Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии подготовки искусственных сушенцов к выемке при разработке россыпных месторождений

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии подготовки искусственных сушенцов к выемке при разработке россыпных месторождений"

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)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 !*."0Н 2014

Иркутск - 2014

005550001

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Научный руководитель:

Коростовенко Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Техносферная безопасность горного и металлургического

производства» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», (г. Красноярск)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Субботин Юрий Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры «Открытые горные работы» ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный

университет», (г. Чита)

Франчук Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИЧ ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

Иркутский государственный технический университет» (НИ ИрГТУ г. Иркутск)

Институт химии и химической технологии СО РАН «Лаборатория проблем освоения недр», (г. Красноярск)

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 12 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 при Иркутском государственном техническом университете по адресу г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус «И», 303.

Факс: 8 (3952) 405-104; e-mail: ds07@istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», с авторефератом на официальном сайте университета www.istu.edu.

Автореферат разослан

И.о. ученого секретаря диссертационного совета,

докт. техн. наук, профессор

«16» мая 2014 г.

В.А. Домрачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 — 30 %. Отсюда следует, что в России и в Красноярском крае, как типичном представителе природоресурсного региона федерации, имеются большие резервы повышения эффективности природопользования.

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. 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.

В этих условиях актуальным является разработка технологии подготовки искусственных сушенцовых зон, особенно на месторождениях с повышенным содержанием глинистых частиц. Подготовка же сушенцовой вскрыши позволит разрабатывать мерзлые торфа даже легкими бульдозерами во время сильных морозов.

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

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,

з

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,

B.Г. Гольдтман, Ю.Д. Дядькин, В.В.Знаменский, Н.С.Иванов, В.Е.Кисляков, Б.А. Оловин, A.B. Павлов, Г.З.Перлыптейн, Т.С.Потапова, Ю.В. Субботин,

C.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.

Целью работы является 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. Исследования проницаемости торфов с повышенным содержанием глинистого цемента после обработки их активированным раствором реагента.

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

3. Разработка технологии подготовки сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях.

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

Научная новизна работы:

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

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

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

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

5.Установлено, что при конформном отображении области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика.

Практическая значимость работы:

На основании выполненных исследований установлено влияние предварительной фильтрации активированного раствора реагента, на кинетику проницаемости фильтрующего агента. Обоснована методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов при обработки торфов активированным раствором реагента. Разработаны способы и технологические схемы оттаивания пород с высоким содержанием льда-цемента, методика планирования годового намыва металла, внедрение которых позволит учитывать изменение объема и содержания металла исходя из принятой технологии подготовки искусственных сушенцов и снижения объемов вскрыши, а также снизить себестоимость вскрышных работ.

Методология и методы исследований: В работе осуществлено аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены комплексные исследования, включающие системный анализ, экспериментально-аналитический метод, физическое моделирование, математическую статистику, лабораторные исследования, производственные испытания и внедрение; методы математического моделирования; программирование; технико экономическая оценка полученных результатов исследований и промышленное внедрение.

Основные 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 °С 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 мощности торфов до 6 метров.

3. На основе выявленных процессов теплообмена при радиационном оттаивании мерзлых пород создана возможность наращивания объемов сушенцовых полей при разработке высокольдистых россыпей за счет

5

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.

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается большим объемом аналитических, лабораторных экспериментальных исследований, применением апробированных методов, приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью; проверкой и подтверждением выводов при апробации разработанных способов и технологических схем при подготовке сушенцовой вскрыши на карьере ОАО «Селигдар».

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 опытно-промышленном внедрении разработанного способа подготовки искусственных сушенцовых полей на предприятии ОАО «Селигдар».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: 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.)

Публикации: Основные результаты исследования представлены в 12 отечественных и зарубежных публикациях, в том числе 4- из списка рекомендованных ВАК России.

Структура работы: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 134 наименования, 9 приложений,

б

изложена на 142 страницах машинописного текста, включая 54 таблицы и 40 рисунков. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, проф. Коростовенко В.В., постоянное внимание, идеи и помощь которого способствовали успешному выполнению работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, степень разработанности, цель и задачи исследований. Представлена новизна работы и научные положения, теоретическая и практическая значимость, методология и методы исследований, а также степень достоверности и апробация результатов.

Первая глава посвящена анализу и обобщению опыта подготовки искусственной сушенцовой вскрыши при бульдозерной разработке россыпных месторождений, выявлена значимость проблемы. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе рассматриваются теоретические и технологические основы управления теплообменом при гидравлическом оттаивании после обработки торфов активированным раствором реагента. Это позволяет увеличивать скорость движения фильтрующего агента в 2-4 раза. Достигнутый эффект сделал возможным подготовку искусственных сушенцовых зон на торфах с содержанием глины до 15%. Разработана методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов, как при использовании горизонтальных дрен, так и при поглощающих буровых скважин.

