CC BY
15
© Ю. В. Субботин, Ю.М. Овсшников, C.B. Корешков, С.Г. Позлутко, 2012
УДК 622.271.1
Ю.В. Субботин, Ю.М. Овешников, С.В. Корешков, С.Г. Позлутко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДРАЖНОЙ РАЗРАБОТКИ РОССЫПИ «СРЕДНЯЯ БОРЗЯ» ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО СПОСОБА ОТТАЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД
Рассмотрены способы ускорения естественного - солнечно-радиацион-ного оттаивания мерзлых пород в суровых климатических условиях при дражной разработке золотоносного месторождения «Средняя Борзя». Представлены различные варианты фильтрационно-дренажного и гидравлического способов оттаивания. Ключевые слова: россыпные месторождения, дражная разработка, теплообмен, сезонномерзлые породы, способы оттаивания.
Разработка золотоносного россыпного месторождения «Средняя Борзя», расположенного на территории Нерчинско-Заводского и Калганского районов Забайкальского края, была начата в 1966 г. двумя 250-литровыми драгами (№167, №168) после утверждения запасов в ГКЗ (протокол № 3966 от 5 апреля 1963 г.), в соответствии с проектом, выполненным в 1964 году Новосибирским филиалом института «Цвет-метпроект», дополненным в 1995/96 гг. ПКО АО «Забакалзолото» и в 2007 г ООО «Забайкалзолотопроект».
Район месторождения «Средняя Борзя» характеризуется суровым климатом и сложными горно- и гидрогеологическими условиями залегания золотоносных песков. Площади речных долин (до 40 %) поражены островной многолетней мерзлотой. Глубина её распространения достигает 35 м.
Вместе с тем, низкая среднегодовая температура воздуха, продолжительный зимний сезон, незначительный снежный покров, наличие инверсии способствуют глубокому сезон-
ному промерзанию горных пород, достигающему 3,5-4,0 м.
В мерзлом состоянии горные породы приобретают высокую прочность. Поэтому разработка мерзлых пород драгами не эффективна или практически невозможна без качественного проведения специальных подготовительных работ по их разупрочнению.
В настоящий период на месторождении «Средняя Борзя» недропользователем является Производственный кооператив «а/с Даурия», имеющий в распоряжении всю необходимую землеройную технику (бульдозеры на базе Т-130, Т-500 и др.), промывочные приборы (шесть ПГШ-11-50), дражный флот (две 250-литровые драги), обогатительное оборудование (концентрационные столы СКО-1,5, СКО-7,5; отсадочные машины МОД-1), шлихообогатительные установки (ШОУ), сварочные аппараты, передвижные электроустановки и др. В целом предприятие ежегодно добывает более 600 кг золота. При этом для эффективной работы драг, про-
Таблица 1
Технико-экономические показатели оттаивания мёрзльх пород в Забайкальском крае
Способ оттаивания и Скорость Трудоемкость, Энерго- Себестои-
подготовки горных пород к выемке оттаивания, м / год чел' ч / 1000м3 емкость, кВт-ч / м3 мость (в относит. ед.)
Солнечно-радиационный: - естественный; - под пленочным покрытием; 0,5-3,0 0,8-4,5 0,5-1,0 1,5- 2,5 0,1- 0,2 1,0 1,2-2,5
- с послойным удалением талого слоя; - соляной солнечный бас- 5,0-20,0 6,0-10,0 10,0-25,0 5,0-10,0 0,8- 1,0 0,1- 0,2 2,0- 4,0 1,2-2,5
сейн
Гидравлический: - фильтрационно-игловой; - с тепловыми ваннами; 5,0-20,0 5,0-20,0 5,0-20,0 15-60 5-10 25-60 3,0- 4,0 2,0-2,5 4,0-5,0 5,0-10,0 3,0-5,0 10,0-15,0
- электро-гидроразрыв пласта
Дождевально-дренажный: - дождевание в атмосфере; - дождевание под пленкой 2,5- 5,5 3,0- 7,0 5-20 6-22 1,0- 1,5 1,0- 1,5 2,0- 3,0 3,0- 6,0
Фильтрационно-дренажный: - без рыхления; - с рыхлением бороздовых оросителей; 3,0- 6,0 4,0- 8,0 5-10 6-12 2,0- 2.5 3,0- 4,0 2,0- 4,0 4,0- 8,0
- с использованием соляных
солнечных нагревателей в траншеях 6,0-8,0 5-12 0,8- 1,2 3,0-5,0
-взрывогидравлический филь-трационно-дренажный 6,0-12,0 10-25 2,5- 3,0 5,5- 10,0
Электрооттаивание - 30-80 30,0-40,0 15,0-20,0
Парооттаивание 3,0- 5,0 80-120 10,0-20,0 10,0-15,0
Буровзрывное рыхление - 100- 180 0,8- 1,0 20,0-30,0
Механическое рыхление - 18-24 0,8- 1,1 5,0-10,0
изводства вскрышных работ, драгирования песков и их качественного обогащения на дражных разработках россыпи «Средняя Борзя» необходимо ежегодно оттаивать значительные объемы многолетне- и сезонномерз-лых пород.
