалов торфов подвергается естественной оттайке с выделением загрязнённой воды, поступающей в водные бассейны, что приводит их к загрязнению.

Известен способ интенсификации гидрооттайки и БВР с использованием подогрева воды [103], что ведёт к повышенному расходу электроэнергии и в связи с этим не получил промышленное распространения. Способы гидроигловой оттайки с использованием реагентных добавок сернокислого алюминия, хлористого кальция, магния и других, не нашли широкого применения в промышленных условиях из-за отсутствия их в достаточном количестве. Совершенствование БВР связано с использованием комбинации способов, основанных на энергии взрыва и подогретой воды: взрыво-дождевание, взрыво-дренажно-фильтрационный способ, взрыво-игло-фильтрационный [103]. Все эти методы способствуют оттайке мёрзлых пород в 1,31,5 раза, но повышается энергоёмкость подготовительных работ. В связи с этим особый интерес вызывает использование взрыво-физико-химического метода разупрочнения мёрзлых пород, который мог бы использоваться для подготовки песков к выемке мощностью более 5 м при использовании экскаваторной и дражной разработки.

Наиболее простым и распространённым способом интенсификации солнечной оттайки является уборка слоями породы по мере оттайки. Это позволяет наилучшим образом использовать тепловую энергию, переносимую потоком солнечной радиации и воздухом.

В настоящее время используют бульдозеры-рыхлители не только отечественного, но и сверхмощные рыхлители зарубежного производства. Так, в условиях Севера и в восточных районах страны широко используют бульдозеры-рыхлители модели Д-355 фирмы «Комацу» (Япония), Д-9Б и Д-10 фирмы «Катерпиллар» (США) и др. Выемка (рыхление) мерзлого слоя может производиться одноковшовыми экскаваторами и обычного исполнения, т. е. без специального сменного оборудования. Бульдозерно - рыхлительные агрегаты часто используют в сочетании с одноковшовыми экскаваторами и погрузчиками, скреперами и другим землеройным и землеройно-транспортным оборудованием.

В условиях Севера и Сибири эффективен тяжелый рыхлитель ДП-9С в сочетании с бульдозером ДЗ-126. На базе осваиваемых тяжелых тракторов Ти Т-500 рекомендуется применение тяжелого рыхлителя ДП-10С с бульдозером ДЗ-59ХЛ или Д3129ХЛ и рыхлителя ДП-29ХЛ с бульдозером ДЗХЛ. Такие бульдозеры-рыхлители предназначены для разработки прочных и мерзлых грунтов сезонного промерзания и вечномерзлых при температуре грунта -15 °С, температуре наружного воздуха до -60 °С. Но при разрушении мерзлого грунта режущий инструмент быстро выходит из строя. Около 40 % эксплуатационных затрат в зимнее время приходится на замену зубьев. Для обеспечения эффективной разработки мерзлых грунтов необходимо повысить износостойкость инструмента в 30 50 раз по сравнению с износостойкостью, потребной для разработки намёрзлого грунта.

Фильтрационно-дренажное оттаивание предназначено для подготовки нескальных мерзлых пород к разработке драгами, экскаваторами, бульдозерами, погрузчиками и другой землеройной техникой [98]. Фильтрационнодренажное оттаивание основано на теплообмене искусственных фильтрационных потоков с мерзлыми горными породами Вода движется от питающей выработки (оросителя) в сторону дрены и, охлаждаясь, отдает часть тепла в подстилающую мерзлую толщу, которая постепенно оттаивает.

В конце 60-х годов в СССР был предложен способ оттаивания мерзлых пород, основанный на их нагреве ВЧ и СВЧ электромагнитных полей. Этот способ применялся для подготовки мерзлых золотоносных пород к промывке.

Основу этого способа составляет предварительный высокочастотный нагрев песков на ленте конвейера, подающего пески в промприбор [80].

Значительная доля запасов является непривлекательной из-за большого объема глинистых грунтов. В настоящее время известны такие способы как акустический, ударно-акустический, вибрационный, гидроимпульсный, ультразвуковой, криогенное воздействие и другие. Поиски технических решений идут также по следующим направлениям - предварительное насыщение пород водой; механическое разрушение вязких глинистых пород; размыв высоконапорными струями, применение химических способов обработки глин. Предварительное насыщение пород напорной или безнапорной водой нашло применение на открытых горных работах [108, 113], однако, для дражных разработок в силу особенностей технологии, связанной с быстрым подвиганием фронта добычных работ и частым затоплением полигонов, этот способ оказался неприемлемым. В практике дражных работ наиболее широкую промышленную проверку прошел механический способ.

Кроме указанных выше способов и устройств для разупрочнения глинистых пород, в научной литературе приводятся сведения о возможности повышения эффективности разупрочнения глинистых песков под действием электрогидравлического удара, акустических колебаний, магнитной обработки воды и повышения ее температуры. Неслучайно в более поздних работах, выполненных в Свердловском горном институте [28] в качестве диспергатора глинистых песков, наряду с серной кислотой принят химический реагент, предложенный КИЦМ (Красноярск) - плав хлоридов металлов. При этом предлагается комбинированная обработка глинистых песков с применением электрических полей, которая базируется на электрокинетических свойствах глинистых минералов. Показано, что реагентная обработка глинистых пород с одновременным воздействием на нее электрическим током позволяет ускорить разупрочнение песков в 6 раз, снизив расход реагента в 5 раз [28]. Учитывая большую энергоемкость данного способа, он представляет практический интерес только для хорошо энергооснащенных промышленных объектов.

Теоретические основы физико-химических процессов, происходящих при обработке глинистых минералов химическими реагентами, достаточно полно представлены в работах В.М. Гольдберга [36, 70], Б.В. Дерягина [44], А.Н. Кульчицкого [70. 71, 72], Л.А. Кульского [69] и др. [41, 110, 112].

Впервые исследования по разупрочнению глинистых пород путем их термической обработки были предприняты на предприятиях Кузбасса [121].

Исследовалась возможность искусственного изменения физико-механических свойств глинистых пород за счет удаления свободной, а затем связанной воды. Опыты с высокопластичными породами дали изменение числа пластичности более чем в 4 раза при изменении влажности в 2,5-5 раз. Однако в этом случае затраты энергии на высушивание глин до эффективной влажности (менее 10%) очень велики. Кроме того, до настоящего времени так и не разработаны рекомендации по практическому использованию данной технологии в промышленных условиях.

Для разупрочнения пород предлагается применять бактерии. Разложение алюмосиликатов под действием бактериальной флоры подтверждается исследованиями В. Логана и др. Применение бактериальных способов изменения свойств высокопластичных глинистых песков хотя и представляет определенный интерес, но применительно к разработке россыпных месторождений еще не изучено и требует проведения дополнительных исследований.

В работах М.Я.Каца и В.Д.Шутова [126] для улучшения разупрочнения глины предлагается использовать ультразвук. Авторы указывают, что горные породы, состоящие из набора различных минералов, можно рассматривать как неоднородные среди полимиктового состава. Разупрочняемость породы [1] зависит от частоты ультразвука и увеличивается с ее возрастанием и увеличением времени воздействия. Ультразвуковое диспергирование глинистых минералов в полупромышленных масштабах исследовалось институтом «Уралмеханобр».