В третьей главе представлены результаты исследования по обоснованию параметров технологии искусственных сушенцов на высокольдистых россыпях. Установлено, что при снятии поверхностного теплоизолирующего слоя происходит интенсивное протаивания торфов за счет создания высокого градиента потенциала почвенной влаги в поверхностном слое и распространения расклинивающего давления. Представлены результаты внедрения предлагаемых технических решений на объектах ОАО «Селигдар».

В четвертой главе представлена методика планирования годового намыва металла, позволяющая учитывать изменение объема и содержания полезного компонента исходя из принятой технологии подготовки искусственных сушенцов и снижения объемов вскрыши. Установлено, что более точно производить планирование по намыву металла можно исходя из теоретического намывочного коэффициента. Разработаны рекомендации по проектированию технологий подготовки искусственных сушенцов.

В заключении диссертации обобщены результаты выполненных исследований в соответствии с поставленными задачами, даны рекомендации по направлению дальнейших перспективных исследований по данной теме.

Представлен список литературы, используемой автором при решении поставленных задач.

В приложении к работе приведены материалы, подтверждающие реализацию предлагаемых методик и технических решений по усовершенствованию технологии подготовки искусственной сушенцовой вскрыши при бульдозерной разработке россыпных месторождений.

Выполненные автором исследования в направлении обоснования параметров технологии подготовки искусственных сушенцов и полученные результаты отражены в следующих нижеприведенных научных положениях.

Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из: 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). При содержании глинистых частиц более 5 % делает невозможным подготовку сушенцовых зон. Для исследования возможности расширения области применения этого способа были проведены лабораторные и позднее опытно-промышленные исследования на месторождениях Саха (Якутия) предприятии ОАО «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 %. Идеей работы явился способ подготовки сушенцовых зон с предварительной фильтрацией в массиве россыпи активированного раствора реагента (АРР).

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 80-90°С, на монтмориллонитовых и слюдистых глинах было увеличено число промежуточных точек в области температур 40-70°С. Перед повышением температур образцы выдерживались в установке при

8

заданном давлении гидрообжима в течение 2-20 сут. Для исключения влияния температурного гистерезиса образцы вначале подвергались многократным нагревам и охлаждениям.

После обработки результатов лабораторных экспериментов получена зависимость коэффициента фильтрации в грунтах от содержания в них глинистых частиц после их обработки АРР (рис. 1-3)

Кф = ехр[1п 63,4 — (0,119 ■ Сгл)], (1)

где Сгл - содержание глинистых минералов, %.

Скорость фильтрации в массиве россыпи увеличивается при этом в 20-40 раз. После чего происходит стабилизация процесса. В дальнейшем кинетика движения АРР превышает нормальный процесс в 2-4 раза.

Достигнутый эффект сделал возможным подготовку искусственных сушенцовых зон на торфах с содержанием глины до 15 %.

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента фильтрация (Кф) торфов от содержания в них глинистых частиц (Сгл): а - с активацией АРР, б - без АРР

Темперапра. град. Рисунок 3 - Проницаемость грунтов в зависимости от динамики продолжительности активации

Время.сут.

Рисунок 2 - Проницаемость грунтов в зависимости от динамики

продолжительности активации

Вышеизложенное является доказательством первого научного положения, выносимого на защиту, а именно, подготовка искусственных

9

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

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. Уравнение такой фильтрации имеет вид.

^ = 0, (2) ах'

где Н - напор, м;

х - координаты движения АРР по оси ОХ.

В случае конформного отображения 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 i=tga. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика и равен уклону (i), а потому скорость фильтрации в любой точке россыпи составит

V = K,.i, (3)

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сут; Фильтрационный расход АРР

Q = F ■ V = Кф • F ■ /, (4)

F-площадь живого сечения фильтрационного потока,м2 Или с учетом (1)

Q = 63,4-e^n9C»Fi (5)

?

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 с учетом реологических свойств фильтрующей жидкости расстояние между горизонтальными дренами можно определять по формуле

с«

qv-Prp

где V- вязкость активированного раствора реагента, мПа-с; у0~ вязкость воды, мПа-с;

ц — коэффициент гравитационной водоотдачи, доли ед.;

ю

¿/-удельный фильтрационный расход;

Т - мощность торфов, м.

