Результаты научно-технического обоснования интенсификации гидромеханизированной добычи песка из озерных месторождений Заполярья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.271 Е.А. Бессонов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННЫХ РАБОТ В ПРИРОДНОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАПОЛЯРЬЯ

Широкомасштабное освоение нефтегазовых и газоконденсатных месторождений, приуроченных к обширным континентальным регионам Заполярья Российской Федерации, требует добычи сотен миллионов куб. м строительных песков, используемых для возведения различного рода земляных сооружений: сети магистральных, межпромысловых и внутрипромысловых автодорог; кустов под разведочное и эксплуатационное бурение скважин; промышленных площадок и сооружений и пр.

Высокая заболоченность и заозе-ренность территории, дефицит местных строительных песков, залегающих на поверхности и наличие подозер-ных талых песков, определили гидромеханизированный способ добычи песков в природно-климатических условиях Заполярья в качестве основного.

Однако, как показала практика, с приходом гидромеханизации в эти чрезвычайно суровые природно-климатические регионы Крайнего Севера РФ, где летний сезон гидромеханизированных работ в году не превышает 100^120 календарных дней, возникли ряд технологических и технических проблем, которые связаны с заметным сокращением годовой добычи строительных песков земснарядами и удельным повышением в технологии гидромеханизированных работ природных и производственных ресур-

сов. Кроме того, отсутствовала методика оценки эффективности применения новых технических и технологических решений по удельному использованию ресурсов в сравнении с ранее использованными решениями.

Решить возникшие проблемы позволили новые технические и технологические решения, применяемые в процессах и технологии гидромеханизированных работ, которые оказались наиболее адаптированы к экстремальным природно-климатическим условиям Заполярья.

К таким решениям, прежде всего, относятся:

1. Применение ледорезных машин нового типа, адаптированных к работе в экстремальных природноклиматических условиях;

2. Безрамных транспортных устройств, обеспечивающих мобильную передислокацию земснарядов без демонтажа оборудования;

3. Технологических схем разработки, предохраняющих от поверхностного промерзания залежей песка в зимнее время, основанных на опережающем углублении мелководных прибрежных участков озерных месторождений земснарядами;

4. Организации на картах намыва специальной системы открытых дренажей;

5. Периодическом использовании всей гидравлической энергии грунтовых насосов, направляемой на фор-

мирование размывающих затопленных струй и придания этим струям абразивных свойств;

6. Применением всасывающих наконечников земснарядов нового типа, обеспечивающих формирование высококонцентрированных гидросмесей;

7. Организацией гидромеханизированной добычи песка на продленном периоде работ, основанной на использовании холодного атмосферного воздуха в качестве хладагента и транспортирующего агента и, в сочетании с методами подледной добычи, поэтапно, достигается обезвоживанием добытых пород, их гранулированием, формированием из гранул и холодного воздуха аэросмеси и отсыпкой штабеля из сыпучемерзлых пород;

S. Размещением карт намыва, вспомогательных земляных сооружений и площадок инфраструктуры гидромеханизированных комплексов на талых и сезонно-талых основаниях озёр, в природных границах их акваторий и, преимущественно, с надвет-ренной стороны этих озер, обеспечивающим сокращение масштабов негативного воздействия на окружающую среду, в условиях высокой заводнен-ности и заболоченности местности Заполярья.

1. Проведенный анализ показал, что для эффективного использования ледорезных машин в Заполярье и минимизации удельного использования производственных ресурсов при выполнении ледорезных работ необходимо примерно в 1,5 раза повысить техническую скорость и глубину резания (мощность) льда, т.е:

qn.M і = f[(Up j, h лj ^ max)] ^ min (1) где qnM j - удельное использование i-ого производственного ресурса при выполнении ледорезных работ, руб/м3

льда; ир!, Ил1 - соответственно техническая скорость резания и мощность режущего льда у-го технического решения (ледорезной машины), которые необходимо повысить до максимального значения.

2. Для сокращения сроков внутри-промысловой передислокации земснарядов и снижения удельного использования производственных ресурсов в условиях Заполярья, необходимо уменьшить его транспортные параметры и массу тяжеловоза, т.е.:

Ят 1 = ^ [(Ь К, ш, ^ ш1п)] ^ тт (2)

где ят 1 - удельное использование 1-го производственного ресурса при передислокации земснарядов с помощью ] - го технического решения (тяжеловоза), руб/км; Ь, Я, Шу - соответственно требуемая ширина проезжей части автодороги, радиус поворота тяжеловоза и масса тяжеловоза в ] - м техническом решении.

3. Исключение образования мерзлоты в карьерах обеспечивается при условии, когда величины опережающего углубления мелководных участков озерных месторождений земснарядами, по предложенным выше схемам отработки, будут превышать глубину его сезонного (зимнего) подо-зерного промерзания, т.е.:

Ь угл > Ь с.п. (3)

4. Проведенный анализ показал, что наиболее эффективным способом обезвоживания намытых пород в криолито-зоне Заполярья является формирование на картах намыва, до наступления холодного периода года, системы открытых дренажей, у которой технологические расстояния между дренажными траншеями принимаются с учетом периода спада в них уровня гравитационных вод, фактической глубиной подстилания многолетнемерзлых пород и величиной естественного заложения дренажных откосов, т.е.:

Ь др = / (тс, Тм, в) (4)

Кроме того, высота карты намыва при использовании вышеуказанного метода обезвоживания должна приниматься с учетом пространственных параметров формируемых траншей: их ширины понизу и поверху и величины образующегося при выемке откоса. В связи с этим, для обеспечения эффективного обезвоживания намытых пород методом открытых дренажей, проектную высоту карт намыва в криолитозоне необходимо принимать с учетом полученной зависимости:

Н„ <

т (КРІ-ьт!)

