CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
['ОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том т 1960
НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ ИЗУЧЕНИЯ СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТА В РАЙОНЕ ТУГАНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Ь. л. СУРНАЧЕВ, ю. А. РЫЖКОВ
(Представлено научно-технической конференцией по использованию минеральных ресурсов Томского экономического района)
Введение
Туганское пластообразное месторождение песка с точки зрения промышленного его освоения занимает выгодное положение. Слабо всхолмленный равнинный рельеф местности благоприятствует разработке месторождения и строительству промышленных сооружений и жилищ. Неглубокое залегание продуктивного пласта от поверхности-относительно небольшой коэффициент вскрыши на значительной площади месторождения прив"дит к единственно возможному и экономически выгодному открытому способу разработки.
Суровые зимние условия Томской области будут в значительной мере осложнять ведение горных рабог. Сезонное промерзание грунта потребует применения специальных машин и механизмов с повышенными усилиями резания или скола, буровзрывных работ или специальных мероприятий по предупр ж тению или уменьшению глубины промерзания грунта. Чтобы решить эти вопросы, необходимо иметь детальные сведения о характере сезонн >й мерзлоты в районе месторождения (гл\бина промерзания в зависимости от величины снежного покрЬва, продолжительность и пр.).
Задачей проведенного исследования было установление определенных количественных величин сезонного промерзания грунта при различных условиях на Ту1анском месторождении.
Геологическое строение месторождения и выбор участков для изучения промерзания грунта
Туганское месторождение представлено отдельными пластообраз-ными телами, залегающими неглубоко от дневной поверхности. Породы вскрыши, продуктивный пласт и плотик месторождения состоят преимущественно из рыхлых осадочных пород. Исключение составляют кремнистые п^< чаники, перекрывающие на некоторых участках месторождения продуктивный пласт.
Продуктивная толща сложена в основном мелко и тонкозернистыми кварцевыми песками и каолином (15—20%). Средний грануло-
метрический состав песков по данным Томской комплексной экспедиции представлен в табл. 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав продуктивного песка
С у м м«' 1 р н ы И К Ь! X о д ПО МИНУСУ и
100
ÍR50
85,75
77,65
19,10
Таким образом, основная масса частиц песка (77,65%) имеет размеры меньше 0,25 мм.
Средняя мощность продуктивного пласта по участкам колеблется от 5,4 до 8,7 м. Непосредственная кровля и почва пласта представ лены бедными песками, по внешнему виду не отличающимися от промышленных.
Породы вскрыши сложены перемежающимися породами: глинами, суглинками, супесями, песками разной крупности, прослоями бурых углей и лигнитов, а также кремнистыми сливными песчаниками мощностью от 0,5 до 5 м. Общая мощность вскрыши колеблется сп 0,4 до 80,3 м. Наименьшая мощность наносов отмечена на участках №1, №2 месторождения и наибольшая—на участке № 4.
Плотик россыпи сложен в основном глинами и является водоупорным горизонтом.
Гидрогеологические условия месторождения весьма различны Более благоприятные условия первого и частично второго участков. Другие участки сильно обводнены и в большей части представлены плывунами.
Для наблюдения за сезонным промерзанием грунта был выбран участок №2, так как он в большей мере объединяет особенности, характерные для всего месторождении в целом, и может быть подготовлен для наблюдений с наименьшими затратами.
Климатические условия Туганского района
Климат района континентальный, с коротким жарким летом и холодной продолжительной зимой. Среднян продолжительность морозного периода—250 дней, причем обычны ранние осенние и поздние весенние заморозки
Среднегодовая максимальная температура воздуха +2,71\ минимальная—0,-4°; абсолютная минимальная температура воздуха отмечена в январе—-г50, при среднемесячной —Средняя дата последнего мороза —25 апреля, первого — 8 с нтября. Мощность снежного покрова в конце зимы достигает 8-г — 1С0 см.
Вет ы преобладают южного и юго-западного направления. Скорое ib Beipa до 5 м/сек зимой и 3,1 — 5,6 м/сек летом.
Класс !
крупности, мм
Выход в Н
-1 | Л,50
1 j-0,5 10,75
■0.5^-0,25 | 8,10
0,25+0,01 \ 58,55
0.01 М) 19 ,10
Исходный i 100
И<1) чн^-ехнг.ч^ския |
Факторы, влияющие на сезонное промерзание грунта
Сезонное промерзл-ние грунтов является весьма сложным явлением. Процессы замерзания и оттаивания грунтов зависят от ряда климатических, почвенно-грунтовых и водных факторов. Хотя влияние каждого отдельного фактора, а тем более различных комбинаций из этих факторов на процесс замерзания как теоретически, так и экспериментально еще не достаточно изучено, тем не менее можно считать доказанным, что основными из них являются следующие:
1. Температурный режим воздуха.