При использовании буровых скважин (рис.4) правильно будет воспользоваться уравнениями осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах:

— (г—) = 0, (7)

с!г с!г

После интегрирования этого уравнения получим искомое расстояние Я (рис. 4). Для его определения необходимо знать напор потока, расход и реологию фильтрующегося АРР

2 яКфТН

я = (8)

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 3 м (при мощности подготавливаемого пласта сушенцов до 6 м). При этом построение функции движения АРР в пласте торфов постоянной мощности выполнено для массива торфов с равномерным содержанием глинистого цемента.

Рисунок 4-Схема фильтрации АРР для случая поглощающей скважины:

Т - мощность торфов, м; Ьо - напор в скважине, м; го - радиус скважины, м; 1\ - напор на расстоянии (г) от скважины, м; Н - напор, м; И - радиус влияния поглощающей скважины, м._

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 рисунке 5 представлено поперечное сечение пласта, причем Н) (0 и Н2 (0 обозначены переменные во времени напоры на границах пласта и через Н (0=Н,(0-Н2(0 - переменной во времени действующий напор в подготавливаемом пласте.

Рисунок 5-Одномерная установившаяся фильтрация АРР: Я;- напор фильтрующейся жидкости при х = 0, м; Яг-напор фильтрующейся жидкости при х- Ьф, м; а - угол наклона плотика, град.;

Ьф- расстояние между горизонтальными дренами, м;

Н- глубина потока, м.____

Так как скорость фильтрации от х не зависит, то пьезометрический уклон (-с!И/с1х) будет постоянен по координате х и равен среднему пьезометрическому уклону в кусочнооднородном пласте торфов, т.е.

_ Л (9)

6.Х ¿ф'

Принимая во внимание то, что переменный по координате и времени напор активированного раствора реагента в сечении пласта /гд=о=Я/ и проинтегрировав уравнение (9) получим:

12

/I = Н1-Н± (10)

ч

Формула (10) дает выражение напора в пласте в любой момент времени.

Подставляя в уравнение (9) вместо пьезометрического уклона (—с1Ь/<1х) его выражение (10) после интегрирования получим уравнение перераспределения напора во всем потоке АРР:

и = (11)

где v0— скорость фильтрации в пласте в начальный момент времени (1=0) после заполнения распределительной канавы и оросителей активированным раствором реагента.

Зависимость (11) 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,

(12)

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 (12) будет иметь вид: _ Н'ез:р (¿пбЗ,4(0,119СГЛ))

^ф —---, (1-э)

Отсюда вытекает очень важный 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.

Таким образом, 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.

При использовании буровых скважин для оттаивания торфов расчет параметров технологии подготовки искусственных сушенцов необходимо

вести по уравнениям осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах.

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.

Основными факторами, определяющими расстояние между скважинами или горизонтальными дренами при подготовке искусственных сушенцов, являются льдистость торфов, содержание глины в россыпи, мощность обрабатываемого и водоносного слоев. Достигнутые в процессе дренирования значения критической влажности 3,5 %, позволили разрабатывать мерзлые торфа даже легкими бульдозерами во время сильных морозов. На участках россыпи, где льдистость торфов не удалось понизить ниже 4,5 %, была успешно использована тяжелая землеройная техника.

Вышеизложенное является доказательством второго научного положения, выносимого на защиту, а именно, 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 меяеду дренами, заложение последних должно быть не менее 3-х метров при глубине торфов до 6 метров.

Изучение влияния льдистости пород на их просадку в зависимости от продолжительности воздействия солнечной радиации производились по результатам маркшейдерских замеров исследуемой поверхности. Период наблюдения за просадкой торфов в исследуемых блоках составил 2 года. Льдистость горных пород находилась в пределах от 30 до 60 %.Результаты наблюдений и распределения объемов просадки торфов по месяцам показывают, что увеличение льдистости с 30 до 50 % приводит к росту глубины просадки торфов от 2,07 до 4,64м.

Следует обратить внимание, что понижение интенсивности просадки торфов приурочено к снижению уровня льдистости до 30 %. Результаты промышленных исследований обработаны на ПК по программе полинома 2-ой степени и получены следующие уравнения регрессии:

- по блоку 3 с содержанием льда 50 % объем просадки составит (в м3/м2),

У3-3,34-[(Т-16,45)2]-2,78-[({-13,81)2]+514,93, (14)

где Т', I'— эмпирические значения, зависящие от продолжительности воздействия солнечной радиации и температуры воздуха.

Т'= 0,96-Т + 0,29-1, (15)

1' = -0,31-Т+0,95-1, (16)

где Т - температура воздуха, град.;

1 — продолжительность осадки торфов, сут.