Кроме указанных выше способов и устройств для разупрочнения глинистых песков, в научной литературе приводятся сведения о возможности повышения эффективности разупрочнения глинистых пород под действием электрогидравлического удара, акустических колебаний, магнитной обработки воды и повышения ее температуры. Данными исследованиями в разное время занимались В.В.Троицкий, Л.А. Юткин, В.А. Жученко, В.И. Гражданцев, В.А. Андрианов, Т.А. Гранская, М.Я. Кац, Н.Н.Круглицкий и многие другие.

Результаты исследований [113] свидетельствуют, что данные способы разупрочнения глины найдут применение в будущем. Отсутствие промышленных аппаратов для реализации этих способов и необходимость проведения дальнейших исследований не позволяют пока говорить о их промышленном внедрении.

В работах [4, 94, 142] приведены исследования по разупрочнению труднопромывистого материала в процессе напорного гидротранспортирования. Однако значительного эффекта при применении этого способа не наблюдается по тем же причинам, что и для устройств механического типа.

Одним из дешевых способов разупрочнения горных пород является выветривание или вылеживание горных пород в отвалах [39, 52]. Опыт применения на карьере им. 50-летия Октября показал, что наилучшие технико - экономические показатели гидромеханизированной разработки плотных глинистых пород достигаются после вылеживания в течение 2-3 лет [49, 113]. Однако такая технология разупрочнения ведет к снижению темпов добычных работ и снижает эффективность горных работ за счет больших сроков опережения подготовительных работ по отношению к добычным.

Поэтому, по нашему мнению, наиболее перспективным способом подготовки слабопроницаемых пород является создание искусственных сушенцовых полей на основе воздействия на торфа активированным раствором реагента. Применительно к условиям разработки россыпных месторождений в этом направлении работы велись в Иргиредмете, КИЦМе, Свердловском горном, Читинском политехническом, Московском геологоразведочном, ВНИПИгорцветмете, Московском горном институтах, ВНИИ-1 и ряде других.

1.2 Физико-механические свойства многолетнемерзлых Характерные черты строения россыпей в криолитозоне (районах развития многолетнемерзлых пород): совокупность криогенных (т.е. обусловленных процессами, происходящими в промерзающих, мерзлых и протаивающих породах) образований в толще продуктивных отложений и торфов. Проявляются в специфических криогенных текстурах и структурах многолетнемерзлых пород, присутствии повторножильных льдов и др. крупных форм выделений грунтового льда, наличии грунтовых жил и прочих псевдоморфоз по вытаявшим льдам. Криогенные особенности россыпей характеризуют генетические и фациальные различия отложений и служат индикатором палеографической обстановки их формирования, а также влияют на особенности распределения полезного компонента в продуктивном пласте, обусловливая как перераспределение рудных минералов в ходе процессов промерзания и протаивания, образования мощных жил льда, деформирующих пласт и вызывающих нарушение его сплошности, так и увеличение мощности торфов за счет накопления покровных льдистых толщ или ее уменьшение за счет термокарста и т.д.

Криогенные особенности россыпей определяют механические свойства грунтов и инженерно-геологические условия разработки россыпных месторождений в районах развития многолетнемерзлых пород [130].

Большинство районов современной эксплуатации россыпных месторождений характеризуется чрезвычайно суровой, продолжительной зимой. Сезонному промерзанию подвержена большая часть России за исключением ряда южных районов и побережья Черного моря. От 60% до 65% территории страны занимают многолетнемерзлые грунты [32, 119]. Наиболее широко мерзлота распространена в Восточной Сибири и Забайкалье (рис. 1.1). На территории России вечномерзлые грунты занимают примерно 47 % его площади, охватывая северные и северо-восточные районы.

Рассматривая географическое распространение многолетней мерзлоты, необходимо отметить, что в северных и северо-восточных районах они имеют сплошное распространение (зона сплошного распространения многолетней мерзлоты) и мощность их измеряется там сотнями метров, а среднегодовая температура достигает минус 7, 10 и даже минус 12 °С. К южной границе распространения вечномерзлых грунтов их мощность уменьшается до десятков метров, здесь чаще встречаются талики, а температура пород изменяется от минус 0,2 до минус 2 °С.

Рисунок 1.1– Распространение многолетней мерзлоты на территории РФ Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты была зафиксирована в феврале 1982 года - 1370 метров [29].Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введён в научное употребление в1927 году основателем школы советских мерзлотоведов М. И.

Сумгиным. Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий. «Вечная мерзлота» (многолетняя криолитозона, многолетняя мерзлота) - часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общая площадь вечной мерзлоты на Земле - 35 млн км. Распространение - север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана. Районы многолетней мерзлоты - верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2- лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1000 метров. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности - гидрата метана.

Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири. Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных Семёном Дежнёвым и Иваном Ребровым. В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таёжных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на два аршина. Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Федор Шергин начал проходку шахты в Якутске. За 9 лет была достигнута глубина 116.4 м. Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта. Мерзлая порода, это порода, имеющая отрицательную температуру и содержащая в составе лёд (рис. 1.2). Мерзлые породы называются многолетнемерзлыми, если в условиях природного залегания они находятся в мёрзлом состоянии непрерывно (без оттаивания) в течение многих лет. В мерзлых породах (нельдонасыщенных) содержатся твёрдая (минеральные и органические частицы и лёд), жидкая (незамёрзшая вода с растворёнными в ней веществами) и газообразная (воздух, пары воды и газы различных происхождения и состава) фазы.

Криогенное строение мерзлых пород определяется содержанием и пространственным распределением внутригрунтовых включений льда (рис. 1.3).

Механические свойства мерзлых пород зависят от температуры, влияющей на относительное содержание льда, цементирующего грунт, и незамёрзшей воды.

Прочность грунта в мёрзлом состоянии во много раз больше прочности того же грунта в немёрзлом состоянии. В меньшей степени это проявляется в скальных грунтах. С понижением температуры прочность мерзлых пород возрастает.

Рисунок 1.2 – Мерзлота Рисунок 1.3 - Многолетнемерзлые грунты Мерзлые породы обладают резко выраженными реологическими свойствами (ползучестью и релаксацией напряжений). Важное механических свойство мерзлых пород - наличие предела длительной прочности (максимальное напряжение, при котором деформации ползучести затухают). Длительная прочность мерзлых пород в 5-20 раз меньше мгновенной. Прочность на разрыв зависит от температуры в гораздо меньшей степени, чем прочность на сжатие и сдвиг. Угол внутреннего трения в мёрзлых и немёрзлых грунтах отличается незначительно и мало зависит от температуры. Теплофизические свойства мерзлых пород характеризуются удельной теплоёмкостью (объёмной или весовой) и коэффициентом теплопроводности (103).

Особенностью многолетнемёрзлых пород является наличие в их составе основных продуктов цементации - льда и глинистых пород. Лёд в мерзлотоведении рассматривается как специфический породообразующий минерал мёрзлых пород.

