Введение к работе
Актуальность проблемы, Дражный способ разработки россыпных месторождений имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению с любым другим способом. Однако происходит постепенное ухудшение этих показателей по мере вовлечения в разработку новых многолетнемерзлых месторождений. К концу 80-х годов из 174 действующих драг более 100 из них эксплуатировалось на многолетнемерзлых месторождениях. Причем, около 80 % этих месторождений можно отнести к неглубоким многолетнемерзлым россыпям (НММР) с глубиной залегания до 6-7 м. Многие новые перспективные месторождения, а также месторождения, вовлекаемые в рентабельную повторную разработку, можно отнести к этому типу. Именно на разработке НММР драги имеют самые низкие показатели. Более 90% драг не достигают проектных показателей. Средняя годовая производительность 25 драг с вместимостью черпака 250 л не превышает 450 тыс.м , в то время как на талых россыпях драги этого типа имеют производительность 995 тыс.м . Из-заплохого качества оттаивания полигонов перед драгированием повсеместно отмечается недоработка наиболее богатой приплотико-вой части пласта. По причине неудовлетворительной защиты переходящих талых запасов от сезонного промерзания ежегодно задерживается до'июня-июля пуск в работу значительного количества драг. Существующая на НММР система разработки допускает потери полезного ископаемого под плотинами 10 % от балансовых запасов. Неоправданно велико потребление чистой воды.
Неудовлетворительные показатели работы драг на НММР настолько массовы и постоянны, что их невозможно объяснить лишь организационными просчетами и нехваткой землеройной техники, как это порой представляется.
Вместе с тем, небольшая глубина месторождений и имеющийся обширный опыт водно-тепловой подготовки мерзлых пород к выемке в суровых климатических условиях только с использованием естественных источников тепла дают надежду на то, что при создании благоприятных условий для использования естественных энергоресурсов через совершенствование технологии горных работ многие из отмеченных недостатков могут быть устранены.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами
НИР института "Иргиредмет", формировавшимися с учетом отраслевой комплексной программы КП-18Г, задания 03 научно-технической программы ГКНТ N 352 от 04.07.85, а также прямых договоров с предприятиями.
Целью работы является создание технологии разработки много-летнемерзлых россыпей неглубокого залегания дражным способом, обеспечивающей высокую эффективность работы драг при снижении потерь полезного ископаемого в недрах и рациональном водо- и землепользовании.
Идея работы заключается в интенсификации водно-тепловых способов подготовки мерзлых пород к выемке за счет более эффективного использования солнечной энергии и способов предохранения пород от промерзания.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи.
1. Исследовать на модели месторождения и на модели водно-тепловой подготовки дражных полигонов при существующей технологии горных работ теплообмен подготавливаемого массива в годовом цикле процессов оттаивания-промерзания в различных сечениях дражного полигона.
-
Разработать метод расчета фильтрационных потерь через плотину и изучить на его основе фильтрационные свойства плотин на дражных полигонах.
-
Исследовать динамику водохранилищ в летний и осенне-зимний периоды при различных технологических задачах для условий модели месторождения.
4. Научно-методически обосновать основные принципы новой
технологии, обеспечивающей более эффективное использование
солнечной энергии при процессах оттаивания и способов защиты
пород от промерзания.
5. Исследовать процесс генерации жидких пен и способы получения твердых пенных теплоизоляционных материалов на дражных полигонах; изучить эксплуатационные свойства теплоизоляторов в лабораторных и натурных условиях.
6. Научно обосновать типовые варианты подготовки дражных полигонов в различных горногеологических условиях.
Для решения этих задач был использован комплекс методов исследований, включающий анализ литературных источников,
научное обобщение производственного опыта, фотохронометраж, температурные наблюдения в полевых условиях, воднобалансовые измерения на водохранилищах дражных полигонов, исследования режимов генерации пен на стендовых установках, определение теплофизических свойств теплоизоляционных материалов в холодильной камере, лабораторные и натурные измерения массопере-носа в пенном слое, моделирование тепловых процессов на гидравлическом интеграторе, графоаналитические исследования, составление проектов опытно-промышленных работ, внедрение новых технологий на дражных полигонах и технико-экономическую оценку результатов внедрения.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна. 1. На модели НММР исследован тепловой режим полигона в годовом цикле его подготовки и показано, что при существующей технологии разработки невозможно обеспечить качественную подготовку мерзлых песков к драгированию.
2, Разработан метод расчета фильтрационных потерь через плотину, позволяющий учитывать специфику дражного полигона, введено понятие коэффициента эффективной фильтрации плотины и экспериментально определены его количественные значения для плотин в различных горногеологических условиях. Выявлено, что его величина в сотни раз превышает значение коэффициента фильтрации пород, из которых сооружена плотина. Для условий модели месторождения выявлены закономерности хода опорожнения водохранилища в осенне-зимний период при различных глубинах начального наполнения и при различном количестве плотин. Показано, что к моменту прекращения поверхностного стока уровень воды в водохранилище практически не зависит от его начального наполнения.
3. Дано научное обоснование нескольких принципов новой технологии разработки НММР, основные из которых сводятся к изменению последовательности ходов драги и порядка сооружения плотин, а также к активному воздействию на ход естественного оттаивания пород в пределах дражного хода через изменение мощности оттаиваемых пород по его длине. Получено выражение для определения формы кривой поверхности в продольном сечении дражного хода, что позволяет вести расчет обьемов горноподгото-
вительных работ.