(\1)

(18) (19)

(20)

(21) (22)

- по блоку 2 с содержанием льда 40 % объем просадки торфов можно определить по формуле (в м3/м2),

У3=45,38-[(Т)2+2,87Т+2,05]-35,38-[(г')2-17,82%'+79,4]+15702,14, где

Г= 0.97-Т+ 0,022% V = -0,23-Т + 0,97%

- по блоку 1 с содержанием льда 30 % объем просадки составит (в м3/м2),

V,=9,79-(Т+8,1)2-1,95-(1-24,11)2+614,21, где

Т' = 0,99-Т + 0,16%, ? = -0,16-Т + 0,99%, На первый взгляд, результаты проведенных исследований достаточно неожиданные, но они позволили сделать очень важный вывод. Как известно накопление талого слоя резко снижает последующую оттайку. Для объяснения выявленных закономерностей необходимо коснуться некоторых особенностей физико-механических свойств высокольдистых пород. Учитывая низкие коэффициенты фильтрации мерзлых торфов, т.е. медленное проникновение воды в массив, следует ожидать высокие градиенты потенциала почвенной влаги в поверхностном слое.

Следовательно, образование этих градиентов приводит к формированию напряженного состояния в контактном слое между уже талой и мерзлой породой, что вызывает развитие зон микротрещиноватости. Последнее обусловливает более интенсивное проникновение воды в породу по трещинам и распространение расклинивающего давления. Главным условием для интенсивной просадки торфов в этом случае является эффективный отвод оттаявшей воды. Подобное явление обеспечивает

интенсивную оттайку мерзлой породы при накоплении талого слоя результатом чего и является большой объем просадки торфов и образования искусственной сушенцовой вскрыши.

Несмотря на многообразие

применяемых технологических схем вскрышных работ при разработке сушенцовой вскрыши в зимний период эффективных способов и схем вскрышных работ нет. Признаками, позволяющими классифицировать технологические схемы добычных работ, являются места расположения приемных бункеров на приборостоянке и их местоположение относительно полигона. Аналогичный признак можно использовать и на вскрышных работах при выемке сушенцов, 15

1

2

РиСуНОК 6 —Технологическая схема сушенцовой вскрыши при использовании поворотного конвейера.

если породы за пределы полигона транспортировать конвейером. Тогда приемный бункер-питатель будет служить поворотным пунктом при производстве вскрыши торфов. В предлагаемых технологических схемах приемный бункер-питатель главного конвейера служит нулевой отметкой для расчета среднего расстояния транспортирования (рис.6). Расстояние между бульдозером по правилам безопасности не должно быть менее 15 метров. При заполнении емкости отвалов, либо наращивают звенья стакера (3), либо производится планировка отвалов. Продолжительность наращивания вращающегося стакера составляет не более 30 мин. При определении нормы выработки бульдозера, который осуществляет подачу исходного материала в бункер-питатель, принято максимальное для таких работ расстояние транспортировки- 80 метров. Необходимо учитывать, что при совместном использовании комплекса оборудования цикличного и непрерывного действия производительность машин цикличного действия-бульдозеров (для обеспечения ритмичной работы) должна как минимум в 1,5 раза превышать производительность машин непрерывного действия - конвейеров.

Применение технологических схем сушенцовой вскрыши с конвейерной разгрузкой породы по бортам россыпи, позволяет исключить разработку дополнительных объемов торфов откосов, за счет разноса бортов полигона, с уклоном, допустимым для выезда бульдозеров. Эффективное использование предложенной схемы требует при подготовке искусственных сушенцов добиваться критической влажности пород — 3,5 %. Определяющее влияние на величину мощности торфов оказывает емкость отвала, образованного вращающимся отвалообразователем. Предварительная укладка торфов на борт полигона позволяет повысить высоту установки вращающегося отвального стакера. При мощности торфов до 6 м. бункер-питатель на первом этапе устанавливается на отметке, равной половине мощности, разрабатываемого пласта торфов. Затем отрабатывается нижняя част торфов.

Внедрение предлагаемых технологических решений позволило снизить затраты на вскрышу на 20-30.

Вышеизложенное является доказательством третьего научного положения, выносимого на защиту, а именно, 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 почвепной влаги в поверхностном слое и распространении 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная задача по выбору и обоснованию

16

технологии подготовки искусственных сушенцовых зон на основе управления проницаемостью пород.

1 .Обобщены теория и практика гидравлического оттаивания пород на основе изучения опыта отечественных и зарубежных компаний, проведен обзор и анализ проблем рационального природопользования.

2.Обоснована возможность расширения области применения технологии подготовки искусственных сушенцовых зон.

3.Проведено физическое моделирование проницаемости пород с содержанием глинистого цемента до 15 % после их обработки активированным раствором реагента.