3

(5)

где т 1 - 1-я величина естественного заложения откоса дренажной траншеи в намытых породах, доли единиц; Ьт 1 - 1-я ширина дренажной траншеи понизу, м; Ь др 1 - 1-е технологическое расстояние между дренажными траншеями, принимаемое в зависимости от периода спада гравитационной воды в карте намыва, м.

5. При периодическом использовании всей гидравлической энергии грунтовых насосов, направляемой на формирование размывающих затопленных струй и придания этим струям абразивных свойств, известная зависимость полезной мощности струи примет вид:

2

2

(6)

— скорость струи на расстоянии I от насадки, м/с.

6. Проведенный анализ показал, что с учетом сохранения технологических размеров проходного сечения рабочих органов земснарядов (всасывающих наконечников и рабочих колес грунтовых насосов), эрозионных размывающих скоростей и для обеспечения максимально большей площади охвата забоя эрозионным потоком, основной технологический параметр наконечников распластанного типа - диаметр потоконаправляющих колец Ок, влияющий на степень концентрации гидросмеси во всасываемом потоке, следует рассчитывать по вновь полученной зависимости:

Ор +1,6лр.к < вк <

< 2К

пи,

(7)

р /

где рстр — плотность гидросмеси, отбираемой из грунтового насоса, кг/куб.м; А — безразмерный коэффициент, повышающий КПД гидравлической струи, за счет придания ей абразивных свойств: А ~1 + 0,075 Ка, где Ка -коэффициент абразивности песчаных пород (по Б.М. Шкун-дину), принимаемый в зависимости от степени окатанности, твердости и групп горных пород; Q — расход жидкости через насадку, куб. м / с; и

где К — коэффициент, принимаемый 1,10 ^ 1,15 соответственно при эрозионной разработке предварительно разрыхлённых мелких и пылеватых песчаных пород; Ор — диаметр расширителя потока всасываемой гидросмеси (устанавливается для уменьшения проходного сечения всасывающего наконечника в центре всасываемого потока, поддерживающего или повышающего эрозионные размывающие скорости на периферии потока), м; Q г.см — расход грунтового насоса по гидросмеси, м3/с; ир - эрозионная размывающая скорость пород забоя, м/с; Арк -проходное сечение рабочего колеса грунтового насоса земснаряда, м2.

7. При организации гидромеханизированной добычи песка на продленном периоде работ, основанной на использовании холодного атмосферного воздуха в качестве хладагента технологическая дальность полета гранул, при которой будет обес-

печиваться непрерывное формирование криогенного состояния гранул и одновременно отсыпаться из них штабель высотой Н, должна составлять:

g • sin 2a

I >■

2AH

• ta +-

2AH

(В)

4K sin2 a

где К - коэффициент аэродинамического сопротивления воздушной среды; а - угол наклона сопла к горизонту, градус; g = 9,81 м/с2. АН - приведенная высота отсыпаемого штабеля: АН = Н - h, м; h - высота оси сопла воздуходувной установки от основания площадки, м.

8. Существенное сокращение негативного воздействия на окружающую среду на песчаных месторождениях Заполярья достигается размещением карт намыва, вспомогательных земляных сооружений и площадок инфраструктуры гидромеханизированных комплексов на талых и сезонно-талых основаниях озёр и при условии минимизации использования территорий тундры ST, т.е.:

ST ^ min (9)

Вновь разработанная методика оценки эффективности применения новых технических и технологических решений основана на минимизации использования природных и производственных ресурсов, т.е.:

(10)

пользуемых (расходуемых) в технологии I - х ресурсов.

Коэффициент удельного ресурсо-использования того или иного 1-го технического либо технологического решения, принимаемого в ]-ом технологическом процессе новой технологии, может быть получен по формуле:

Kiik = % < 1 q,k

(11)

где Цук - удельное использование (расход) і - го природного либо производственного ресурса в у-ом техническом либо технологическом решении новой технологии на к-ом этапе (в к-ом процессе) гидромеханизированных работ, ед./ед'.; Цук - удельное использование (расход) і - го природного либо производственного ресурса в у-ом техническом либо технологическом решении базовой технологии на к-ом этапе (в к-ом процессе) гидромеханизированных работ, ед./ед'.

Коэффициент ресурсоиспользова-ния Яі технологии гидромеханизированной добычи в целом по конкретному і-ому природному или производственному ресурсу для выполнения оценки её эффективности определяют по формуле:

Я = Кіу + Кіу+1 + • • • + Ку+к (12)

где д - удельное использование (расход, потери, затраты) в технологии I -го вида природного либо производственного ресурса; п - количество ис-

где Щ - коэффициенты удельного использования 1-го ресурса в у-ом техническом либо технологическом решении полученные на 1,2...к - х этапах (процессах) гидромеханизированных работ; пк - кол-во этапов (процессов) гидромеханизированных работ.

n

k

=1

— Коротко об авторах------------------------------------------------------

Бессонов Евгений Александрович - кандидат технических наук, соискатель, Московский государственный горный университет.