Гранулометрический состав рыхлых отложений весьма разнообразен: от валунов диаметром более 200 мм до глинистых частиц диаметром менее 0, мм. В зависимости от содержания льда и глинистых частиц изменяется и процесс оттаивания. Любые мёрзлые породы невозможно разрабатывать с применением землеройной техники без предварительной подготовки. В мёрзлом состоянии они представляют собой монолитный массив, требующий предварительного разупрочнения. Мёрзлые породы относятся к VI - VII категориям крепости по единой классификации [103].

В зависимости от формы льда и условий его залегания в мерзлой породе выделяют значительное число типов криогенных текстур, из которых наиболее широко распространены следующие: массивная, слоистая, сетчатая, корковая, порфировидная (пятнистая), базальная, атакситовая) (Рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Криогенные текстуры вечномерзлых грунтов:

1 - массивная; 2 - линзовидная; 3 - полосчатая; 4 - волнистая; 5 - косая; 6 - плойчатая; 7 - прожилковая; 8 - поясковая; 9 - сложнослоистая; 10 - ячеистая; 11 - плетенчатая; 12 - чешуйчатая; 13 - плитчатая; 14 - блоковая; 15 - сложносетчатая; 16 - корковая; 17 - порфировидная; 18 - базальная; 19 атакситовая; 20 - скелет мерзлого грунта; 21 – лед Льдистость пород может быть самой различной от нескольких десятков кг до 600 кг/м3 породы. Наиболее распространена льдистость 150 - 450 кг/м3.

Мерзлота в основном связана с глинистыми разновидностями пород осадочных формаций. Площади развития и мощность мерзлых толщ практически совпадают с таковыми комплексами горных пород [27, 29, 32]. Большое содержание глинистых минералов, содержащихся в золотосодержащих мерзлых породах весьма затрудняет процесс подготовки пород к выемке.

Глины являются одним из наиболее распространенных типов горных пород, слагающих до 11% всего объема земной коры. Глинистые породы по условиям образования занимают промежуточное положение между обломочными и хемогенными породами. Их образование связано с химическим разрушением пород, в первую очередь с гидролизом силикатов и алюмосиликатов, но их не относят к химическим осадкам, так как глинистые минералы отлагаются механическим путем, а не выпадают из растворов (Рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Глина Глины образованы чрезвычайно мелкими по размеру микрокристаллами глинистых минералов, которые во многом определяют свойства этих пород.

Глинистые минералы относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов. Высокая дисперсность глинистых минералов является их естественным физическим состоянием. Обычно размер микрокристаллов этих минералов в глинах не превышает нескольких микрон. Частицы глинистых минералов имеют преимущественно пластинчатую форму, однако встречаются также частицы в виде полосок, трубочек, иголочек [34].

В ходе геологического развития глинистых пород наблюдаются закономерная смена типов контактов и изменение их прочности. Так, при гравитационном уплотнении молодые глинистые осадки превращаются в пластичные глины. При этом происходит преобразование коагуляционных контактов в переходные. Дальнейшее уплотнение глин на больших глубинах при высоких давлениях и температурах приводит к трансформации переходных контактов в фазовые и формированию таких прочных глинистых пород, как аргиллиты и глинистые сланцы. Как правило, глинистые породы, характеризующиеся присутствием того или иного типа контактов, обладают определенными свойствами. Таким образом, зная прочность этих контактов, можно оценить величину и тип структурных связей и дать прогноз прочностного поведения глинистой породы в различных условиях.

Глинистые породы по условиям образования занимают промежуточное положение между обломочными и хемогенными породами. Их образование связано с химическим разрушением пород, в первую очередь, с гидролизом силикатов и алюмосиликатов, но их не относят к химическим осадкам, так как глинистые минералы отлагаются механическим путем, а не выпадают из растворов. Самое важное значение в диагностике глинистых пород имеет выявление глинистых минералов. Наиболее распространенные среди них относятся к рядам каолинитов, монтмориллонитов и иллитов-гидрослюд (с глауконитом).

Глинистые частицы содержат обменные катионы, образованные в результате их поверхностной диссоциации. Вследствие этого, вблизи глинистых частиц образуется и удерживается диффузионный гидратно-ионный слой (сплошная гидратная пленка прочно связной воды). Появление таких пленок увеличивает радиус действия электрических зарядов на поверхности частиц, поэтому между ними начинают действовать ионные связи, и в комплексе образуется твердое тело, т.е. глина. Основными свойствами глин являются: пластичность, вязкость, усушка, пористость, набухание, дисперсность и др.

Пластичность характеризуется числом пластичности – разностью между пределами текучести и раскатывания, которое выражается через содержание влаги, %. А.В. Ярошевский предложил пластичностью называть способность материала к необратимым изменениям формы при постоянном объеме образца без нарушения сплошности [132]. Важным показателем является консистенция. Консистенция не всегда имеет четкий физический смысл, обычно ею характеризуют совокупность реологических свойств вязкопластичного тела, определяющих подвижность материалов, в частности, глин.

Предельное насыщение глины водой – это максимальная молекулярная влагоемкость. Она находится в корреляционной зависимости от других свойств глин и поэтому может быть принята в качестве эталонного показателя свойств глин. Влажность глин оказывает значительное влияние на их прочность. Вместе с тем, эта взаимосвязь неоднозначна. Так, связность глин увеличивается по мере их увлажнения до предела, когда суммарный периметр капиллярно-стыковых мостиков растет. При дальнейшем увлажнении материала наступает состояние, когда размер отдельных мостиков продолжает увеличиваться и некоторые из начинают сливаться. В результате в определенном диапазоне увлажнения суммарный периметр может не увеличиваться, а при еще большем увлажнении - уменьшаться. Изменение влажности материала путем его подсушки или увлажнения еще больше усложнить эту взаимосвязь из-за гистерезисных явлений связности. В зависимости от условий и режима подсушки материал может как упрочняться, так и разупрочняться [44]. Структурно-механические характеристики глин зависят от комплекса факторов, включая минералогический состав. Содержание ультратонких и коллоидных частиц, влажность, плотность, текстуру, сформированных процессе генезиса, в том числе многократных циклов смерзания и оттаивания, увлажнения и подсушки, результатом которых было обратимое и необратимое их упрочнение и разупрочнение [113]. Разрушение глинистых пород после предварительной ее подсушки ускоряется вследствие того, что коллоидные прослойки, высыхая, обеспечивают прочное сцепление отдельных глинистых минералов.

Сушенцами называют нескальные горные породы, которые содержат незначительное количество поровой влаги и вследствие этого могут разрабатываться землеройной техникой, как в талом, так и в мерзлом состояниях. Сушенцы разделяются на природные и искусственные. Природные сушенцовые зоны, как правило, приурочены к русловой фации аллювиальных отложений, до начала промерзания, которых существовали благоприятные условия дренирования. На территории Северо-Востока страны глубина сезонного промерзания искусственных и природных таликов в зависимости от состава и влажности пород, толщина и состояния снежного покрова и других факторов изменяется от 2.5 до 5 м. Известные способы защиты талых отложений от промерзания в этих условиях недостаточно эффективны и требуют больших материальных затрат. Подготовка сушенцовых зон позволяет разрабатывать предварительно оттаянные породы как в морозный период, так и после его окончания не прибегая к дополнительным мерам по предотвращению от промерзания. На вскрыше подготовка сушенцовых зон дает возможность вести круглогодовую разработку пород землеройной техникой всех видов. Данные способ безопасен и по сравнению с буровзрывным рыхлением обеспечивает значительный экономический эффект, а также более высокую производительность и лучшую сохранность применяемых машин и механизмов.