4. Получена закономерность формирования пены в длинном канале в процессе турбулентного движения газожидкостной смеси. Созданы научно-методические основы получения замерзающей водно-воздушной пены на больших площадях как теплоизоляционного материала при защите пород от сезонного промерзания. Получены зависимости теплопроводности замерзшей водно-воздушной и быс-тротвердеющей полимерной пены от плотности и температуры. Выявлен механизм массопереноса и разрушения ячеистой структуры в слое замерзшей пены и найден способ торможения процесса разрушения.
5. Научно обоснованы типовые схемы подготовки НММР в различных горногеологических условиях с применением комбинированных способов оттаивания и предохранения от промерзания. Дано обоснование целесообразности ускоренной подготовки полигона путем придания дражному ходу переменной мощности послойным оттаиванием и разработана методика определения параметров ускоренной подготовки.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается широким применением экспериментальных методов исследований с непосредственным измерением поверенными приборами измеряемой величины; при теплофизических исследованиях тарировкой аппаратурного оснащения и проверкой методов измерений на эталонных материалах; результатами внедрения основных технических решений на различных предприятиях, ведущих разработку НММР дражным способом.
Практическое значение работы заключается в следующем: - создана технология разработки НММР драгами, позволяющая за счет более полного использования естественных источников тепла и повышения качества подготовки мерзлых полигонов к драгированию повысить годовую производительность драги, снизить потери полезного ископаемого при драгировании от недоработки пласта, исключить ранее планировавшиеся потери в целиках под плотинами, снизить потребление чистой воды и затраты на рекультивацию;
-создана техника и технология для получения и укладки на дражных полигонах пенных теплоизоляционных материалов двух типов с целью защиты переходящих талых запасов от сезонного промерза-
ния;
- разработаны комбинированные способы снижения теплопотерь на участке переходящих талых запасов и предложены типовые схемы подготовки дражных полигонов для различных горногеологических условий.
Реализация результатов работы. Технология защиты талых пород от сезонного промерзания пенными теплоизоляционными материалами в ходе его совершенствования внедрена на приисках производственных объединений "Якутзолото", "Лензолото", "Амурзо-лото", "Забайкалзолото" и "Приморзолото". С 1973 по 1983 г.г. на этих предприятиях утеплено в общей сложности более 500 тыс.м2 поверхности дражных полигонов с суммарным экономическим эффектом 1764,4 тыс.р. В 1990 г. продана лицензия в КНР на "Технологию приготовления и нанесения пенных покрытий с целью предохранения оттаянных пород от сезонного промерзания способом "пена на лед". Стоимость лицензии 1130 тыс.швейцарских франков. От внедрения отдельных элементов новой технологии на 8 дражных полигонах в ПО "Лензолото" и "Забайкалзолото" за период 1983--89г.г. получен фактический экономический эффект 1910,4 тыс.р. Комплексное внедрение новой технологии начато в 1991 г. на двух драгах малого предприятия "Чалдонка" (прииск "Ксеньевский"). Экономический эффект от применения новой технологии составил в 1992 г. около 80 млн.р.
Выполненные исследования позволили выпустить "Руководство по подготовке и отработке многолетнемерзлых дражных полигонов" (1990 г.) и "Руководство по подготовке дражных полигонов с применением теплоизолирующей водно-воздушной пены" (1986 г.), в которых изложены методические основы проектирования разработки НММР по новой технологии.
Апробация работы. Различные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Пены. Получение и применение" (Балашиха, 1973), на отраслевой школе передового опыта "Применение пен для защиты дражных полигонов от сезонного промерзания" (пос.Нелькан, 1975), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1973), на VII Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике" (Минск, 1977), на IV Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные на-
правления повышения технического уровня производства при разработке россыпных месторождений" (Магадан, 1978), на научно-технической конференции "Техника и технология разработки слож-ноструктурных россыпных месторождений золота" (Бодайбо, 1982), на Всесоюзном совещании по проблемам использования льда и снега в народном хозяйстве (Иркутск, 1984), на Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в золото- и алмазодобывающей промышленности на период до 2000 г." (Иркутск, 1985), на школе передового опыта по дражным работам (Чита, 1986), на координационных совещаниях отрасли (Иркутск, 1986, 1987, 1988), на заседаниях горногеологической секции НТС Иргиредмета (1970-1991). Некоторые положения диссертации были опубликованы в материалах международной конференции "Разработка россыпей" (Лондон, 1991). Отдельные результаты работы трижды экспонировались на ВДНХ и удостоены трех серебряных медалей.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 37 печатных работах, из них 5 брошюр. Получено 14 авторских свидетельств на изобретения и 4 зарубежных патента.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 206 наименований, приложения; содержит 301 страницу машинописного текста, 70 рисунков и 13 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность коллегам по институту "Иргиредмет" Б.В.Левинскому, В.А.Плюснину, В.А.Сафонову, В.В.Фандееву и всему коллективу дражной группы за всестороннюю помощь и поддержку на всех этапах работы. Особо благодарен автор директору Ксеньевского прииска В.М.Донову за организацию научно-производственного малого предприятия "Чалдонка" и активное содействие внедрению новой технологии на данном предприятии.