На дражных полигонах применяется в основном естественная - солнечно-радиационная оттайка мерзлых пород, характеризующаяся минимальной себестоимостью, предусматривающая предварительную вскрышу торфов в весенне-летний период и
обязательное предохранение вскрытых площадей от сезонного промерзания посредством их затопления водой на зимний период.
Естественное оттаивание имеет существенные недостатки - это низкий коэффициент использования солнечной энергии и длительный период оттаивания мерзлых пород (табл. 1). Поэтому интенсификация подготовки мерзлых горных пород к выемке за счет применения более эффективных способов их оттаивания, особенно в весенний период, яв-
Рис. 1. Способ гидравлического оттаивания мерзлых горных пород (патент на изобретение №2295008): 1 - подогретая за счет солнечной энергии вода (теплоноситель); 2 - водоподпорная дамба; 3 - скважина; 4 - сезонно- и многолетнемерзлые породы; 5 - водосбросный патрубок; 6 - магистральный трубопровод; 7 - водозаборный патрубок; 8 - вентиль; 9 - направление движения теплоносителя; 10 - направление движения охлажденной воды; 11 - металлические пластины
ляется актуальной задачей для повышения эффективности дражной разработки россыпи.
Технико-экономические показатели оттаивания мерзлых горных пород колеблются в широком диапазоне. Например, за летний период глубина естественного оттаивания сезонно-мерзлых горных пород за счет солнечной радиации в северо-восточных районах Забайкальского края не превышает 2,2 м. Применение некоторых более интенсивных известных способов оттаивания позволяет увеличить скорость оттаивания в 5-6 раз. Однако, как правило, эти способы характеризуются соответственно более высокой себестоимостью, трудоёмкостью и требуют значительных материальных и энергетических затрат.
На протяжении нескольких десятков лет сотрудниками кафедры открытых работ Забайкальского государственного университета под руководством д.т.н., проф. A.B. Рашкина выполнялись научно- исследовательские работы по изысканию путей интенсификации оттаивания мерзлых пород.
За этот период нами был разработан, запатентован и апробирован в производственных условиях целый ряд новых, эффективных способов оттаивания мерзлых горных пород, основанных на более полном использовании естественного источника тепла - солнечной энергии.
Одним из путей повышения эффективности солнечно-радиационного оттаивания является использование тепловых ванн с созданием соляного солнечного бассейна (ССБ) (патент на изобретение № 2276236), позволяющего значительно сократить потери тепловой энергии в результате снижения испарения воды с поверхности бассейна и диффузии в его слоях.
Принцип работы ССБ основан на аккумулировании тепловой солнечной энергии слоями водных растворов солей, благодаря созданию вертикального градиента плотности. Техническим результатом является повышение скорости оттаивания мерзлых пород, которое происходит за счет повышения температуры придонного слоя ССБ до 60 оС.
Сочетание тепловых ванн с известной фильтрационно-игловой от-тайкой позволяет значительно сократить затраты на нагнетание воды через иглы в скважины и повысить скорость оттаивания мерзлых пород (рис. 1).
При этом подача теплоносителя к мерзлым породам происходит за счет гравитации непосредственно по скважине, а охлажденная вода удаляется из забоя скважины по водозаборному патрубку. Ускорение оттаивания пород происходит за счет повышения кондуктивно-конвективной теплоот-
Рис. 2. Схема обеспечения подачи воды к мерзлому массиву:
1 - сухой откос водоподпорной дамбы, 2 - мокрый откос водоподпорной дамбы, 3 - водозаборные патрубки, 4 - заглушка, 5 - скважины, 6 - магистральный трубопровод, 7 - вентиль, 8 - водосбросный патрубок
лых пород №обш, кДж / м3) определяются по формуле:
(1)
Ообщ = Руд Х ^ Х Но,
'■1 6 / \ 5
дачи солнечной энергии, аккумулированной водой, мерзлым породам.