2. Теплоизоляция поверхности грунта.
3. Теплофизические свойства грунта.
Основным фактором, влияющим на промерзание грунта, является температура воздуха, так как только с наступлением устойчивой среднесуточной отрицательной температуры возможно промерзание грунта. Чем ниже температура и больше продолжительность морозного периода, тем глубже промерзает грунт.
Теплоизоляция поверхности грунта в естественных условиях зависит от растительного и снежного покровов. Оба они являются теплоизоляторами и уменьшают глубину промерзания грунта.
Теплофизические свойства грунта (коэффициент теплоароводно-сти и удельная теплоемкость) зависят главным образом от объемного веса и влажности. Чем плотнее грунт, тем он теплопроводнее, следовательно, промерзание идет глубже. Влажность оказывает различное влияние на промерзание. При увеличении влажности до 30—40° о глубина его увеличивается, при дальнейшем увеличении влажности уменьшается. Это связано с повышением теплоемкости грунта и главным образом с увеличением скрытой теплоты льдообразования. Изменение теплофизических свойств грунтов в районе месторождения вызывается в основном влажностью, в то время как другие показатели, как-то: объемный вес, гранулометрический состав и пр., остаются постоянными.
Фактор—температура воздуха в зимний период - не изучался, так как наблюдения проводились одну зиму 1958—1959 гг. Наблюдения в последующие годы позволят установить зависимость глубины про мерзания от этого фактора.
Опытные участки для наблюдения выбирались таким образом, чтобы изучить влияние различных факторов на глубину промерзания
Для изучения зависимости глубины промерзания от характера растительного покрова приняты участки с естественным травяным покровом и обнаженные (без травяного покрова). Для второго случая вскрыт специальный карьер (рис. 1).
Влияние величины снежного покрова на глубину промерзания изучалось на участках с естественным снежным покровом в защищенных и открытых для ветра условиях, на участках без снежного покрова и с повышенным снежным покровом.
Зависимость глубины промерзания от теплофизических свойств грунта изучалась на участках с нормальным грунтом (влажность 20—30%) и с плывуном (влажность более 40%).
Методика изучения промерзания грунта
В период зимы 1958—1959 гг. на месторождении проводились наблюдения по установлению величины промерзания грунта в зависимости от. высоты снежного покрова.
Глубина промерзания грунта определялась при помощи мерзло-томера Данилина. Действие мерзлотомера основано на свойстве дис-
2. Изв, ТПИ, т. 113.
17
тилл ированной воды замерзать при 0° и ниже. Определение глубины промерзания почвы производится прощупыванием резиновой трубки, наполненной дистиллированной водой и погруженной в почву. Нижняя граница замерзшего столбика воды принимается за глубину промерзания почвы, верхняя—за глубину ее оттаивания.
Скважины для мерзлотомеров обсажены деревянными трубами квадратного сечения. Мерзлотомеры размещались в средине каждого опытного поля. Измерения промерзания грунта проводились один раз в декаду.
Глубина снежного покрова измерялась по шкале, нанесенной на обсадной трубе мерзлотомера.
Для изучения промерзания пород вскрыши было оборудовано пять мерзлотомерных точек на опытных полях с естественным травяным покровом и с различной величиной снежного покрова.
Поле № 1 (мерзлотомер 8) размерами 20X20 м располагается в восточной части участка №2 месторождения на открытом месте. По ле имеет небольшой наклон на юго-запад. В течение всего зимнего периода оно очищается от снега.
Поле № 2 (мерзлотомер 9) размерами 20X20 м смежно с полем № 1. На этом поле с помощью снежных валов и деревянных щитов создается повышенный (до 1,0 м и выше) снежный покров.
Поле № 3 (мерзлотомер'10) располагается в 20 м от полей № 1 и № 2 и характеризуется естественным снежным покровом.
Поле № 4 (мерзлотомер 7) размещается на открытом участке местности, подверженном постоянному действию ветров, в результате чего снежный покров имеет незначительную высоту.
Поле Л'« 5 (мерзлотомер 6) расположено в залесенной местности, имеет естественный снежный пок ров значительной вмеоты.