Искусственная подготовка сушенцовой вскрыши при разработке россыпей является одним из перспективных направлений и включает способы и технологию оттаивания, вопросы эффективного водоотведения.

В этих условиях актуальной является разработка технологии подготовки искусственных сушенцовых зон, особенно на месторождениях с повышенным содержанием глинистых частиц. Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из двух основных элементов: оттаивания мерзлых торфов (обычно фильтрационно-дренажным способом или с помощью буровых скважин) и уменьшения влажности отложений до критической величины при помощи дренирования оттаянного массива. После этого торфа готовы к круглогодичной разработке.

В соответствии с проведенным анализом существующих способов подготовки мерзлых торфов, целью настоящей работы является расширение применения технологии подготовки искусственных сушенцовых полей на основе их обработки активированным раствором реагента (АРР) в процессе подготовки к выемке, создание технологических схем и методик расчета параметров технологии подготовки сушенцовой вскрыши.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить опыт отечественных и зарубежных компаний по способам гидравлического оттаивания грунтов;

2. Исследовать проницаемость торфов с повышенным содержание глинистого цемента после обработки их активированным раствором реагента;

3. Обосновать параметры технологии подготовки искусственной сушенцовой вскрыши при фильтрационно-дренажном оттаивании массива с повышенным содержанием глинистого цемента;

4. Разработать технологию подготовки сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях;

5. Разработать методику расчета годового намыва металла при подготовке искусственной сушенцовой вскрыши.

2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ

ИСКУССТВЕННЫХ СУШЕНЦОВЫХ ЗОН

2.1 Теоретические основы движения АРР в недеформируемой В многолетнемерзлых пористых торфах (породах) при разработке россыпных месторождений, силы сцепления отдельных частиц грунта связаны наличием льда-цемента. По этой причине наибольшую прочность имеют торфа, поры которых полностью заполнены льдом. При снижении влажности мерзлых пород от 5 до 3 % наблюдается особенно резкое снижение их прочности (под влажностью понимается отношение массы влаги к массе сухой породы). Если влажность торфов не превышает некоторое критическое значение, то после промерзания они остаются сыпучими и легко разрабатываются любой землеройной техникой без предварительного рыхления как в талом, так и в мерзлом состояниях. Критическая влажность песчаных пород составляет около 3,5 %. Породы, подготовленные таким образом, называются искусственными сушенцами. Сушенцы также могут иметь и природное происхождение.

Природные сушенцовые зоны, как правило, приурочены к русловой фации аллювиальных отложений. Причем, до начала отрицательных температур на таких отложениях существовали хорошие условия для их дренирования.

Ещё одним фактором, снижающим возможность создания искусственных сушенцовых зон, является проницаемость торфов, связанная с содержанием глинистых минералов. Максимальное содержание глины в торфах не должно превышать 5 %.

Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из двух основных элементов: оттаивания мерзлых торфов (обычно фильтрационно-дренажным способом или с помощью буровых скважин) и уменьшения влажности отложений до критической величины при помощи дренирования оттаянного массива. После этого торфа готовы к круглогодичной разработке. Реализация фильтрационно-дренажного оттаивания и создание искусственных сушенцов предъявляют сходные требования к составу и гидрофизическим свойствам торфов. Фильтрационно-дренажный способ гидравлического оттаивания отличается от иглового в основном тем, что искусственно питаемый фильтрационный поток движется не вертикально вверх, а горизонтально, по напластованиям, под влиянием уклона свободного уровня. Длина путей горизонтальной фильтрации от места питания до выхода воды в дренирующую горную выработку или скважину может составлять 20 - 80 м. Это расстояние назначается в зависимости от заданной конечной глубины оттаивания, фильтрационных свойств пород и допустимой продолжительности работ. Меньшее расстояние обеспечивает более интенсивное оттаивание. На россыпных месторождениях этот способ позволяет оттаивать слои мерзлых галечников или щебня, гравия, песка, неразделенные слабопроницаемыми прослоями (глины, суглинки или супеси), если характеристика водопроницаемости пород толщи удовлетворяет следующим нормам[33]:

- средневзвешенный (по вертикали) коэффициент фильтрации (в талом состоянии) не менее 40 м/сутки;

- минимальный коэффициент фильтрации (в талом состоянии) отдельных слоев толщи не менее 10 м/сутки;

- мощность пласта непроницаемых глинистых пород, залегающего под галечниками, в основании разреза, не более 2 м;

- на наклонных участках, где средний уклон фильтрационного потока составляет от 0,1 до 0,25, такой способ дает удовлетворительные результаты в породах со средним коэффициентом фильтрации 20 м/сутки.

Для проектирования фильтрационно-дренажной гидрооттайки применяют послойное определение коэффициента фильтрации пород.

Фильтрационно-дренажная оттайка по своим технологическим и организационным характеристикам наиболее простой способ оттайки. Однако, его интенсивность значительно меньше по сравнению с гидроигловым. Это обстоятельство и мешает его широкому применению. Практически фильтрационнодренажная оттайка применяется сейчас на ограниченных площадях при необходимой глубине оттаивания не превышающей 5 - 6 метров, хотя доказана возможность достижения глубины до 8 м. При многолетнем цикле оттаивания, фильтрационно-дренажную оттайку необходимо сочетать с трудоемким и дорогостоящим предохранением от промерзания.

Фильтрационно-дренажная оттайка целесообразна в сочетании с другими способами подготовки мерзлых горных пород к разработке, когда работа организована так, чтобы к концу сезона естественного оттаивания можно было переключить технику на разработку пород, оттаянных фильтрационно-дренажным способом. Таким образом, проектировать оттайку следует так, чтобы необходимая глубина была достигнута к окончанию теплого времени года.

Наибольшее распространение получила фильтрационно-дренажная оттайка, при которой питание и дренирование фильтрационного потока происходит по открытым канавам.

При фильтрационно-дренажном оттаивании в однородном массиве торфов имеет место равномерная установившаяся фильтрация, при которой линии тока фильтрующегося активированного раствора реагента (АРР) являются параллельными прямыми. При такой фильтрации форма и размеры живого сечения потока не изменяются по его длине. Так как границы подготавливаемого полигона не создают особых условий для сил сопротивления, то движение АРР во всей области фильтрации будет одинаковым.

2.2 Методика проведения лабораторных исследований Для исследования возможности расширения области применения этого способа были проведены лабораторные и позднее опытно-промышленные исследования на месторождениях Саха (Якутия) предприятии ЗАО «Селигдар», на полигонах драг № 230, № 2, № 24 ЗАО «Прииск Удерейский», а также на предприятии «Аналит-тест-уголь» по подготовке искусственных сушенцов с содержанием глины в грунтах до 15 %. Основной идей работы явилось то обстоятельство, что способ подготовки сушенцовых зон с предварительной фильтрацией в массиве россыпи активированным раствором реагента(АРР) даст положительные результаты [82, 83,84,85,86,87,88].