Данный способ оттаивания пород осуществляется следующим образом: с помощью буровых станков бурят скважины в шахматном порядке, расстояние между скважинами в ряду и между рядами скважин колеблется от 2 до 7 м; прокладывают магистральный трубопровод; в скважины устанавливают водо заборные патрубки; сооружают водоподпорную плотину; заливают оттаиваемый участок водой и открывают вентиль (рис. 2).
Общие затраты тепла на нагревание и оттаивание всего участка мерз-
~общ ^суд
где QyЛ - удельные энергии на
затраты
1 з оттаивание 1 м
мерзлых пород, кДж / м3; 5 - площадь участка оттайки, м2; Иот - глубина оттаивания, м.
Время оттаивания мерзлых пород затопленного участка (Г, сут.) определяется по формуле:
Т = 0,866 • Ь2 • Нот • 0уд / /(24• сй-р • Щ• Кб • в),
где Ь - расстояние между скважинами в ряду, м; св - удельная теплоёмкость воды, св = 4,187 кДж / (кг °С), рв = 1000 кг / м - плотность воды; Ш -расход воды на выходе водосбросного патрубка, м3 / ч; Кб - средний коэффициент относительной боковой
Рис. 3. Способ оттаивания мерзлых горных пород с помощью соляных солнечных нагревателей: 1 - дренажная траншея; 2 - водосбросный патрубок; 3 - вентиль; 4 -плотина; 5 питающая канава; 6 - соляной солнечный нагреватель; 7 - питающая канава; 8 скважина; 9 - направление движения подогретой воды по скважине; 10 - мерзлый массив; 11 - металлические пластины для создания турбулентного потока; 12 - водозаборный патрубок; 13 - направление движения охлажденной воды по трубам; 14 - магистральный трубопровод
теплоотдачи воды нисходящего фильтрационного потока в талике цилиндрической формы, Кб = 0,4...0,5; - температура воды на затопленном участке, С
При соблюдении технологии ведения работ скорость оттаивания мерзлых пород может достигать 10-20 м за сезон.
В последствии гидравлический способ оттаивания мерзлых горных пород был нами усовершенствован (патент № 2315155 РФ на изобретение) путем установки в питающей и оросительных канавах для подогрева воды соляных солнечных нагревателей (рис. 3).
Одним из направлений повышения эффективности использования солнечной энергии является создание в мерзлом массиве искусственных зон проницаемости - фильтрационных каналов (рис. 4).
Радиус фильтрационного канала (Ях,м) определяется по формуле:
К =д/% - (а/2)2 , (3)
где а = (0,8.0,9)хЬот - расстояние между скважинами в ряду, м; Яп - радиус зоны проницаемости, м
Расстояние между фильтрационными каналами (Ь, м) определяется по формуле:
Ь = 2% = 2 х
2 (4)
х Кф1вевтКисп /[¡к (0ф + 1поп)] +1,
где Я2 - радиус зоны оттаивания, м; Кф - коэффициент фильтрации пород в канале, м / сут; ^ - температура воды, °С; св - теплоемкость воды, Дж / (м3х°С); т - время оттаивания пород в зоне (Я2 - Ях), сут; 1К - длина фильтрационного канала, м; Qф - теплота фазового перехода, Дж / (м3х°С); ^ -температура мерзлых пород, оС; сп -теплоемкость мерзлых пород, Дж / (м3х°С); Кисп - коэффициент использования теплоотдачи фильтрационного потока
Кисп = (1в - 1вЫХ )/(4 - (5)
где - температура воды, соот-
ветственно на входе и выходе фильтрационного потока, оС; ^ - температура фазового перехода, оС.
Применение взрывогидравличе-ского способа оттаивания мерзлого массива в сложных горно-геологических условиях путем создания внутри мерзлого массива расширяющихся зон проницаемости (патент № 2380488 РФ на изобретение) со значительным наклоном в направлении от питающей канавы к дренажной позволяет увеличить глубину оттаивания пород за сезон в 2-3 раза по сравнению с естест-
Рис. 4. Схема создания фильтрационного канала: а
- расстояние между взрывными скважинами в ряду, м; Ях - радиус фильтрационного канала, м; ЯК - радиус камуфлетной по-
лости, м; Яп
радиус зоны про-
ницаемости, м; 1 - взрывные скважины; 2 - камуфлетные полости; 3 - зона проницаемости; 4 - оросительные канавы; 5 -зона фильтрационно-дренаж-ного оттаивания; 6 - зона взры-вогидравлического оттаивания
Рис. 5. Схема создания наклонных фильтрационных каналов в массиве мерзлых пород (патент № 2380488 РФ на изобретение): 1 - дренажная канава; 2 - забойка; 3
- запирающий заряд взрывчатого вещества; 4 - вода, содержащая поваренную соль; 5 - питающая канава; 6 - подогретая за счет солнечной энергии воды (теплоноситель); 7 - мерзлый массив горных пород; 8 - камуфлетный заряд взрывчатого вещества; 9 - наклонный фильтрационный канал; 10 - камуфлетная полость; 11 - трещины камуфлетного взрыва; 12
- охлажденная дренажная вода; 13 - зона оттаивания горных пород; 14 - взрывные скважины
венной оттайкой и в 1,5-2 раза эффективнее фильтрационно-дренаж-ного способа (рис. 5).
При этом обеспечивается непрерывное естественное (создаваемого силами гравитации) движение теплоносителя по скважинам и многократно возрастает кондуктивно-конвектив-ный теплообмен.
Данный способ оттаивания мерзлых пород осуществляется в следующей последовательности: с помощью бульдозера удаляют почвен-но-растительный слой; проходят питающую канаву 5 глубиной 0,5—0,7 м; на расстоянии более 20 м от нее создают дренажную канаву 1 глубиной до коренных пород; с помощью буровых станков в мерзлом массиве 7 бурят параллельно друг другу линейные ряды взрывных скважин 14 с увеличением их глубины в ряду и
соответственно массы камуфлетного заряда взрывчатого вещества 8 в направлении от питающей 5 к дренажной 1 канаве. Взрывание ка-муфлетных зарядов в ряду 8 производится с замедлением также в направлении от питающей канавы 5 к дренажной 1 .
При подаче взрывного импульса вначале взрывается запирающий заряд 3. Увеличение массы заряда ВВ 8 в скважинах 14 по направлению к дренажной канаве 1 позволяет создать расширяющийся наклонный фильтрационный канал 9.
В питающую канаву 5 самотеком подают подогретую за счет солнечной энергии воду 6, которая по расширяющемуся наклонному фильтрационному каналу 9 дренирует за счет сил гравитации в дренажную канаву 1 и обеспечивает путем кондуктивно-
конвективного теплообмена фазовый переход горных пород из мерзлого 7 состояния в талое 13.
На основании проведенных исследований разработана методика подготовки горных пород к выемке в условиях разработки золотоносного россыпного месторождения «Средняя Борзя», позволяющая повысить эффективность естественного оттаивания пород, с высокой точностью про-
гнозировать параметры оттаивания мерзлого массива, сократить срок пуска драг №167, 168 на 20-30 дней в весенний период.
Основные положения методики базируются на результатах научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре ОГР ЗабГУ с учетом практического опыта горнодобывающих предприятий Забайкальского края, гтттг?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Субботин Юрий Викторович — доктор технических наук, доцент, профессор, Овешников Юрий Михайлович — доктор технических наук, профессор, Корешков Сергей Владимирович — аспирант,
Позлутко Сергей Геннадьевич — кандидат технических наук, доцент, Забайкальский государственный университет, Rectorat@zabgu.ru
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО МЕТОДА СЕЛЕКТИВНОЙ
ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ ПРИ ИХ ИМПУЛЬСНОЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКЕ
Гончаров С.А. — профессор,
Ермаков С.Б. — аспирант,
Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru,
Ананьев П.П. — генеральный директор НП «ЦИГТ».
Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2012. — № 1. — 16 с.— М.: издательство «Горная книга».
Приведены результаты исследований влияния импульсной электромагнитной обработки железистых кварцитов на показатели их дезинтеграции.
Ключевые слова: железистые кварциты, импульсная электромагнитная обработка, дезинтеграция, селективность.
DEVELOPMENT OF THE ENERGY SAVING METHOD OF SELECTIVE
DISINTEGRATION OF FERRUTEROUS QUARTZITES AT THEIR PULSE
ELECTROMAGNETIC PROCESSING
GoncharovS.A., ErmakovS.V., AnanievP.P.
Results of researches of influence of pulse electromagnetic processing of ferruterous quartzites on indicators of their disintegration are given.
Keywords: ferruterous quartzites, pulse electromagnetic processing, disintegration, selectivity.