Для изучения характера промерзания продуктивных песков в период их разработки на участке месторождения была вскрыта про-мышленн я зал-жь песка, общий вид карьера пре ¡ставлен на рис. 1. Карьер располагается на склоне крутого лога. Общая длина карьера 1.00 ширина 60 м, глубина 9 м. Карьер имеет три уступа: вскрышной и два в толще промышленных песков.
Рис. 1. Общий вид опытного карьера № 2 Туга некого месторождения.
Высота верхнего уступа 4 м, ширина рабочей площадки 10 му высота нижнего уступа 2 м, ширина 5 м. Высота вскрышного уступа 1,5 м. План опытного карьера приведен на рис. 2.
о — /чомпотопвры
Рис. 2. План опытного карьера.
На уступах опытного карьера было оборудовано пять мерзлото-мерных точек.
Мерзлотомер 1 располагается на нижней площадке нижнего уступа, имеющего значительный естественный снежный покров.
Мерзлотомер 2 находится на верхней площадке нижнего уступа на расстоянии 5 м от бровки. Снежный покров естественный.
Мерзлотомеры 3 и 4 располагаются на той же площадке на расстояниях 3 и 6 ж от бровки. Участок систематически очищается от снега, размеры его 10X10 м.
Мерзлотомер 5 находится на верхней площадке верхнего уступа. Снежный покроз естественный.
Некоторые результаты изучения промерзания грунта
Зависимость глубины промерзания грунта от высоты снежного покрова на опытных полях и карьере представлена графиками на рис. 3 и 4.
Анализируя графики, можно заключить следующее.
На участках с естественным снежным покровом максимальная высота снежного покрова и глубина промерзания грунта составили для мерзлотомеров: 1—110 см и 23 см; 2 — 95 см и 65 см; 5—1 10 см и 66 см; 6-95 см и 38 см\ 10—65 см и 4 ель. Минимальная глубина промерзания (4 см, мерзлотомер 10) отмечена на участке с естественным травяным покровом. Обнаженная поверхность (мерзлотомеры 2 и 5), несмотря на большую величину снежного покрова, промерзла на глубину 65 —66 см, т. е. в 16 раз больше. Меньшая глубина промерзания, отмеченная по мерзлотомеру I (23 см), по сравнению с мерзлотомерами 2 и 5 объясняется большой влажностью грунта (относительная влажность св-^ше 40 %).
Показания по мерзлотомеру 6 не характерны, так как снежный покров в декабре и январе был нарушен бурением скважины в 3 м от него.
На у астках с небольшим снежным покровом высота снежного покрова и глубина промерзания составили для мерзлотомеров: 3—25 см
и 151 см; 4—20 см и 161 см; 7—15 см и 177 см; 8—25 см и 164 см. Сравнивая эти цифры с приведенными выше для участков с обнаженной поверхностью (мерзлотомеры 3. 4 и 2, о), можно отметить, что с уменьшением величины снежного покрова с 95---110 гл/до 20 -25 см (в 4—5 раз) при прочих равных условиях глубина промерзания грунта увеличилась с 65-66 см до 151 163 см, т. е. в 2,3—2,5 раза,
Риг. 3. График заппснмоети глубины промерзания грунта от высоты снежного покрова на опытном карьере. 1, 2 ит. д. номера мерзлотомеров.
Рис. А. График завислмостн глубины промерзании грунта от высоты снежного покрова на опытных полях. (\7 и т. д.—номера мсрздотомеров.
На участке с повышенным искусственным снежным покровом (мерзлотомер 9) величина его составила 105 см, а глубина промерзания грунта была равна 4 см.
Выводы
1. Естественный снежный покров (в среднем 85—100 г л) обеспечивает практически полное предохранение грунта от промерзания на участках с естественным травяным покровом. Следовательно, работы по вскрытию возможно вести в зимнее время.
2. Обнаженная после вскрытия поверхность карьера при естественном снежном покрове промерзает на глубину 0,65 м, в связи с чем при разработке грунта потребуется проводить специальные мероприятия по отбойке мерзлого козырька или но теплоизоляции грунта.
3 Бесснежная поверхность грунта промерзает на глубину 1,5 1,8 м. Для разработки потребуется применять ряд мер но уменьшению гл>бины промерзания или по рыхлению грунта.
4. Наблюдения за промерзанием грунта необходимо в "будущем продолжить, и при этом обратить особое внимание на динамику промерзания.