Еще в 1953 г. М. Маскет приводил данные, свидетельствующие о том, что проницаемость глинистых пород, замеренная по минерализованной жидкости в несколько раз больше проницаемости этих же пород по пресной воде [36].

В.В. Девликамов в 1959 г., проводя исследования с глинистыми песками, также установил, что их проницаемость для пластовой воды (высокоминерализованной) значительно выше, чем для пресной. Исследования влияния состава фильтрующей жидкости на проницаемость глин проводились на естественных каолиновых, монтмориллонитовых глинах и глинах смешанного минерального состава, песчано-глинистых смесях с различным содержанием Са - и Nа- монтмориллонитовых глин и искусственных монтмориллонитовых глинах с преобладающим содержанием в составе поглощенного комплекса катионов Са2+ и Nа+.

В качестве фильтрующейся жидкости использовались реагенты типа алюминат натрия, хлорное железо, сепаран 2610 совместно с электролитами, гипохлорит, силикат натрия и высокомолекулярные полимеры типа КОДТ (продукт конденсации кубовых остатков гексаметилейдиамида, таллового масла и дихлорэтана) и др. Хорошие результаты были получены при использовании хлорного железа и силиката натрия. Основным фактором, ограничивающим широкое применение всех других реагентов в промышленности, является отсутствие исследований их токсичности. Вероятно, эти реагенты найдут применение при подготовке искусственных сушенцов в будущем, после исследования их эффективности, влияния на окружающую среду, возможности использования при разработке россыпей.

В настоящее время на промышленных объектах в качестве диспергатора используют сернокислый алюминий, алюминат натрия, хлорное железо, серную кислоту, сепаран 2610 совместно с электролитами, гипохлорит, силикат натрия и др. [82, 83,84].

Сернокислый алюминий используется как коагулянт на водопроводных станциях при содержании глинистых частиц не более 20 г/л.

Применение его для температурной активации малоэффективно в связи с тем, что этот реагент не оказывает существенного влияния на прочностные свойства глины [87,88]. Хлорное железо, хлорная известь также применяются в промышленности для диспергации глинистых грунтов. Повышение эффективности процесса диспергации глинистых грунтов может существенно увеличить кинетику проницаемости торфов.

Сепаран 2610, продукт химической компании ДАУ США, в смеси с электролитами может быть использован как диспергатор. Но его использование затруднено в связи с отсутствием исследований по определению его токсичности. Алюминат натрия применяется в основном также как коагулянт, слабо изменяя прочностные свойства глинистых минералов [82]. Использование гипохлорита ограничено в связи с большим расходом - 180 мг/л [58].

В настоящее время изучается возможность применения высокомолекулярных полимеров типа КОДТ /продукт конденсации кубовых остатков гексаметилейдиамида, таллового масла и дихлорэтана и др. Вероятно, эти реагенты найдут применение в будущем, после исследования их эффективности, влияния на окружающую среду, возможности использования при разработке россыпей.

Для повышения скорости фильтрации в глинистых грунтах нами предложены два химических реагента - хлорное железо и силикат натрия [85, 86,87,88]. Сравнительный анализ эффективности применяемых реагентов, проведенный на основании однофакторного, полностью рондомизированного эксперимента, позволил установить, что хлорное железо в настоящее время является наиболее эффективным реагентом для предварительной его активации и использования при подготовке искусственных сушенцов [78, 98].

Оптимальный расход реагента, обусловленный величиной pH-воды в пределах 6-6,5 составил 50 г/т подготавливаемых торфов.

устойчивость системы, производилась методом электроосмоса по известной методике [78, 98]. Величина потенциала рассчитывалась по формуле Гельмгольца-Смолуховского где – вязкость воды, равная 0, D – диэлектрическая постоянная, равная 81;

() – объем жидкости, перенесенной через поперечник диафрагмы при силе тока I за время t;

Результаты измерений электрокинетического потенциала показали, что минимальная величина – потенциала соответствует оптимальному расходу хлорного железа для использования в качестве АРР - 50, 70 и 100 г/т при содержании глины в песках 5%, 10% и 15 % соответственно [82, 84, 85, 86].

Дальнейшее увеличение или уменьшение дозировки реагента приводит к утолщению диффузной части электрического слоя, в результате чего влияние фильтрующейся жидкости на проницаемость торфов снижается.

Таким образом, установлено, что минимальная величина – потенциала соответствует оптимальному расходу хлоридов металлов 50 г/т, либо г/м3, если = 2,6 т/м3.

Поэтому в дальнейшем в качестве фильтрующейся жидкости использовался раствор хлорного железа с концентрацией раствора 40-50%. [61, 62, 63].

Выбранный реагент должен соответствовать следующим требованиям: быть экологически безопасным и обладать высокой эффективностью при незначительном расходе.

Хлорное железо - средняя соль трехвалентного железа. На вид это химическое сырье представляет собой мягкую кристаллическую массу ржавокоричневато-черного цвета. Хлорное железо образуется в результате нагревания железа с хлором. Его можно получить также как побочный продукт при производстве хлорида титана TiCl4 и хлорида алюминия AlCl3. Еще один способ получения хлорного железа – горячее хлорирование или окисление раствора FeCl2 с последующим выпариванием раствора FeCl3.

Сфера применения хлорного железа достаточно широка. Его используют как коагулянт для очистки воды, как катализатор в органическом синтезе, как протраву в процессе окрашивания тканей, а также для приготовления железных пигментов и прочих солей железа. Еще раствор хлорного железа используют для травления печатных плат. Достаточно широкое распространение хлорное железо получило в качестве коагулянта в процессе очистки промышленных и городских сточных вод. По сравнению с другими коагулянтами, в частности с сернокислым алюминием, этот химический продукт имеет важное преимущество – хлорид железа наделен высокой скоростью осаждения разнообразных примесей. В результате гидролиза хлорное железо образует малорастворимый гидроксид железа. В процессе его образования захватываются различные органические и неорганические примеси, образуя при этом рыхлые хлопья, которые легко удаляются из очищаемых стоков. Такие хлопья, плотностью 1001–1100 г/л и размером 0,5–3,0 миллиметров, имеют довольно большую поверхность с отличной сорбционной активностью. В процессе их образования в структуру включаются взвешенные вещества (крупные микроорганизмы, клетки планктона, ил, остатки растений), коллоидные частицы, а также часть ионов загрязнений, ассоциированных на поверхности данных частиц. При помощи данного продукта процесс осаждения шлама протекает намного быстрее и глубже. Еще одно преимущество хлорного железа - его благоприятное влияние на биохимическое разложение шлама. Для качественной очистки сточных вод на один кубический метр требуется 30 г хлорного железа. Очистка вод хлорным железом уменьшает содержание растворимых примесей до процентов, а нерастворимых до 95 процентов. В процессе проведения очистки сточных промышленных и городских вод ядовитые соединения и микроорганизмы разрушаются гипохлоритом натрия. Используется этот продукт и в других сферах жизнедеятельности человека, в частности: с его помощью осветляются природные воды в системах водоподготовки; удаляется масло из стоков масложировых комбинатов; он используется при очистке сточных вод кожевенно-меховых предприятий от соединений хрома; для смягчения хозяйственно-питьевой воды; в хлорорганическом синтезе и как кровоостанавливающее средство в медицине.

По физико-химическим показателям железо хлорное техническое соответствует ТУ У 24.1-05444552-045:2005. Высокое качество подтверждено Испытательным центром по оценке безопасности продукции и технологий, применяемых для очистки и обеззараживания воды и экспертными заключениями Государственного Учреждения НИИ Экологии Человека и Гигиены Окружающей Среды им. А.Н. Сысина РАМН. Кроме того, были получены разрешения Министерства Здравоохранения Российской Федерации на применение хлоридов металлов в качестве коагулянта при разработке россыпных месторождений (приложения 8, 9).

Модифицированные разности монтмориллонита получены путем соответствующей обработки монтмориллонитов растворами хлористого натрия и кальция с последующей отмывкой глинистых суспензий от анионов СI -, центрифугированием и уплотнением в специальных пресс-формах. При конечном удельном давлении примерно в 7 кПа образцы были выдержаны в течении нескольких месяцев. В ходе испытаний на установке УИПК-1М (рис. 2.1, приложение 1) давление гидрообжима образцов Са - и Nа- монтмориллонита, соответствовало конечному удельному давлению. Природные образцы подвергались обжиму, соответствующему давлению, испытываемому этими образцами в естественных условиях В гораздо меньшей степени изучено влияние температуры на проницаемость глинистых пород. Экспериментальные исследования З.А. Водоватовой [36]показали, что проницаемость песчано-глинистых пород возрастает с ростом температур. По мнению автора, увеличение проницаемости обусловливается сокращением мощности диффузной части двойного электрического слоя и переходом рыхлосвязанной воды в свободное состояние, что, в свою очередь, вызывает увеличение эффективного объема поровых каналов. Было показано, что проницаемость песчаников (на каолинит - гидрослюдистом цементе) при повышении температуры до 900С возрастает в среднем в 2 раза и более.

Поэтому исследования влияния температуры на проницаемость глин проводились на естественных каолиновых, монтмориллонитовых и слюдистых глинах и их разностях с использованием дистиллированной воды и растворов реагентов различной концентрации. Экспериментальные работы на каолиновых глинах осуществлялись в трех диапазонах температур 20-25 (комнатная), 50-60 и 80-900С, на монтмориллонитовых и слюдистых глинах было увеличено число промежуточных точек в области температур 40-700С. Перед повышением температур образцы выдерживались в установке при заданном давлении гидрообжима в течение 2-20 сут. Для исключения влияния температурного гистерезиса образцы вначале подвергались многократным нагревам и охлаждениям. За исходные значения проницаемости (при комнатной температуре) принимались их постоянные значения, не изменяющиеся после очередного цикла нагрев – охлаждение. При последующем нагреве на каждой температурной точке образец выдерживался в течении 1 сут.

Рисунок 2.1 – Стенд для исследования фильтрации АРР в недеформируемой пористой среде.

1, 5, 6 – контейнеры высокого давления для масла; 2,3,4 – контейнеры высокого давления для воды;

7, 9, 10 – контейнеры; 8 – преобразователь измерительный типа Сапфир – 22ДД; 11 – отсекатель воды;

12 – термостат; 13 – кернодержатель;14, 15 – прессы; 16 – пресс двухходовой с многоступенчатой коробкой передач; 17 – счетчик оборотов пресса.

Начальная скорость фильтрации выбиралась исходя из фактических скоростей фильтрации при применяемой системе разработки исследуемой россыпи. В процессе всего эксперимента в системе поддерживать пластовое давление. Необходимые замеры - перепад давления фильтрации, продолжительность фильтрования, температура опыта для расчета фильтрационной характеристики и водопроницаемость образца производились через 30 минут до полной стабилизации. Расход фильтруемой жидкости определяется по показаниям счетчика оборотов пресса. После установления постоянной скорости фильтрования АРР открывался кран и продолжалось фильтрование жидкости, до полной стабилизации фильтрации. Фильтрация исследуемого раствора реагента через образец торфов производилась в условиях, исключающих наличие свободного воздуха в породе или воде, т.е. гарантирующих однофазность потока в продолжение всего эксперимента.

Температурный режим регулировался электротермическим методом (взамен термостатирования предусмотренного УИПК-1М в заводском исполнении), позволяющим значительно сократить время стабилизации температуры на каждой ступени до 203 ч и увеличить верхний диапазон изменения температур до 1000С и выше. Расчет фильтрационной характеристики торфов при фильтрации АРР производить по формуле:

где К– коэффициент проницаемости, мкм2;

µ– динамическая вязкость при условиях фильтрации, Пас;

l– длина образца, см;

– расход профильтрованной воды, см3/с;

P– перепад давления на образце между входом и выходом, МПа;

S– площадь поперечного сечения образца, см2.

Водопроницаемость грунтов, обусловленную количественным и качественным составом их глинистого цемента, вычислялась по зависимости:

где Кв– водовосприимчивость породы;

Км– проницаемость породы, обработанной АРР, мкм2;

Кп– проницаемость породы, мкм2.

Кв может принимать различные значения - положительные, нулевое, отрицательное. Чем больше положительное значение Кв, тем хуже проницаемость образца. При нулевом значении Кв сохраняется природная проницаемость торфов. При отрицательных значениях Кв проницаемость породы после обработки реагентом выше, чем по простой воде.

В ходе экспериментов фиксировалось значение pH воды на приборе pHКонцентрация протонов водорода определялась с целью установления влияния реагента на коррозионный износ оборудования в процессе его гидролиза.

В промышленных условиях эксперименты проводились на предприятии ОАО «Селигдар», на полигонах драг № 230, № 2, № 24 ЗАО «Прииск Удерейский», а также на предприятии «Аналит-тест-уголь» (приложение 1-3). Выбор способа питания фильтрационного потока (АРР) принимался в зависимости от типа разреза, толщи мерзлых пород, их мощности и характера рельефа участка россыпи. Дренажные канавы (рис.2.2) применялись при заданной глубине оттаивания до 6 м.

Контроль над процессом осушения торфов осуществлялся путем измерения уровней фреатической поверхности в пьезометрических скважинах. Для определения остаточной влажности торфов перед наступлением сильных холодов проходили контрольные канавы с отбором и опробованием образцов.

Если влажность торфов была меньше критической, то полигон считался готовым к круглогодичным вскрышным работам.

Поглощающие буровые скважины применялись при глубине оттаивания до 8 метров и содержании в толще торфов линз слабопроницаемых пород.

Из воды всегда оседает некоторое количество ила, который образует сначала прерывистый слабопроницаемый экран на дне и постепенно оставляет для инфильтрации только отдельные проходы в крупных порах. Кроме того, тонкий ил кольматирует галечник на глубину 0,2 – 0,4 м. Поэтому фильтрационную канаву располагали за внешним контуром площади оттаивания (рис.2.2). Глубина слоя воды в максимально заполненной канаве достигала 1,5м.

Рисунок 2.2 - Технологическая схема для расчета параметров фильтрационнодренажной оттайки:

1 – фильтрационная канава; 2 – дренажная канава; Lф – расстояние между канавами, м; hвф – глубина потока воды в фильтрационной канаве, м; hвд – глубина потока воды в дренажной канаве, м; hф – глубина фильтрационной канавы, м; hд – глубина дренажной канавы, м; Т – глубина дренирования, Дренажные канавы шириной 3 м проходили бульдозером с расположением отвалов в конце каждого тупика. Ряд горизонтальных дрен в течение первого периода обработки массива АРР располагались на расстоянии, определяемом только опытным путем, что снижало эффективность проведенных мероприятий. В дальнейшем фронт питания фильтрационного потока переносился за внешний контур площади оттаивания, где к этому времени были пройдены новые дренажные канавы.

Отсутствие научно-обоснованной методики расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов (расстояния между горизонтальными дренами, параметры сетки поглощающих скважин, продолжительность обработки торфов АРР и др.) снижало ожидаемый эффект. Это обстоятельство послужило основанием для решения задачи - разработки теоретических основ подготовки искусственных сушенцов в слабопроницаемых породах на основе обработки их активированным раствором реагента.

2.3 Результаты лабораторных исследований и их анализ Реализация поставленной задачи заключается в том, что рассматриваемый фильтрационный поток области приведенного комплексного потенциала фильтрации будет прямолинейным многоугольником на плоскости со сторонами параллельными оси координат 0Х (рис.2.3). Произведя конформное отображение области приведенного комплексного потенциала фильтрации можно будет определить все характеристики фильтрационного потока, а, следовательно, искомые параметры технологии подготовки искусственных сушенцов.

Результаты лабораторных исследований представлены в табл. 2.2 - 2.5, на рис. 2.3 - 2.5 и в приложении 4. После обработки результатов лабораторных экспериментов получена зависимость коэффициента фильтрации в грунтах от содержания в них глинистых частиц, после их обработки АРР где Сгл – содержание глинистых минералов, %.

Совокупный коэффициент корреляции составил 0,9. Стандартное отклонение 0,03 м/сут. Уравнение действительно при значениях 3%Сгл 20%. Полученные уравнения регрессии здесь и далее проверены на адекватность по критерию Стьюдента, при уровне значимости =0,05. Статистические характеристики разработанных моделей представлены в приложениях 5, 6.

Скорость фильтрации в массиве россыпи в первоначальный момент времени увеличивается при этом в20-40 раз. После чего происходит стабилизация процесса. В дальнейшем кинетика движения АРР превышает нормальный процесс в 2-4 раза.

Коэффициент фильтрации, Кф, м/сут Таблица 2.2 - Усредненные данные влияния изменения продолжительности активации раствора реагента на коэффициент фильтрации Таблица 2.1 - Результаты исследований скорости фильтрующейся жидкости в зависимости от содержания глины в торфах Таблица 2.3 - Усредненные данные влияния изменения температуры активации раствора реагента на коэффициент фильтрации Содержание Коэффициент фильтрации, м/сут при температуре активации, град Таблица 2.4 - Построение функции скорости фильтрации в зависимости от продолжительности активации раствора реагента п/п глинистых Математическая модель, м/сут фици- критерий Таблица 2.5 - Построение функции скорости фильтрации в зависимости от температуры активации раствора реагента при различном содержании глинистого цемента п/п глинистых Математическая модель, м/сут циент кор- критерий Установлены также зависимости (табл. 2.4, 2.5) скорости фильтрации от продолжительности и температуры фильтрующей жидкости (АРР). Анализ полученных данных показывает, что оптимальная зона продолжительности воздействия на раствор реагента лежит в области от 5 до 10 суток, а температура активации находится в пределах от 60оС до 80оС.

Коэффициент фильтрации, м/сут.

Рисунок 2.4 - Проницаемость грунтов в зависимости от динамики продолжительности активации Рисунок 2.5 - Проницаемость грунтов в зависимости от динамики температуры активации 3) было установлено, что кроме расстояния между дренами, продолжительностью обработки торфов АРР на скорость и себестоимость фильтрационно-дренажной оттайки оказывает влияние и глубина дренажных канав. Промышленные эксперименты проводились на предприятии ОАО «Селигдар», на полигонах драг № 230, № 2, № 24 ЗАО «Прииск Удерейский», а также на предприятии «Аналит-тест-уголь».

Установлено, что при увеличении расстояния между дренажными канавами в несколько раз превышающего глубину оттаивания, скорость оттаивания становится недостаточной, что требует увеличения глубины заложения горизонтальных дрен до 3м (при мощности подготавливаемого пласта сушенцов до 6м).

При этом рассматривают два варианта расчета. Первый - предусматривает, что массив торфов однородный с равномерным содержанием глинистого цемента. Второй – неоднородное содержание глины в торфах (слоистые породы).

При фильтрационно-дренажном оттаивании в однородном массиве торфов (первый вариант расчета) имеет место равномерная установившаяся фильтрация, при которой линии тока фильтрующегося активированного раствора реагента (АРР) являются параллельными прямыми. При такой фильтрации форма и размеры живого сечения потока не изменяются по его длине. Так как границы подготавливаемого полигона не создают особых условий для сил сопротивления, то движение АРР во всей области фильтрации будет одинаковым (рис.2.4). Уравнение такой фильтрации имеет вид [6] х – координаты движения АРР по оси 0Х.

Пьезометрический уклон или градиент напора составит тогда где Кф – коэффициент фильтрации, м/сут; V - скорость фильтрации, м/сут;

Н1 – напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м;

Н2 – напор фильтрующейся жидкости при х = Lф, м;

Lф – расстояние между горизонтальными дренами, м.

Градиент напора Jи скорость фильтрации АРР будут одинаковы во всех точках области фильтрации в массиве россыпи. Если площадь живого сечения фильтрационного потока принять за F, то фильтрационный расход составит Если форма полигона россыпи прямоугольная, то где Т – мощность пласта торфов, м;

b – ширина полигона (ширина потока), м.

Удельный фильтрационный расход определяется как Подставляя (2.4) в (2.6) получим В случае конформного отображения области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, при котором поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика i=tg (рис.2.6).

Рисунок 2.6 –- Одномерная установившаяся фильтрация АРР:

Н1 – напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м; Н2– напор фильтрующейся жидкости при х = Lф, м; - угол наклона плотика, град.; Lф– расстояние между горизонтальными дренами, м;

Н – глубина потока, м.

В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика и равен уклону (i), а потому скорость фильтрации в любой точке россыпи составит Фильтрационный расход АРР При фильтрационно-дренажном оттаивании имеет место горизонтальная дрена, т.е. случай симметричной фильтрации. Поэтому при определении области приведенного комплексного потенциала фильтрации примем за плоскость сравнения напоров плоскость горизонтальной дрены. В этом случае Из формулы (2.14) удельный расход составит Отсюда расстояние между канавами составит С учетом реологических свойств фильтрующей жидкости расстояние между горизонтальными дренами можно определять по формуле – вязкость активированного раствора реагента, мПас;

где 0 – вязкость воды, мПас;

гр – коэффициент гравитационной водоотдачи, доли ед.

Очевидно, что при фильтрации в пласте торфов образованным из (n) параллельных слоев с мощностями Т1, Т2 … Тn и коэффициентов фильтрации К1, К2, К3… Кn. в каждом слое имеется одномерная установившаяся фильтрация (второй вариант расчета).

Тогда согласно (2.11) в m-м слое удельный фильтрационный расход равен При использовании буровых скважин (рис.2.7) правильно будет воспользоваться уравнениями осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах [63, 87, 88]:

После интегрирования этого уравнения получим величину напора где hо – напор в самой скважине, м; r - цилиндрические координаты движения активированного раствора реагента по оси (r).

Рис. 2.7 – Схема фильтрации АРР для случая поглощающей скважины:

Т – мощность торфов, м; h0 – напор в скважине, м; r0 – радиус скважины, м;

h - напор на расстоянии (r) от скважины, м; Н – напор, м;

R – радиус влияния поглощающей скважины, м.

Полученное выражение является уравнением кривой напоров при фильтрации к скважине. Уравнение кривой напоров для случая оттока от скважины (поглощающая скважина) имеет вид Из последнего уравнения, полагая, что на расстоянии R от скважины h=H, получим формулу для расхода, поглощаемого скважиной Как видно из формулы (2.18), для определения искомого расстоянияR от скважины необходимо знать напор потока, расход и реологию фильтрующегося АРР[61] В ходе промышленных экспериментов установлено также, что при увеличении расстояния между дренажными канавами в несколько раз превышающего глубину оттаивания, скорость оттаивания становится недостаточной, что требует увеличения глубины заложения горизонтальных дрен до 3м (при мощности подготавливаемого пласта сушенцов до 6м).

При этом построение функции движения АРР в пласте торфов постоянной мощности имеет два варианта расчета. Первый предусматривает, что массив торфов кусочнооднородном с равномерным содержанием глинистого цемента. Второй предусматривает неоднородное содержание глины в торфах (слоистые породы). Рассмотрим построение функции движения активированного раствора реагента для первого варианта.

При фильтрационно-дренажном оттаивании в кусочно-однородном массиве торфов (первый вариант расчета) имеет место равномерная установившаяся фильтрация, при которой линии тока фильтрующегося активированного раствора реагента (АРР) являются параллельными прямыми. При такой фильтрации форма и размеры живого сечения потока не изменяются по его длине.

Так как границы подготавливаемого полигона не создают дополнительных сил сопротивления, то движение АРР во всей области фильтрации будет одинаковым.

Равномерная неустановившаяся фильтрация АРР может иметь место в горизонтальном полосообразном пласте кусочнооднородного пласта торфов, когда напоры на границах пласта изменяются во времени. Скорость фильтрации будет одинаковой в пределах всего пласта, но переменной во времени.

На рис. 2.8 представлено поперечное сечение пласта, причем Н1 (t) и Н (t) обозначены переменные во времени напоры на границах пласта и через Н (t)=Н1(t)-Н2(t)– переменной во времени действующий напор в подготавливаемом пласте.

Рисунок 2.8 – Равномерная неустановившаяся фильтрация несжимаемого АРР:

Н1 – напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м;

Н2 – напор фильтрующейся жидкости при х = Lф, м;

– угол наклона плотика, град.;

Lф – расстояние между горизонтальными дренами, м;

h - глубина потока, м.

Пусть (t) – переменная во времени скорость фильтрации в пласте и h (x, t) – переменный по координате и времени напор в сечениях пласта, перпендикулярных к линиям тока. Тогда уравнение установившейся фильтрации АРР будет иметь вид [94].

где k и gсоответственно – коэффициент фильтрации торфов и ускорение силы тяжести.

Так как скорость фильтрации от x не зависит, то пьезометрический уклон (dh/dx) будет постоянен по координате x и равен среднему пьезометрическому уклону в кусочнооднородном пласте торфов, т.е.

Принимая во внимание то, что переменный по координате и времени напор активированного раствора реагента в сечении пласта hx=0=H1 и проинтегрировав уравнение (2.26) получим:

Формула (2.27) дает выражение напора в пласте в любой момент времени. На первый взгляд, результаты проведенных исследований достаточно неожиданные. В соответствии с общепринятым представлением о характере протекания физических процессов, жидкость, в том числе и АРР, принимается несжимаемой. На самом деле из этой зависимости можно сформулировать следующий вывод: при равномерной неустановившейся фильтрации АРР всякое изменение напора на границах фильтрационного потока приводит к мгновенному перераспределению напора во всем потоке.

Подставляя в уравнение (2.26) вместо пьезометрического уклона (dh/dx) его выражение (2.27) после интегрирования получим уравнение перераспределения напора во всем потоке АРР [62, 87]:

где 0 - скорость фильтрации в пласте в начальный момент времени (t=0) после заполнения распределительной канавы и оросителей активированным раствором реагента.

Зависимость (2.28) дает выражение скорости фильтрации в пласте в любой момент времени. Указанная зависимость получена нами при учете сил инерции. Отсюда длина фильтрационного потока или расстояние между двумя горизонтальными дренами составит[87] Однако, оценка влияния ускорения силы тяжести на скорость при равномерной неустановившейся фильтрации активированного раствора реагента практического значения не имеет.

Поэтому значение расстояния между двумя горизонтальными дренажными выработками в кусочнооднородном пласте торфов постоянной мощности без учета сил инерции в силу уравнения (2.29) и с учетом зависимости (2.25) будет иметь вид:

Отсюда можно сделать еще один вывод: учет сил инерции при расчете равномерной неустановившейся фильтрации АРР может иметь практическое значение только для весьма малого начального промежутка времени, и при весьма значительной проницаемости торфов. В остальных же случаях учет сил инерции при подготовке сушенцовых зон практического значения не имеет.

Последнее обстоятельство дает возможность рассматривать процесс равномерной неустановившейся фильтрации активированного раствора реагента как совокупность мгновенных установившихся процессов.

Используя построенные функции (табл. 2.2-2.5) нами разработана номограмма для определения параметров технологии подготовки искусственных сушенцов при фильтрационно-дренажном оттаивании (рис. 2.9).

Для построения номограммы для оперативных расчетов параметров технологии подготовки искусственных сушенцовых зон получены вспомогательные функции при искомом аргументе Т - продолжительности фильтрации АРР в массиве пород (табл. 2.6).

Нт= Нт= Содержание глины, 12% Рисунок 2.9 – Номограмма для расчета расстояния между горизонтальными дренами при подготовке искусственных сушенцовых зон на основе обработки торфов активированным раствором реагента (АРР) Таблица 2.6 - Расстояние между горизонтальными дренами в кусочнооднородном пласте торфов при различных условиях размещения АРР Уравнение регрессии тавливаемых корреляции, доли Фишера 1. В результате проведенных лабораторных и промышленных экспериментов установлено, что обработка торфов активированным раствором реагента позволяет увеличить скорость фильтрации в 2-4 раза. Достигнутый эффект сделал возможным подготовку искусственных сушенцовых зон на торфах с содержанием глины до 15 %.

2. Установлено, что при конформном отображении области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика.

3. При использовании буровых скважин для оттаивания торфов расчет параметров технологии подготовки искусственных сушенцов необходимо вести по уравнениям осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах 4. Оттаивание торфов мощностью до 6 метров рекомендуется проводить с помощью наиболее экономичного фильтрационно-дренажного способа. В случае большей мощности торфов (до 8м) оттаивать их следует с помощью буровых скважин.