4.Установлены закономерности движения жидкости в недеформируемой пористой среде, создан аналитический метод расчета скорости фильтрации жидкости после обработки APP.

5.На основе метода конформных преобразований предложена методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов при фильтрационно-дренажном оттаивании и при использовании поглощающих буровых скважин, с учетом уравнений симметричной и осесимметричной одномерной фильтрации в цилиндрических координатах.

6.Разработана технология подготовки искусственной сушенцовой вскрыши на высокольдистых россыпях, на основе фильтрационно-дренажных способов оттаивания с принудительным водоотведением, представлены рекомендации для промышленного применения технологии;

Результаты исследований диссертационной работы могут быть внедрены на золотодобывающих предприятиях Колымы, Саха (Якутия) и Енисейского кряжа, а также месторождениях песчано-гравийных материалов.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации: В изданиях, рекомендованных ВАК:

1.Морозова Н.В. О применении метода конформных преобразований для расчета параметров технологии искусственных сушенцов/Егорова Е.Л. // Журнал Сибирского Федерального университета/Техника и технологии. Красноярск: СФУ, 2010. - № 4. - С. 396-405.

2.Морозова Н.В. Построение функции движения активированного раствор реагента в кусочнооднородном пласте торфов постоянной мощности / Коростовенко В.В., Егорова Е.Л., Миронкин В.А.//В кн.: Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. - № 4 -М.: МГГУ. С. 43-49.

3.Морозова Н.В. Особенности технологии подготовки искусственных сушенцовых полей на высокольдистых россыпях/ Коростовенко В.В., Егорову Е.Л., Миронкин В.А.// В кн.: Горный информационно-аналитический бюллетень, 2012 - № 8 — М: МГТУ. С. 46-52.

4. Морозова Н.В. К расчету годового намыва металла при подготовке искусственной сушенцовой вскрыши // В кн.: Горный информационно-аналитический бюллетень, 2013, № 12 -М.: МГТУ.С. 340-343.

В других гаданиях:

5. Морозова Н.В. Создание искусственных сушенцовых зон на основе повышения фильтрационно-дренажного оттаивания // Современные

17

технологии освоения минеральных ресурсов. / Сб. материалов 7-ой международной научно-технической конференции, 2009, Ч. 1. — Красноярск: СФУ. С. 292-296.

6. Морозова Н.В. Параметры технологии подготовки сушенцовых зон в слабопроницаемых породах в условиях одномерной установившейся фильтрации /Егорова E.JL, Морозов В.Н.// Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 8-ой международной научно-практической конференции 7-9 апреля 2010г./ Филиал СПГТИ (ТУ) «Воркутинский горный институт». - Воркута, 2010. -719 с. С. 100-103.

7. Морозова Н.В. Теоретические основы движения активированного раствора реагента в недеформируемой пористой среде на каолинит-монтмориллонитовом цементе в условиях плановой установившейся фильтрации//Современные технологии освоения минеральных ресурсов. / Сб. материалов 8-ой международной научно-технической конференции, 2010, — Красноярск: СФУ. С.192-196.

8. Морозова Н.В. Регламентирование условий применения способов обработки глинистых торфов активированным раствором реагента при создании сушенцовых зон. //. Современные технологии освоения минеральных ресурсов. / Сб. материалов 8-ой международной научно-технической конференции, 2010, - Красноярск: СФУ.С. 196-201.

9. Морозова Н.В. К теории подготовки искусственных сушенцов при разработке россыпных месторождений// Materialy YII Miqdzynarodnoj naukovvi-praktycznei konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami - 201 i» Volume 57. Technicznenauki. л Przemysl. Naukalstudif- 104 str.

Ю.Морозова Н.В. К расчету параметров технологии подготовки искусственных сушенцовых полигонов при разработке россыпных месторождений/Коростовенко В.В. // Технологические науки: теория и практика: материалы междунар. заоч. конф. (г. Чита, май 2012). С. 124-127

11. Морозова Н.В. Классификация способов подготовки искусственных сушенцовых полей / Коростовенко В.В.// Materialy Miqdzynarodnoj naukowi-praktycznei konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami» Volume 12. Technicznenauki. Л Przemysl. Naukalstudif -73-76 str.

12.Морозова Н.В. Технология подготовки искусственных сушенцовых зон при разработке многолетнемерзлых грунтов в условиях крайнего Севера// Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции "Развитие Севера и Арктики: проблемы и перспективы", 2013. - Апатиты, 6-8 ноября, СПГЭУ.

Подписано в печать 16.05.2014. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ № 1311

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82, ст.1, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru