WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Субботин

Юрий Викторович

разработка эффективных способов подготовки

мерзлых пород к выемке и водоподготовки на

объектах роССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИй забайкалья

Специальность 25.00.22

Геотехнология подземная, открытая и строительная

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Чита - 2008

Работа выполнена на кафедре Открытых горных работ

ГОУ ВПО «Читинский государственный универси­тет»

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Рашкин Анатолий Васильевич

доктор технических наук, профессор Овешников Юрий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дробаденко Валерий Павлович

доктор технических наук, профессор Тальгамер Борис Леонидович

доктор технических наук Литвинцев Виктор Семенович

Ведущая организация – ОАО «Иргиредмет»

Защита диссертации состоится  26 декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.01 при Читинском государ­ственном университете (г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого и диссертационного советов).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные пе­чатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ,  ученому секретарю совета Д 212.299.01 

Факс: (3022) 41-64-44; Web-server: www.chitgu.ru; E-mail: root@chitgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Автореферат разослан «___»__________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. геол.-минерал. наук Н.П. Котова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях рыночных отношений Рос­сия, обладающая значительными прогнозными ресурсами, а также разведанными запасами коренного и россыпного золота, имеет существенные экономические предпосылки для интенсификации золотодобычи.

Значительное увеличение объемов добычи драгоценного металла может быть достигнуто в результате интенсивной разработки россыпей, расположенных на Севере и Северо-востоке страны, в районах со слаборазвитой инфраструктурой, неблагоприятным суровым климатом и сложными горно-геоло­гиче­скими условиями.

По оценкам специалистов, за счет более активного вовлечения в откры­тую разработку глубокозалегающих россыпных месторождений с глубиной залегания пластов свыше 25 м, а также мерзлых россыпей, в песках которых содержится мелкодисперсное золото (d-0,25мм>40 %), илисто-гли­нистые фракции (d-0,5мм>40 %) и валуны (валунистость более 10 %), объемы добываемого золота в России в ближайшее десятилетие возрастут в 2,5-3 раза и к 2010…2015 гг. превысят 300 т/год. Соответственно на дражных и гидромеханизированных разработках объем перерабатываемой горной массы достигнет 2 млрд. м3/год. При этом потребление оборотной воды на нужды производства и сброс сточных вод в поверхностные водотоки также увеличатся в 1,5-2 раза. Поэтому при добыче и промывке мерзлых золотоносных песков проблема повышения эффективности водоподготовки и подготовки мерзлых горных пород к выемке является наиболее актуальной.

Анализ стати­сти­ческого материала и обобщение результатов ранее выполненных ис­сле­дований пока­зывают, что процессы доочистки сточных и оборотных вод путем их фильтрования на геотекстильных фильтрах и цеолитах, а также вопросы, связанные с совершенствованием солнечно-радиационного, фильтрационно-дренажного способов оттаивания мерзлых пород и предохранения талых пород от промерзания затоплением при открытой разработке россыпных месторождений исследованы не достаточно полно.

В настоящей работе представлены и обобщены результаты исследова­ний, выполненных в соответст­вии с ком­плексной про­граммой Мин ВУЗа РФ «Экологическая технология. Человек и окру­жающая среда» и планом важнейших научно-технических проблем МЦМ СССР МП-11 «Разработка и внедре­ние эффективных мето­дов очи­стки промышленных сточных вод и систем оборотного водо­снаб­жения предприятий цветной металлургии».

Тема диссертации тесно связана с выполненными на кафедре ОГР ЧитГУ госбюджетными и хоздоговорными работами, включенными в от­раслевые программы.

Цель и задачи исследований. Главная цель работы состоит в разра­ботке и науч­ном обосновании применения эффективных спо­собов от­таи­вания мерз­лых пород, предохранения талых пород от сезонного промерза­ния и повышении  эффективности  оборотного  водоснабжения  на объектах

россыпной  золотодо­бычи Забайкалья.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить сле­дую­щие основные задачи:

- выполнить критический анализ технологии открытой разработки россыпных месторождений (дражный и гидромехани­зи­рованный спосо­бы) и обосновать влия­ние водоподготовки и подготовки мерзлых пород к выемке на эффективность открытых горных работ;

- сгруппировать россыпные место­рождения по критериям одно­родно­сти гранулометрического состава горных пород и обосновать влияние неоднородности рыхлых отложений на степень промывистости, скорость оттаивания мерзлых пород и величину коэффициента фильтрации пород;

- обосновать возможность повышения эффективности солнечно-радиационного оттаива­ния за счет создания тепловых ванн на дневной поверхности с активацией теплообмена в придонном слое соляного солнечного бассейна, применения бороздовых оросителей и использования синхронно-импульсного электрогидроразрыва пласта;

- разработать методику выбора и расчета оптимальных параметров варианта фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых пород в сочетании с известным взрвывогидравлическим и провести его испытания на одном из дражных полигонов Забайкалья;

- разработать, исследовать на физической модели и внедрить новую техноло­гию создания эффективной проти­во­фильтрационной за­щиты гидро­тех­нических соору­же­ний для предо­хранения талых пород от про­мерзания затоплением за счет создания проти­во­фильтрационного экрана из геотек­стильного материала «Дорнит» и проти­во­фильтрационной завесы плотины, созданной путем обработки горных пород растворами химических реаген­тов Nа-КМЦ и FeCl3;

- разработать методику определения водопритока в горные выработки при использовании противофильтрационных экранов в дренажных тран­ше­ях созданных из слабопроницаемых пород в комбинации с геотекстильным мате­риалом;

- провести теоретические исследования, промышленные испыта­ния и обосновать возможность приме­нение геотекстильных фильтров с напол­ни­телем из цеоли­та для повышения эффективности оборотного водоснабже­ния при открытой разработке россыпных месторожде­ний Забай­калья.

Идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается  за счет снижения энергети­ческих затрат и более полного использования солнечной энергии на оттаивание мерзлых пород, снижения фильтрацион­ных потерь и повышения надежности предохранения пород от промерзания затоплением путем создания комбинированных водо­не­проницаемых завес и экранов в гидротехнических сооружениях, а также снижения уровня загряз­нения оборотных вод путем использования геотекстильных материалов и цеолитов в процессах доочистки сточных и оборотных вод.

Методы исследований. Решение поставленных задач осуществля­лось с применением со­вре­менных методов исследований, включая: анализ статистического мате­риала и обобщение результатов ранее выполненных исследований по про­блемам технологии открытой разра­ботки россыпных месторожде­ний; па­тентно-информационные, теоретические, лаборатор­ные и натур­ные иссле­до­вания; физическое и мате­матиче­ское моделирование; методы матема­ти­ческой ста­тистики и математическая обработка результа­тов исследований на ЭВМ; опытно-промышленные испы­тания и технико-экономический анализ.

Объект исследования – физико-механические свойства горных по­род, их гранулометрический состав, про­цессы фильтрации воды и переноса тепла в массиве рыхлых отложений россып­ных месторождений Забайкалья.

Предмет исследования – способы от­таивания мерз­лых и предохране­ния талых горных пород от промерза­ния затоплением, очистка сточных и оборотных вод от загрязнений, противофильтрационные экраны и завесы гидротехнических сооружений, созданные из геотек­стиль­ных мате­риалов, химических реагентов и водонепроницаемых пород на объектах открытой разработки россыпей.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. На основе выявленных статистических кумулят и ап­прок­сими­рую­щих формул грану­ло­мет­рического соста­ва рых­лых от­ло­жений россып­ные месторождения сгруппированы по пока­зателям неодно­родности, что позво­ляет повысить точ­ность расчетов коэф­фи­циентов фильт­рации горных по­род, на­дежность выбора способа от­таивания мерз­лых пород и создания про­ти­вофильтрационной защиты  гидротех­нических сооруже­ний при пре­дохра­нении по­род от промерза­ния затоплением.

2. Создание на дневной поверхности тепло­вых ванн с активацией теплообмена в придонном слое соляного сол­нечного бас­сейна и обеспече­ние конвек­тивно-кондуктивной передачи солнечной энергии вглубь мерз­лого мас­сива за счет естественного движения теплоноси­теля по скважи­нам повышает эффективность солнечно-радиацион­ного оттаивания мерзлых рос­сыпей в два-три раза.

3. Использование сол­нечной энер­гии, аккумулированной в воде-теплоносителе, поступающей вглубь мерзлого массива по искусственно созданным зонам фильтрации: фильт­раци­онным каналам, образованным в мерзлом массиве на глубине элек­трогид­роразрывом пласта или камуфлет­ным взрыва­нием ли­ней­ного ряда сква­жин­ных зарядов ВВ, и бороздо­вым оросителям, созданным на днев­ной поверхности меха­ниче­ским рых­лением горных пород, ускоряет процесс оттаивания мерзлых дражных полигонов со сложными горно-геологическими условиями.

4. Комбинированная противофильтрационная защита гидро­техни­че­ских сооружений, вклю­чаю­щая технологию создания противофильт­рацион­ной завесы путем попеременной обработки пород растворами на­трийкар­бок­си­метилцеллюлозы (Nа-КМЦ) и треххлори­стого железа (FeCl3), в ком­плек­се с противофильтрационным экраном, выполненным из геотек­стиль­ного мате­риала, обеспечивает надежность пре­дохранения пород от промер­зания затопле­нием за счет снижения водопроницаемости пород в 15-20 раз.

5. Приме­нение гео­текстильных материалов и цеолитов в техно­ло­гиче­ских процессах водоподготовки повы­шает эффектив­ность обо­рот­ного водо­снаб­жения на объектах открытой разра­ботки рос­сып­ных месторождений  и обеспечивает снижение содержания загряз­няющих при­ме­сей в сточ­ных и обо­ротных водах в десятки раз до норм ПДК.

Обоснованность  и  достоверность  научных  положений  и  выводов

подтверждается:

- корректным решением поставленных задач;

- необходимым объемом выполненных иссле­дований;

- удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных, экспе­риментальных и теоретических иссле­до­ваний;

- положительными результатами внедрения новых технологий и реко­мендаций в рабочие проекты и горное производство (основные предложе­ния и выво­ды проверены и подтверждены в промышленных условиях ПО «За­байкалзолото», ПО «Приморзолото», ста­рательской артели «Саяны», ОАО СУЭК «Разрез Восточный», ООО «Забайкалзолотопроект-Россыпь» и ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект»).

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Получены количествен­ные зависимо­сти статистических куму­лят гранулометрического состава горных пород для россыпей Забайкалья и формулы для определения коэффициентов фильтрации горных пород с учетом неоднородности рыхлых отложений россыпей.

2. Установлены основные закономерности аккумулирования солнеч­ной энер­гии в придонном слое соляного солнечного бассейна (ССБ), позволяющие обоснованно использовать эффект ССБ для ускорения оттаи­вания мерзлых гор­ных пород.

3. Выявлены закономерности изменения глубины оттаивания мерз­лых горных пород в зависимости от их теплофизичес­ких свойств, па­ра­метров бу­ровзрыв­ных работ и раз­меров фильтрационных  каналов  при  взры­вогид­-

равлическом фильтраци­онно-дре­нажном способе оттаивания.

4. Теоретически и методом электроаналогий определена динамика скорости оттаивания мерзлых горных пород при различных способах, а также зависимость себестоимости фильтрационно-дренаж­ного оттаивания мерзлых пород от параметров механического рыхления массива – длины бороздовых оросителей и расстояний между ними.

5. Установлена зависимость эффективности противофильтрационной защиты технологических плотин и дамб на дражных разработках от ре­жимов попеременной обработки по­род, концентрации и расхода реагентов.

6. Установлены зависимости степени очистки загрязненных вод от ти­па фильтровального материала, крупности загрязняющих частиц в фильт­рате и режима фильтрации.

7. Определена зависимость изменения удельного расхода воды при ее фильт­рова­нии через геотекстиль­ный материал, цеолит и их комбинацию.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Разработана клас­си­фикация золотоносных россыпных  месторож­де-

ний Забайкалья, сгруппирован­ных по критериям однородности грануло­метрического состава рыхлых отложений, позволяющая на стадии проекти­рования разработки россыпей с меньшей погрешностью определять по фор­мулам коэффици­енты фильтрации пород и с большей надежностью произ­водить выбор способа оттаивания, очистки сточных и оборотных вод.

2. Обоснован и разработан рациональный способ аккумулирования солнечной энергии в придонном слое соляного солнечного бассейна, позво­ляющий с минимальными затратами ускоренно производить оттаива­ние мерзлых горных пород.

3. На основе применения тепловых ванн разработан и предложен рациональный способ оттаивания мерзлых горных пород с использованием противотока естественного движения нагретой и охлажденной воды соот­ветственно по скважинам и водозаборным патрубкам.

4. Усовершенствован фильт­рационно-дре­нажный способ оттаивания мерзлых горных пород путем применения его в комбинации либо с взрыво­гидравличе­ским способом, либо электрогидроразрывом пласта, либо меха­ни­ческим рыхлением, либо соляными солнечными нагревателями, позво­ляющий в слож­ных горно-гео­логиче­ских условиях ускорить подго­товку дражных полиго­нов в весенний период.

5. Обоснован и внедрен способ создания противофильтрационной завесы в плотинах, повышающий эффективность предохране­ния талых по­род от сезонного промерзания затоплением, выполненный на ос­нове попе­ременной обработки пород плотины растворами Nа-КМЦ и FeCl3.

6. Доказана эффективность примене­ния  геотекстильных  материа­лов,

цеолитов и их комбинации в процессах доочистки сточных и оборот­ных вод при разработке россыпных место­рождений.

7. Разработан способ регулирования притока фильтрационной  воды в открытые горные выработки в сложных гидрогеологиче­ских условиях, основанный на создании водонепроницае­мых экранов и завес в гидротех­нических сооружениях (плотинах и тран­шеях) с применением геотекстиль­ных материалов, химических реа­гентов и водонепроницаемых вскрышных пород – аргиллитов и алевролитов.

Личный вклад автора:

- разработка идеи и определение цели работы;

- постановка задач исследования, разработка теоретической ос­новы методов их решения и анализ результатов;

- разработка теоретических основ для определения статистических кумулят грануломет­ри­ческого состава рыхлых отложений россыпей;

- разработка способов и устройств, а также физических моделей и лабораторных установок для оттаивания мерзлых пород, предохранения от промерзания и очистки сточных и оборотных вод;

- организация  и  проведение  лабораторных и экспери­ментальных ис­сле­дований, опытно-промышленных испытаний и внедрения в промыш­ленное произ­водство предложенных технологий оттаивания, предохранения пород от промерза­ния затопле­нием с помо­щью создания противофильт­ра­ционных завес на ос­нове поперемен­ной обработки пород гидротехнических сооружений химическими реагентами, а также доочистки заг­ряз­ненных вод путем фильтрования через геотекстильные материалы и цеолит;

- обработка результатов исследований и проведение математиче­ских расчетов с помощью ЭВМ.

Автор принимал участие (с 1975 г.) в госбюджетных и хоз­до­говор­ных научно-исследовательских работах, вклю­ченных в отраслевые ком­плексные программы НИОКР Главалмаззо­лота СССР.

Практическое внед­рение теоретических разработок и способов подго­товки мерзлых пород к выемке и водоподготовки осущест­в­лялось при непосредственном участии ав­тора на предприятиях ПО «За­бай­калзо­лото», ПО «Приморзолото», с/а «Саяны», ОАО СУЭК «Разрез Вос­точ­ный».

Реализация результатов исследований

1. Основные результаты исследований по подготовке горных пород к выемке и по очистке сточных вод от загрязняющих примесей используются специалистами проектно-конструкторских организаций За­бай­калья: ООО «Забайкалзоло­то­проект-Рос­сыпь» и ОАО «Забайкалцвет­мет­НИИпроект» при проектировании от­крытой разработки золотоносных россыпных место­рождений, а также студентами ГОУ ВПО Читинского государственного уни­вер­ситета при выполнении расчетно-графических, курсовых и диплом­ных работ.

2. На основании опытно-экспери­мен­тальных испы­таний оттаива­ния много­лет­немерзлых пород (1977 год, полигон драги №166 Дарасунского рудника ПО «Забайкалзолото»), позволивших на 20 дней ускорить пуск драги и увели­чить ее среднемесячную производительность на 30 %, по согла­сованию с Научно-техниче­ским управле­ни­ем и ВО «Союззолото» МЦМ СССР разработаны рекомендации для внедрения на предприятиях ПО «Забайкалзолото», «Амурзолото», «Северовостокзо­лото», «Уралзо­лото», «Енисейзолото», «Якутзолото», «Приморзолото» взры­вогидравличе­ского фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерз­лых горных по­род при подготовке дражных полигонов.

3. Внедрение фильтрационно-дре­нажного способа оттаивания много­лет­немерзлых пород с применением бороздовых оросителей в условиях Софийского прииска производственного объединения «Приморзо­лото» в 1979 году на полигоне драги №197 позволило увели­чить ее производитель­ность на 10…30 % в сравнении с предыдущими 1976…1978 гг.

4. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидро­тех­ни­ческих со­ору­жениях на дражных полигонах ПО «Забайкал­золото» драги №166 Дарасунского рудника в 1977…1978 гг. позволило предохранить породы от промерзания затоплением в объ­еме 180 тыс.м3, улучшить водо­снабжение драги, очистку сточных вод.

5. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидро­тех­ни­ческих со­ору­жениях на полигоне драги №161 Ксеньевского прииска ПО «Забайкал­золото» в 1979 году позволило получить  экономиче­ский эффект 40,5 млн.р/год в ценах 2006 г.

6. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидро­тех­ни­ческих со­ору­жениях на полигоне драги №165 Ксеньев­ского прииска ПО «Забайкал­золото» в 1980 году позволило подго­товить на нача­ло промывоч­ного сезона более 213 тыс. м3 песков, повы­сить сезонную про­из­водитель­ность драги №165 на 38,7 % и получить реальный экономи­ческий эффект 19,8 млн.р./год в ценах 2006 г.

7. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидро­тех­ни­ческих со­ору­жениях на полигоне драги №164 Ксеньевского прииска ПО «Забайкал­золото» в 1981 году позволило получить  экономиче­ский эффект  9,4 млн. р./год в ценах 2006 г.

8. Внедре­ние схемы комбинированной очистки сточных вод на Восточном угольном разрезе ОАО «СУЭК» позволило обеспечить надеж­ную защиту поверхностных водотоков от загрязнения и предотвра­тить экологический ущерб в размере 551887,7 р./год в ценах 2004 г.

9. Отдельные положения диссертации использованы при разработке раздела ОВОС «Оценка воздействия разреза «Харанорский» на окружаю­щую среду и экологическое обоснование хозяйственной деятельности» (Чита, 2000 г.), раздела ООС «Охрана окружающей среды» скорректи­рован­ного проекта разреза «Харанорский» по техническому заданию ОАО «Вос­тсибгипрошахт» (Иркутск-Чита, 2003 г.), раздела ООС «Охрана окру­жаю­щей среды» к «ТЭО рентабельных для отработки открытым способом  запа­сов угля Татауровского месторождения» (Чита, 2003, 2006 г.).

9. Отдельные результаты диссертационной работы изложены в трех учебных  пособиях  и  одной  монографии.

Апробация работы. Основные положения, вошедшие в диссерта­цию, результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении научно-исследова­тель­ских работ, докладывались на: научно-практи­че­ской конфе­ренции главных специалистов горных предприятий За­байка­лья, Амурской области, Хаба­ровского Края и Приморья (Солнечный, 1979 г.), научно-тех­нических советах ПО «Забайкалзолото», «Приморзолото» (1977-1980 гг.), научно-технических конференциях профессорско-препода­ватель­ского со­става сотрудников и студентов ЧитГУ (Чита, 1995-2007 гг.), Всероссий­ской научно-практической конференции «Горы и человек: в поисках путей ус­тойчивого развития» (Барнаул, 1996 г.), Международной научно-прак­тиче­ской конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проб­лемы очи­стки и использования» (Пенза, 1996 г.), Международ­ной конференции «За­байкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 1997, 2001, 2002 гг.), II-ой Всероссийской научно-практической кон­ференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1997 г.), научно-технической конференции «Проблемы развития минеральной базы Сибири» (Иркутск, 1998 г.), регио­нальной научно-технической конференции (Крас­ноярск, 1998 г.), Междуна­родном симпозиуме «Геокриологические про­блемы строительства в Вос­точных районах России и Северного Китая» (Чита-Якутск, 1998 г.), Между­народной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999 г.), Международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999 г.), Международном совещании «Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов» (Хаба­ровск, 2000 г.), Научном симпозиуме «Неделя гор­няка» (Москва, 2004 - 2008 гг.), юбилейных Шороховских чтениях (Москва, 2006 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, 2006 г.), расширенных заседаниях кафедры ОГР ЧитГУ и кафедры ОГР ИрГТУ (2006-2007 гг.).

Публикации. Основные положения по теме диссертации опублико­ваны в 52 печатных рабо­тах – отдельных разделах монографии, трех учебных посо­биях, 12 статьях, аннотированных ВАК, а также в авторском свидетельстве СССР и пяти патентах Российской Федерации на изобрете­ние.

Объем и структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 212 наименований и включает 272 страницы текста, 55 таблиц, 57 рисунков, 12 прило­же­ний.

Введение содержит обоснование актуальности работы, основные за­щи­щаемые научные положения диссертации и ее практическую значимость.

В  первой  главе  приведен  краткий  обзор  современного  состояния

сырьевых ресурсов золота России, раскрыты перспективы развития и освое­ния минерально-сырьевой базы золота, вы­полнен критический анализ ре­зуль­татов научных иссле­дований по про­блемам обо­ротного водоснабже­ния и подготовки горных пород к выемке на дражных и гидромеха­ни­зирован­ных разра­ботках россыпных месторожде­ний золота, приведена горно-геологическая, природно-клима­ти­ческая характеристика россыпей Забайка­лья, дана критическая оценка и обзор современного состояния горных работ на объектах открытой разра­ботки россыпей (драги, промприборы), опреде­лены цель и задачи научных исследова­ний.

Во второй главе на основании проведенного корре­ляционного анализа выявлены статистические кумуляты гранулометриче­ского состава рыхлых отложений и обоснована классификация россыпей Забайкалья, выполненная с учетом неоднородности горных пород, представлены теоретические основы управления теплообменом при оттаивании мерзлых горных пород, приведены резуль­таты лабораторных исследова­ний и теоретических разработок по ускоре­нию оттаи­вания мерзлых горных пород за счет аккумулирования сол­неч­ной энергии в соляном солнечном бассейне, рассмот­рены пер­спективы приме­нения гидроиглового спо­соба оттаивания мерз­лых пород в комбинации с тепловыми ваннами, основан­ного на макси­мальном исполь­зовании солнеч­ной энер­гии, аккуму­лирован­ной водой, путем обеспечения естественного поступления подогретой воды к мерзлому массиву по скважи­нам и оттока охлажденной – по водозабор­ным патрубкам, без применения насосов, а только за счет гравитационных сил.

В третьей главе обос­нована целесообразность применения взры­во­гидравлического фильтрацион­но-дренаж­ного от­таи­вания мерз­лых горных пород в слож­ных горно-геоло­гических условиях, приведены результаты  теоретических и лабора­тор­ных иссле­дований, выяв­лены закономерно­сти изменения глубины оттаивания от параметров ВГФДО. Изложены ре­зультаты промышлен­ной апробации взрыво­гид­рав­лического в комбинации с фильтраци­онно-дре­нажным оттаива­нием. Разработана ме­то­ди­ка определе­ния ско­ро­сти и оптимальных парамет­ров фильтраци­онно-дре­нажного от­таи­ва­ния с меха­ническим рыхле­нием по­род, а также гидроразрывом пласта. Представлены, результаты исследова­ний из­ме­не­ния глубины от­таивания мерз­лых горных по­род во времени в зави­си­мости от применяемых способов оттаивания, полученные методом электро­аналогий.

В четвертой главе дан критический анализ известных способов создания противофильтрационных завес в плотинах и дамбах, выполнены аналитиче­ские исследования создания и применения противофильт­рацион­ных завес и эк­ранов на основе химического кольма­ти­рования горных пород и исполь­зова­ния геотекстиль­ных материалов, приве­дены результаты физи­ческого моделирова­ния на модели пло­тины. Выявлены закономерности повы­шения эф­фекта химической кольма­тации в зависимо­сти от способа обра­ботки горных по­род и применяемых химических реагентов. Изложены резуль­таты внедре­ния спо­соба создания противо­фильт­рацион­ных завес в плоти­нах на полиго­нах драги №161, 165, 166.

В пятой главе рассмотрены вопросы оборотного водо­снабжения и управле­ния водопритоками в горные выра­ботки на драгах и ГМР. Иссле­дованы физико-технические свой­ства геотек­стиль­ных материалов и пред­ставлены результаты теоретиче­ских и лабора­тор­ных исследований по ис­поль­зова­нию их в комбинации с цеолитами для доочистки воды от за­гряз­няю­щих веществ. Изложены результаты промышленной апробации техно­ло­ги­ческого способа доочистки сточных и оборотных вод. Выполнен срав­ни­тельный анализ результатов лабораторных, аналити­ческих исследований и результа­тов промышленной апробации.

В шестой главе представлены результаты промышленной апроба­ции и внедрения в производство комбинированного способа очистки сточ­ных вод и создания противофильтрационной защиты ГТС на месторожде­ниях со сложными гидрогеологическими условиями, выполнен рас­четный эко­лого-экономический эф­фект от реализации пред­лагаемых меро­приятий при водоподготовке на дражных и гидромеханизированных разра­бот­ках рос­сып­ных месторожде­ний, а также угольных разрезах Забайкалья, выполнен расчет эко­но­ми­ческого эффекта от реализации мероприя­тий по подго­товке горных пород к выемке (оттаивание и предохранение от промерза­ния).

В заключении обобщены основные результаты исследований, по­лученные в диссертационной работе в соответствии с поставленными за­дачами. Даны рекомендации по совершенствованию и внедрению в произ­водство на дражных и гидромеханизированных разработках россыпей эффективных способов водоподготовки – очистки и доочистки сточных и оборот­ных вод, перспективных способов подготовки горных пород к выемке – оттаивания мерзлых пород и предохранения талых пород от сезонного промерзания, основанных на использовании наиболее дешевой солнечной энергии и целесооб­разном создании комбинированных проти­вофильтрационных экранов и завес в плоти­нах и дамбах.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту про­фессору, доктору технических наук А.В. Рашкину, научному консуль­танту про­фессору, доктору технических наук Ю.М.Овешникову, а также коллективу кафедры откры­тых горных работ ЧитГУ и профессорам, докторам технических наук Е.Т. Воронову, В.М. Герасимову, К.И. Карасеву, Е.И. Комарову, М.В. Костромину, В.П. Мя­зи­ну, Г.В. Секисову за конструк­тивные предложения и поддержку при проведении теоретических, экспе­риментальных и лаборатор­ных исследова­ний, их практической реализации и внедрении в про­изводство.

Разработка ряда практических рекомендаций, проведение экспе­ри­мен­тальных исследований в натурных условиях, промышленные испы­тания и внедрение были бы невозможны без помощи и поддержки спе­циалистов и руководителей ряда организаций и предприятий – В.И.Бор­дады­мова, В.А.Доро­феева, Ю.П.Киселя, С.А.Малихова, В.В.Минина, Ю.И. Носы­рева, кото­рым автор выражает свою признательность.

Основное содержание работы

Тео­ретические основы открытой разработки место­рождений полез­ных ископае­мых заложены в трудах выдающихся ученых Ю.И. Анист­ра­то­ва, А.И. Арсен­тьева, Ю.П. Астафьева, Н.А. Кулешова, Н.В. Мельникова, М.Г. Новожилова, В.В. Ржев­ского, Б.А. Симкина, К.Н. Трубец­кого, В.П. Федорко, В.В. Хронина, В.С. Хохря­кова, М.И. Щадова, Е.Ф. Шешко, Б.П. Юматова.

Фундамен­тальный вклад в теорию и практику дражных разработок внесли Е.Н. Барбот де Марни, Л.Е. Зубрилов, В.И. Зуев, В.А. Кудряшов, В.Г. Лешков, А.П. Сви­ридов, С.М. Шорохов, и др.

Крупные проблемы дражных и гидромеханизированных разработок, решены в трудах В.Г. Ав­лова, В.К. Багазеева, Э.И. Богуславского, Ю.В. Боку­нова, Ю.М. Ве­дяева, В.М. Волко­вой, Г.З. Ворончихина, Э.Н. Га­нина, В.Г. Гольдт­мана, В.П. Дробаденко, Ф.В. Дудин­ского, А.А. Егупова, В.И. Емелья­но­ва, Е.Т. Жу­ченко, Е.Е. Жученко, В.В. Знаменского, Г.В. Зубченко, М.В. Ко­ст­ромина, Е.И. Комарова, Е.В. Куд­ря­шова, В.И. Лега, В.Р. Личаева, В.С. Литвинцева, Ю.А. Ма­маева, А.А. Мат­веева, В.М. Морехо­дова, В.П. Мязина, Г.П. Никонова, Г.З. Перль­штейна, С.В. Потем­ки­на, А.И. Прий­мака, В.Г. Пята­кова, А.В. Рашкина, А.А. Рожновского, В.В. Сборовского, Г.В. Секисова, П.Ф. Стафеева, Г.А. Су­лина, Б.Л. Тальга­ме­ра, В.Ф. Хныкина, В.В. Чемезова, С.Д. Чистопольского, И.М. Ялтанец и др.

Решению вопросов охраны окружающей среды, оборотного водоснаб­жения, очистки сточных и оборотных вод, разработке малоотходных, энер­го- и ресурсосберегающих техноло­гий открытых горных работ посвящены научные труды А.Г.Бан­ни­кова, С.В.Белова, Г.П.Беспамятнова, С.А.Бры­лова, А.И.Ворон­цова, В.М.Ге­ра­симова, С.С.Душкина, В.А.Жужи­кова, М.Г. Журба, Б.А. Иванова, А.М. Ко­гановского, Л.А. Куль­ского, А.М. Курга­нова, М.И. Льво­вича, А.Н. Мах­нева, Г.Г. Мирзаева, В.В. Назарова, Ю.М. Овешни­кова, З.А. Ор­ловского, Э.В. Пара­хон­ского, Г.А. Роева, И.К. Ско­беева, В.Е. Тер­новцева, А.М. Тихо­нцова, В.И. Хрущева и др.

Свыше 50 % золота в России добывается из россыпных месторожде­ний в основном дражным и гид­ромеханизированным способами.

Дражный способ имеет лучшие технико-экономические показатели – высокие по­казатели работы драг достигаются за счет полной механизации ос­новных производственных процессов (выемка горной массы и пес­ков, обогащение песков, отвалообразование). Драгами перерабатывают­ся де­сятки миллио­нов кубометров горной мас­сы по более низкой се­бестоимости, чем при других способах разра­ботки.

Эффективность работы дражного флота, горных машин и оборудова­ния при разработке россыпных месторождений в значительной мере зави­сит от степени подготовленности горных пород к выемке и их физико-механических свойств. Например, све­дения о грану­ло­мет­ри­че­ском составе рыхлых отложений ис­пользу­ются при выборе горного обору­до­ва­ния, спо­соба оттаи­вания мерзлых пород и технологии создания противофильт­раци­онной за­щиты гидротех­нических сооруже­ний при предохранении по­род от про­мер­зания затопле­нием, а также в расчетах процессов отвало­обра­зо­ва­ния, подго­товки, добычи и промывки песков. Результаты исследований показы­вают, что горные породы, слагаю­щие рыхлые отложения россыпных место­ро­ж­дений Забайкалья характери­зуются высокой льдистостью (от 180 до 450 кг/м3), влаж­ностью (от 20 до 40 %), пористо­стью (от 25 до 43 %), валуни­сто­стью и неоднородно­стью (табл. 1).

Значения коэффициентов неоднородности рыхлых отложений рос­сыпных место­рождений Забайкалья (исследовано более 100 участков) ко­леб­лются от нескольких единиц до нескольких сотен. Высокая неоднород­ность россыпей по гранулометриче­скому соста­ву обуславливает значитель­ные колебания водо­про­ницаемо­сти пород, а из-за высокой нарушенности  рыхлых отложений старыми горными выработками коэффициенты фильт­рации могут достигать очень больших значе­ний – свы­ше 100 м/сут.

Таблица 1

Физико-механические свойства рыхлых отложений

россыпных месторождений Забайкалья

Название

россыпи

Коэффициент разрыхления

Плотность

пород, т/м3

Коэффициент фильтрации, м/сут

Валунистость,

%

Апрелково

Акулиновка

Волокатуй

Оськина

Кулинда

Далаиха

Куприха

Горохон

Умудуиха

1,2

1,3

1,3

1,2

1,1

1,2

1,1

1,3

1,7

2,0

1,9

2,1

2,1

1,8

1,7

1,5-2,2

1,6-2,1

1,7

1,0-5,0

2,0-10,0

5,0-20,0

5,0-30,0

12,0-50,0

15,0-40,0

15,0-55,0

20,0-70,0

70,0

0,2 - 0,5

10,0

3,0

2,0

4,0

10,0

10,0

5,4

2,0

Отсутствие данных о водопроницаемости пород приводит к необос­но­ванным проектным решениям, в частности, по гидротехническим со­ору­жениям, оборотному водоснабжению, оттаиванию мерзлых пород, пре­до­хранению от промерзания затоплением и предельно-допустимым сбро­сам загрязняющих веществ. Из-за недостатка исходных данных при проекти­ро­вании коэф­фици­енты фильтра­ции рыхлых отложений чаще всего опреде­ляют прибли­женно и усреднено на всем протяжении россыпи по таблицам, в зависимо­сти от лито­логичес­кого со­става горных пород, а это приводит к ошибкам. Более точные результаты получают при использова­нии известных формул Газена, Слихтера, Зауэр­брея и Крю­гера (табл. 2).

Таблица 2

Расчетные коэффициенты фильтрации и неоднородности

рыхлых отложений россыпей Забайкалья

Название

россыпи

Коэффициент

неоднородно­сти,

Кн = d60/d10

Диаметр

шестиде­сяти, мм

d60

Эффектив­ный диаметр, мм

d10

Расчетный коэффициент

фильтрации, м/сут

по  Слихтеру

по Крюгеру

min 

max 

min

max

Апрелково

Оськина

Кулинда

Горохон

Умудуиха

Далаиха

Волокатуй

Куприха

Акулиновка

3,5

4,5

8,7

13,0

18,7

29,2

50,0

70,0

75,0

0,7

2,7

7,0

13,0

15,0

17,5

20,0

70,0

15,0

0,2

0,6

0,8

1,0

0,8

0,6

0,4

1,0

0,2

0,24

2,12

3,77

5,88

3,77

2,12

0,94

5,88

0,24

0,38

3,40

6,05

9,45

6,05

3,40

1,51

9,45

0,38

0,05

0,52

0,73

1,14

0,73

0,52

0,48

1,14

0,05

0,06

0,63

0,94

1,47

0,94

0,63

0,60

1,47

0,06

Однако эти формулы можно применять для расчета водо­про­ницаемо­сти только одно­родных и мелких песков при весьма низких значениях коэффициентов неодно­родности рыхлых отложений Кн < 5.

Вследствие этого значе­ния коэффициен­тов фильтрации гор­ных по­род, принимаемые для расчетов в рабочих проектах, значительно отлича­ют­ся от истинных значений (см. табл. 1,2). Напри­мер, коэффициенты фильт­ра­ции рыхлых от­ложе­ний некоторых россыпных месторождений За­байкалья по фактическим притокам фильтрационной воды в скважину изменяют­ся от 1 до 70 м/сут и выше (см. табл.1), а в рабочих проектах их значения по формулам Слихтера и Крю­гера – от 0,05 до 9,45 м/сут (см. табл. 2).

Анализ показывает, что в рабочих проектах рас­четные значения коэф­фициентов фильтра­ции занижены в десятки раз по срав­нению с фак­тиче­ски­ми, опытными и данными отчетов геолого­разведочных работ, т.к. опре­де­лены без учета неодно­род­ности и крупности частиц горных пород.

Корреляционный анализ гранулометрического со­става позволил вы­явить три группы россыпей, для каждой из которых уста­новлены корре­ля­ционные связи, статистические нелинейные кумуляты и уравнения грану­лометриче­ского состава рыхлых отложений (рис. 1, табл. 3).

Данная классификация, представленная с учетом неоднородности рых­лых отло­жений россыпей, весьма успешно согласуется с классифика­цией Плотникова, основанной на водопрони­цаемости пород и известной классифика­цией Учителя по степени промы­вистости горных по­род.

Рис. 1. Статистические кумуляты гранулометрического состава

рыхлых отложений россыпных месторождений  Забайкалья:

1 - однородные; 2 – неоднородные; 3 – весьма неоднородные

Таблица 3

Коэффициенты функций парной  корреляции

гранулометрического состава россыпей Забайкалья

Группа россыпей,

формула грансостава

Коэффициент корреляции

Погрешность

аппроксимации

Коэффициенты

регрессии

А

В

С

1 – относительно однородные,

Кн = < 5, (d60 < 1мм, d10 ≤ 0,2 мм),

V =  A + B / d + C / d 2

0,996

2,562

98,20

-81,00

-7,22

2 – неоднородные, 5 ≤ Кн ≤ 30,

(1 ≤ d60≤ 30 мм, 0,2 ≤ d10 ≤ 1 мм),

V = d / (A + Bd + C / d 2)

0,959

7,494

0,05

0,01

0,01

3 – весьма неоднородные,

Кн >30, (d60>30 мм, d10 < 1 мм),

V = A + Blg(d) + C[lg(d)]2

0,993

3,361

10,20

0,60

15,20

Так, например, третью группу россыпей (см. рис.1) – весьма неоднородные, можно отнести к 1 категории по ЕНВ, горные породы которой име­ют отличную степень промывистости, т.к. состоят из несвязных и слабосвязных галечно-песчаных грунтов с небольшим содержанием эфелей и глины. Вторая группа – неоднородные по гранулометрическому составу рыхлых отложений россыпи, соответствует второй категории по ЕНВ со средней промывистостью пород, сложенных связанными песчано-га­леч­никовыми породами, сцементированными глиной средней вязкости. Первая группа – относительно однородные по грансоставу россыпи, представляет третью категорию по ЕНВ с трудной и весьма трудной степенью промывистости пород, включающую вязкие, трудно-поддающиеся предварительному размачиванию глины, обладающие высокой степенью пластич­ности. Таким образом, на стадии выполнения рабо­чих проектов и пред­проект­ных работ предлагаемая клас­си­фикация россыпных место­рождений (см. табл.3) по­зволяет производить кор­рек­тировку глубины оттаи­вания мерз­лых пород, более точно опреде­лять степень промывисто­сти пес­ков, механическую проч­ность и водо­проницаемо­сть рыхлых отложений. При этом коэффициенты фильтрации горных пород россыпных месторожде­ний, участков или отдельно взятых блоков с учетом неоднородности рыхлых отложе­ний определяются по формулам:

    (1)

  (2)

где Кф – коэффициент фильтрации горных пород, м/сут; М – коэффициент, зависящий  от  пористости  горных пород; d10 – эффективный диаметр рых­-

лых отложений, мм; n – пористость рыхлых отложений, %; К – коэффициент, учитывающий неоднородность рыхлых отложений: для первой группы (россыпь Апрелково) – относительно од­но­родные (см. табл. 3), коэффициент К=1, для второй группы (россыпь Горохон) – неод­нородные, К=8-16, для третьей группы (россыпь Акулиновка)–весьма неод­но­родные К=16-32.

Минимальные значения коэффициента (К) в расчетах принимаются  при исполь­зовании формулы (1), а мак­сималь­ные – формулы (2). Например, россыпи Апрелково и Акулиновка (см. табл. 1) имеют оди­наковый эффективный диаметр d10 = 0,2 мм и, поэтому при равном коэффициенте пористости расчет­ный коэффициент фильтрации горных пород будет одина­ковый от 0,24 до 0,38 м/сут по Слих­теру и – от 0,05 до 0,06 м/сут по Крюгеру. Статистические кумуляты позволяют скорректировать коэффици­ент фильтрации рыхлых отложений россыпи Акулиновка до значений 6,1 м/сут по Слихтеру и 1,92 м/сут по Крюгеру.

Получен­ные результаты аналитических исследований подтвер­жда­ют­ся данными отчетов геолого­разведочных работ и согла­суются с ис­тин­ными значениями коэффициентов фильтрации, определенными путем кон­троль­ной откачки воды из скважин (см. табл. 2). Ошиб­ка нахо­дится в преде­лах 4…7 %. Таким образом, обосновано первое научное положение:

На основе выявленных статистических кумулят и ап­прок­сими­рую­щих формул грану­ло­мет­рического соста­ва рых­лых от­ло­жений рос­сып­ные месторождения сгруппированы по пока­зателям неодно­родно­сти, что позволяет повысить точ­ность расчетов коэф­фи­циентов фильт­рации горных пород, на­дежность выбора способа от­таивания мерз­лых пород и создания противофильтрационной защиты  гидротех­нических сооруже­ний при пре­дохранении по­род от промерза­ния затоплением.

На территории Забайкалья и Приамурья в связи с отрицательными среднегодовыми температурами воздуха и незначительным снежным покровом повсеместно распространены сезонно- и многолетнемерзлые породы. При этом в северных и восточных районах Читинской области мощность сезонно-мерзлых пород достигает 4…5 м. В мерзлом состоянии горные породы обладают высокой прочностью. Энергоемкость разрушения мерзлых горных пород при понижении их температуры всего лишь до минус 1 oC увеличивается в десятки раз. Поэтому при разработке золотоносных россыпных месторождений, существенно возрастает значение работ по оттаиванию мерзлых горных пород.

Оттаивание мерзлых пород позволяет значительно повысить производительность горного оборудования, снизить эксплуатационные потери металла, а также создать более благоприятные условия для эффективной работы драг, промприборов и бульдозеров.

Практика ведения горных работ, а также теоретические исследования, проведенные нами методом электроаналогий показывают, что все применяемые интенсивные способы оттаивания мерзлых золотоносных россыпей характеризуются, как правило, высокой себестоимостью и энергоёмкостью, и это ограничивает их применение, а естественный солнечно-радиационный способ имеет низкий коэффициент использования солнечной энергии и длительный период оттаивания мерзлых пород. Например, за летний сезон глубина оттаивания мерзлых пород естественным солнечно-радиационным способом в северо-восточных районах Забайкалья не превышает 2,2 м. Сопоставление результатов, полученных методом электроаналогий с аналитическими решениями показывает, что электромоделирование занижает глубину оттаивания на 4,5 %.

Одним из путей повышения эффективности естественного солнечно-радиационного оттаивания является использование тепловых ванн. Иссле­до­ваниями закономерностей оттаивания мерзлых пород с применением технологии тепловых ванн занимались В.Г.Гольдтман, А.И.Приймак, И.М. Папернов. Однако идеи тепловых ванн не нашли широкого практического применения из-за значительных потерь тепловой энергии в результате испарения воды с их поверхности и диффузии в слоях, так как нагретые за счет солнечной радиации слои воды имея меньшую плотность поднимаются к поверхности, а нижний слой воды на контакте с мерзлыми породами имеет наибольшую плотность и незначительную температуру лишь + 4 оС.

Способ оттаивания мерзлых пород, основанный на использовании соляного солнечного бассейна (ССБ) позволяет снизить до минимума этот недостаток тепловых ванн и повысить коэффициент полезного действия солнечной энер­гии до 0,70-0,75. Созданию тепловых водонагревате­лей на ос­нове ССБ посвящены труды В.Н.Елисеева, Ю.У. Усманова, Г.Я. Умарова.

Прин­цип работы ССБ (повышение температуры в придон­ном слое водного раствора соли) основан на аккумулировании тепловой солнеч­ной энергии слоями водных растворов солей NaCl или CaCl2 или техниче­ской соли магния 6Н2О.МgCl2 (бишофит) благодаря созданию в соляном солнеч­ном бассейне вертикаль­ного градиента плотности.

Тепловые ванны, создан­ные на дневной поверхности или в траншеях с активацией теплообмена в придонном слое соляного солнечного бассейна (ССБ), имею­щего зачерненное дно, являются мощными аккумуляторами солнечной энергии при условии предотвращения испарения воды с их поверхности.

Для создания градиента плотности оттаиваемый участок, предвари­тельно покрытый слоем черной полиэтиленовой пленкой, зали­вают слоями водных растворов соли (более двух слоев) со ступенчатым понижением её концентрации от нижних слоёв к верхним. Концентрация раствора в каж­дом слое постоянна. В нижнем слое водного раствора соз­дают максималь­ную концентрацию реагента, а в каждом вышерас­поло­жен­ном – повышают на одну ступень. Верхний слой ССБ заполняется чистой водой с нулевой концентрацией реагента.

В процессе преобразования солнечной энергии в тепловую к.п.д. ССБ значительно снижается за счет процесса испарения воды с поверхности водоема. При этом потери энергии значительно выше общих потерь энергии, теряемых водоемом за счет теплообмена с окружающей средой.

Для уменьшения тепловых потерь на испарение, которые происходят за счет конвективного теплообмена поверхностного слоя с окружающей атмосферой, на водную поверхность ССБ наносят тонкий молекулярный слой технического масла. Снижение энергоемких затрат энергии на конвективный перенос и испарение дает возможность значительно повысить температуру массива мерзлых горных пород, увеличить скорость оттаивания и в целом усилить теплотехнический эффект ССБ в 1,5…2 раза. Для предотвращения возникновения диффузии – перемешивания водных растворов с различной концентрацией технической соли магния 6Н2О.МgCl2,– которая возникает в результате разности температуры растворов в слоях на различной глубине ССБ, между слоями водных растворов технической соли магния размещают слои перфорированной полиэтиленовой пленки толщиной 0,8 – 1,0 мм, селективно прозрачной для коротковолнового и длинноволнового излучений.

Для снижения тепловых потерь за счет диффузии в отдельно взятом  слое и на контакте между слоями толщина одного слоя принимается минимально возможной (0,05…0,10 м).

Для повышения кондуктивного теплообмена на контакте нижнего нагретого слоя с мерзлыми породами, а также для снижения тепловых затрат на нагревание всего объема ССБ суммарная мощность (толщина) всех слоев ССБ не должна превышать 0,5…1,0 м. Поэтому в зависимости от величины ступени изменения концентрации растворов в слоях общее количество их может изменяться от 5 до 10.

Техническим результатом технологии ССБ является повышение скорости оттаивания мерзлых горных пород, которое происходит за счет повышения температуры придонного слоя ССБ до 60 0С и передачи накопленного тепла путем теплопроводности мерзлому массиву. Эффективность работы ССБ оценивается по сумме тепловых потоков в массив горных пород.

Селективно прозрачные для коротковолнового и длинноволнового излучений водные растворы технической соли магния 6Н2О.МgCl2 (бишофит) практически полностью пропускают поглощаемую поверхностью оттаиваемых горных пород коротковолновую солнечную радиацию и вместе с тем задерживают длинноволновое излучение от поверхности оттаиваемых горных пород. Эти соли легкорастворимые, они позволяют при низких температурах окружающей среды создавать водные растворы высокой концентрации (до 20 %), поэтому являются наиболее приемлемыми для проведения исследований и создания ССБ по сравнению с менее растворимыми солями хлористого натрия NaCl или хлористого кальция CaCl2.

       На кафедре открытых горных работ Читинского государственного университета для изучения и исследования теплового режима создана модель соляного солнечного бассейна с зачерненным дном (рис.2).

Рис. 2. Модель соляного солнечного бассейна:

1 – слой воды; 2 – светильник; 3 – полиэтиленовая пленка или тонкие пластины оргстекла; 4 – воронки для подачи водных растворов технической соли магния 6Н2О.МgCl2 с различной концентрацией; 5 – вентиль; 6 – пленка специального масла; 7 – термометры; 8 – теплоизолятор (пенопласт толщиной 0,08 м); 9 – емкость ССБ; 10 – зачерненное дно

Модель ССБ представляет собой емкость, выполненную из органи­че­ского стекла высотой 0,3 м, длиной 0,5 м, шириной 0,3 м, заполненную пятью слоями водного раствора технической соли магния 6Н2О.МgCl2 различной концентрации, но одинаковой толщины равной 0,05 м. Верхний слой модели заполнялся чистой водой. Общая глубина ССБ составляет 0,25 м.

Концентрация водного раствора технической соли магния 6Н2О.МgCl2 в каждом слое сохранялась постоянной.

Придонный слой ССБ заполняли раствором бишофита 20 % концентрации. В вышерасположенных слоях концентрация раствора бишофита изменялась ступенчато с шагом 5 %.

Слои водных растворов технической соли магния 6Н2О.МgCl2 с различной концентрацией разделяли в одних опытах полиэтиленовыми пленками, в других – тонким оргстеклом размером 0,3 х 0,5 м.

В опытах были использованы светильники с люминесцентными лампами типа ЛБУ-30 (4 шт.), лампой накаливания мощностью 250 Вт, и ксеноновой короткодуговой – типа ДКсТВ-6000 , которые включались в работу периодически. Люминесцентные лампы и лампа накаливания находились в работе по 12 часов (нагрев модели), после чего их выключали и через 6 часов (остывание модели) вновь цикл работы ламп повторяли.

Ксеноновая короткодуговая лампа ДКсТВ-6000 обеспечивает спектр излучения близкий к солнечному и высокую температуру при радиационном нагреве. Поэтому период работы лампы был сокращен в 6 раз.

Цикл работы в опытах с использованием ксеноновой короткодуговой лампы составлял 3 часа: 2 часа лампа была включена (нагрев модели) и 1 час – выключена (остывание модели). В процессе опытов измерялась температура воды и раствора в каждом слое, а также температура воздуха. Температура окружающего воздуха изменялась от 22,4 до 24,7 0С. Температура по глубине ССБ изменялась плавно и равномерно с постепенным увеличением ее в нижележащих слоях. Самую высокую температуру в процессе нагревания ССБ приобретает нижний придонный слой раствора, т.к. лучистая энергия поглощается зачерненным дном и передается в жидкость нижнему слою. Самая низкая температура наблюдается в верхнем слое с чистой водой. Понижение температуры воды в нем происходит за счет интенсивного теплообмена с окружающим атмосферным воздухом.

Температура раствора в нижнем слое ССБ за 12 часов работы светиль­ника с люминесцентными лампами ЛБУ-30 увеличилась на 10 0С. Температура воды верхнего слоя при этом возросла лишь на 3-4 0С  (рис. 3). 

 

Рис. 3. Изменение температуры придонного слоя ССБ и атмосферного воздуха:

1, 2, 3 – температура придонного слоя при нагрева­нии ССБ соответ­ственно ксеноновой короткодуговой лампой ДКсТВ-6000; лампой накаливания мощностью 250 Вт; светильни­ком с люминесцентными лампами ЛБУ-30; 4 – температура атмосферного воздуха

Температура раствора в нижнем слое ССБ за 12 часов работы светильника с лампой накаливания возросла в среднем на 14 0С (см. рис. 3). При этом температура воды в верхнем слое возросла на 10-11 0С, что свидетельствует о снижении эффекта соляного солнечного бассейна при использовании лам­пы накаливания.

После включения ксеноновой короткодуговой лампы ДКсТВ-6000 температура придонного слоя водного раствора технической соли магния 6Н2О.МgCl2 через 12 часов нагревания повысилась на 38…40 0С. При этом абсолютное значение температуры в придонном слое ССБ достигло 50…60 0С (см. рис. 3).

Температура воды в верхнем слое модели возросла в среднем на 10-12 0С. Причем при выключенной лампе температура придонного слоя за один час остывания модели снижается незначительно на 2-3 0С, а температура верхнего слоя понижается в три раза быстрее на 6-8 0С.

Корреляционный анализ выполненных исследований позволил уста­новить корре­ля­ционные связи и подобрать функцию изменения темпера­туры придонного слоя ССБ в зависимости от времени нагревания и вида приме­няемого источника излучения тепловой энергии (см. рис. 3, табл. 4).

Таблица 4

Коэффициенты функций парной корреляции темпера­туры

придонного слоя соляного солнечного бассейна

Вид применяемого источника

тепловой энергии,

регрессионная зависимость

Коэффициент

корреляции

Погрешность

аппроксимации

Коэффициенты

Регрессии

А

В

Ксеноновая лампа

Лампа накаливания

Люминисцентная лампа

t = А + В . lg()

0,96

0,93

0,91

± 2,96

± 1,35

± 1,11

23,63

21,29

22,40

13,21

4,68

3,09

Данная регрессионная зависимость имеет высокую степень надежности (аппроксимации): коэффициенты корреляции  более 0,91, а стандартные отклонения – доверительные границы (по Стьюденту с вероятностью Р = 0,95) не превышают ±3.

Результаты проведенных опытов подтверждают возможность и высокую эффективность применения соляного солнечного бассейна как аккумулятора тепловой энергии, которая может быть использована  для оттаивания мерзлых пород при разработке золотоносных россыпных месторождений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждена признанием приоритета работ патентом Российской Федерации №2276236.

Анализ методов решения задач оттаивания-промерзания горных пород показывает, что для оценки способов оттаивания с применением ССБ приемлемы аналитические решения задачи Стефана на основе приближенных методов, а также численные решения с использованием конечно-раз­ностных методов и методы математического моделирования.

Скорость оттаивания мерзлых пород (, м/сут) при использовании соляного солнечного бассейна (ССБ) в основном зависит от температуры при­донного слоя раствора, воздуха, горных пород, времени оттаивания мерз­лых пород и определяется из уравнения теплового баланса

    (3)

где – коэффициент, учитывающий замедление скорости сезонного оттаивания пород из-за оттока тепла в мерзлый грунт, изменяется от 0,6 до 1,0; Т – коэффициент теплопроводности талых пород, Вт /(м . оС); tп – температура придонного слоя ССБ, оС; – период оттаивания, сут; К – коэффициент, учитывающий неоднородность рыхлых отложений; Qф – теплота фазового перехода, Дж/м3

(4)

где G – льдистость горных пород, кг/м3.

       Аналитические расчеты показали, что при температуре придонного слоя 50…60 оС  скорость оттаивания мерзлых пород достигает 5…15 м/год.

       Для повышения эффективности солнечно-радиационного оттаивания нами разработан и предложен способ гидравлического оттаивания мерзлых пород в комбинации с тепловыми ваннами (рис. 4).

Рис. 4. Способ гидравлического оттаивания мерзлых горных пород в сочетании

с тепловыми ваннами:

1 – подогретая за счет солнечной энергии вода (тепловая ванна); 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

В предлагаемом способе, также как и в фильтрационно-игловом, используется принцип противотока движения теплоносителя и охлажденной воды. На оттаиваемом участке предусматривается удаление почвенно-рас­тительного слоя, планировка поверхности, бурение скважин (3) на заданную глубину по сетке, определяемой льдистостью и коэффициентом фильтрации пород (см. рис. 4). Вместе с тем, здесь исключены процессы установки гидроигл и принудительной подачи в них теплоносителя с помощью насосов. Подача теплоносителя к мерзлым породам происходит за счет сил гравитации непосредственно по скважине, а охлажденная вода удаляется из скважины по водозаборному патрубку за счет перепада уровня воды.

На оттаиваемом участке возводят водоподпорную дамбу (2), монтиру­ют водосбросный патрубок (5), магистральный трубопровод (6), заливают участок слоем воды – создают тепловую ванну (1) и отводят воду из скважин за пределы участка с помощью установленных в них водозаборных патрубков (7), соединенных с магистральным трубопроводом (см. рис. 4).

Особенность данного способа оттаивания заключается в том, что водозаборные патрубки и водосбросная труба обеспечивают не только естественное удаление охлажденной воды из забоя скважин, но также создают приток в скважины нагретой за счет солнечной энергии воды, поступающей  из тепловой ванны. При этом достигается высокая скорость оттаивания за счет более полного использования солнечной энергии путем аккумулирования ее в воде и передачи мерзлым породам.

Перенос солнечного тепла мерзлому массиву происходит в результате кондуктивно-конвективного теплообмена между теплоносителем (подогретой за счет солнечной энергии водой) и мерзлыми породами путем создания

непрерывного естественного движения теплоносителя по скважинам.

Источником тепла предлагаемого способа оттаивания мерзлых пород служит вода рек и водоемов, подогретая за счет солнечной радиации и тепла атмосферного воздуха в течение всего периода положительных среднесуточных температур воздуха. При увеличении коэффициента фильтрации, повышении теплопроводности и уменьшении льдистости горных пород, а также при повышении температуры и удельного расхода, подаваемой в скважины воды, скорость оттаивания мерзлых пород возрастает многократно.

Предлагаемый способ оттаивания мерзлых пород осуществляется следующим образом (см. рис.4). 

С помощью бульдозера удаляют почвенно-растительный слой и планируют поверхность. С помощью буровых станков в мерзлом массиве горных пород бурят ряды скважин для подачи подогретой воды к мерзлому массиву.

Скважины располагаются в шахматном порядке (рис. 5). Расстояние между скважинами в ряду (а) принимается равным от 2 до 7 м, в зависимости от водопроницаемости и неоднородности горных пород и времени, необходимого для оттаивания участка. Расстояние между рядами скважин принимается равным (0,85.а).

Рис. 5. Схема обеспечения подачи теплой 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

На поверхности оттаиваемого участка между рядами скважин уклады­вают магистральный трубопровод, один конец которого закрывают заглуш­кой, а на другом конце устанавливают задвижку (вентиль) и водосливной патрубок (см. рис. 5). В скважины устанавливают водозаборные патрубки, которые перфорируют на отрезке длиной 0,5…1,0 м со стороны забоя скважин отверстиями диаметром 0,01…0,02 м и с помощью соединительных муфт присоединяют к магистральному трубопроводу. Устья скважин перекрывают ограждающей металлической сеткой с квадратными ячейками 0,03 х 0,03 м.

С помощью бульдозера сооружают водоподпорную дамбу перпендикулярно водосбросной трубе, таким образом, чтобы вентиль и водосливной патрубок были расположены со стороны сухого откоса дамбы, после чего оттаиваемый участок заливают слоем воды (слой воды может достигать 10 м, в зависимости от высоты водоподпорной дамбы). При этом обеспечивают самотечное движение воды (приток в скважины воды, подогретой за счет солнечной энергии и отток охлажденной воды из забоев скважин), которое происходит за счет сил гравитации – давления, создаваемого перепадом уровней воды на подтопляемом участке и на выходе охлажденной воды из водосливного патрубка. Необходимый расход воды-теплоносителя по магистральному трубопроводу от 0,5 до 2,5 м3/ч, обеспечивающий интенсивное оттаивание мерзлого массива, регулируется с помощью вентиля.

Для повышения эффекта оттаивания в мерзлом массиве горных пород создают камуфлетные полости, фильтрационные каналы и сеть трещин различного рода путем взрывания в скважинах камуфлетных зарядов ВВ или электрогидроразрывом пласта. Камуфлетное взрывание или электрогидроразрыв пласта производят перед установкой водозаборных патрубков. Повышение скорости гидравлического оттаивания мерзлых пород достигается также путем изменения ламинарного потока движения воды в скважинах на турбулентный  путем создания вихревых потоков воды вдоль водозаборных патрубков. Турбулентный поток воды в скважинах создают с помощью металлических пластин, которые приваривают к водозаборным патрубкам под углом 30…450 по направлению движения воды в скважинах.

Затраты энергии на нагревание и оттаивание всего участка мерзлых пород (Qобщ, кДж) составляют

  (5)

где S – площадь участка оттайки, м2; Hот – глубина оттаивания, м; – количество энергии, затрачиваемое на нагревание 1м3 мерзлых пород до температуры талых пород tт , кДж/м3

    (6)

где сп – удельная теплоемкость пород, кДж/(кг.оС); ρп, ρл – соответственно плотность пород и льда, кг/м3; G – льдистость горных пород, кг/м3; tт, tм – соответственно температура талых и мерзлых пород, оC; – количество энергии, необходимое для оттаивания 1м3 мерзлых пород, кДж/м3

  (7)

где сл, св – соответственно удельная теплоемкость льда и воды, кДж/(кг.оС); L – скрытая теплота плавления льда, равная 334 кДж/кг.

       Общее время оттаивания мерзлых пород затопленного участка (, сут) находится в прямопропорциональной зависимости от общих затрат тепла на оттаивание и обратнопропорционально температуре, расходу и боковой теплоотдаче фильтрационного потока подогретой за счет солнечной радиации воды

(8)

где ρв – плотность воды, кг/м3; W – суммарный расход воды, необходимый для оттаивания мерзлого массива, его величина зависит от действующего напора (разности уровней воды в водоеме и на выходе из водосливного патрубка), длины магистральных трубопроводов и водозаборных патрубков, местных сопротивлений и диаметра трубы, м3/ч; Кб – средний коэффициент относительной боковой теплоотдачи воды фильтрационного потока в талике цилиндрической формы, рассчитывается через критерий теплового подобия Фурье, в приближенных расчетах Кб = 0,4…0,5; tв – температура воды на затопленном участке, оС.

       При заданном расходе воды (Q, м3/с) самотечного магистрального трубопровода  диаметр труб (d, м) можно определить по формуле

    (9)

где  – средняя скорость движения воды в трубопроводе, = 0,7…1,5 м/с.

       Уменьшение диаметра труб приводит к большим потерям действующего напора. Наиболее выгодный диаметр соответствует скорости течения воды равной 1 м/с, т.е. диаметру, определяемому по формуле

    (10)

Отличительной чертой предлагаемого гидравлического способа оттаивания является обеспечение непрерывного естественного (создаваемого силами гравитации) движения воды в скважинах, позволяющее за счет многократно возросшего кондуктивно-конвективного теплообмена обеспечить фазовый переход горных пород из мерзлого состояния в талое.

Результаты сравнительного анализа технико-экономиче­ских показателей известных способов оттаивания показывают, что предлагаемый гидравлический способ оттайки сезонно- и многолетнемерзлых пород, обладая высокой интенсивностью оттаивания (скорость оттаивания мерзлого массива равнозначна скорости фильтрационно-иглового оттаивания), позволяет производить подготовку к выемке мерзлых суглинистых пород с коэффициентом фильтрации менее 50 м/сут в более сжатые сроки и требует минимальных материальных и энергетических затрат на его осуществление. При этом скорость оттаивания мерзлых суглинистых, супесчаных пород увеличивается до 10…20 м/сезон, сроки подготовки дражных полигонов сокращаются в 1,5…2,5 раза по сравнению с фильтрационно-дренаж­ным оттаиванием.

Существенно на 25…40 % уменьшается энергоемкость процесса оттаивания мерзлых горных пород по сравнению с фильтрационно-игло­вым способом. Кроме того за счет исключения затрат на приобретение, эксплуа­тацию, обслуживание насосных станций и потребляемую электроэнергию в 1,5…2 раза снижается себестоимость оттаивания мерзлых пород, в 3…6 раз – трудоемкость работ.

Новизна гидравлического способа оттаивания в сочетании с тепловыми ваннами подтверждены патентом Российской Федерации №2295008.

Таким образом, обосновывается второе научное положение:

Создание на дневной поверхности тепло­вых ванн с активацией теплообмена в придонном слое соляного сол­нечного бас­сейна и обеспечение конвек­тивно-кондуктивной передачи солнечной энергии вглубь мерзлого мас­сива за счет естественного движения теплоноси­теля по скважи­нам повышает эффективность солнечно-радиацион­ного от­таи­вания мерзлых россыпей в два-три раза.

Наиболее простым по исполнению является фильтрационно-дренаж­ный способ оттаивания (ФДО) мерзлых пород с канавным питанием. Од­нако применение данного способа ограничено из-за малой эффективности. Для устране­ния этого недостатка нами предложено его усовершенствование за счет создания под оросительными канавами на глубине 3-4 м фильтра­ционных каналов. При этом выпол­нены теоретические и экс­перименталь­ные исследо­вания.

Этот вариант ФДО в дальнейшем получил название взры­во­гид­рав­ли­че­ского фильтрационно-дре­нажного способа оттаи­вания мерз­лых гор­ных по­род (ВГФДО), представ­ляющего собой комбинацию двух способов (рис. 6) – ФДО в комбинации с известным взрыво­гид­рав­лическим, кото­рый впер­вые был испытан на при­иске Колымы в 1976 году. Способ оттаивания мерзлых горных пород (ВГФДО) предусматри­вает ис­поль­зование комбинированного механизма кондук­тивно-конвектив­ного пе­реноса тепла, аккумулированного в тепло­носителе без применения искус­ственных источников энергии.

При этом в мас­сиве горных пород искусст­венно создаются фильтра­ционные каналы и зоны проницаемости путем камуфлетного взры­вания зарядов ВВ линейного ряда скважин, а на дневной поверхности проходятся  канавы: питающая, оросительные и дренажная.

Рис. 6. Схема взрывогидравлического фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых горных пород:

1 – питающая канава, продольный уклон i = 0,008; 2 – подогретая солнечной энергией вода; 3 – взрывные скважины; 4 – дренажная канава; 5 – оросительные канавы; 6 – заряд ВВ, q = (7-11) кг; 7 – профильтрованная и охлажденная вода; 8 – питающая скважина; 9 – зона фильтрации; 10 – коренные породы; 11 – камуфлетные полости

Часть воды со стороны поверхности к оттаиваемому массиву мерзлых пород поступает по схеме фильтраци­онно-дренажного способа оттаивания – через питающую и оросительные канавы, а другая часть воды подается  непо­средственно вглубь мерзлого массива через скважины и фильтрацион­ные каналы, что позволяет ускорить процесс оттаивания мерзлых горных пород (рис. 7).

  Рис. 7. Схема создания зоны фильтра­ции

в мерзлом массиве горных пород:

а – расстояние между взрывными скважинами в ряду, м; R1 – радиус фильтрационного канала, м; Rк – радиус камуфлетной полости, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м; 1 – взрывные скважины; 2 – камуфлетные полости; 3 – зона проницаемости; 4 – оросительные канавы; 5 – зона фильтрационно-дренажного оттаивания; 6 – зона взрывогидравлического оттаивания; 7 –  водонепроницаемые породы

Расчет параметров ВГФДО проводят по следующей схеме. Расстоя­ние между рядами скважин (b, м) зависит от размеров зоны оттаива­ния вокруг фильтрационного канала (2.R2), определяемой уравне­нием теп­лового баланса

  (11)

где R2 – радиус зоны  взрыво­гидравлического оттаивания, м.

    (12)

где R1 – радиус фильтрационного канала, м; Кф – коэффициент фильтра­ции пород в канале, м/сут; tв – темпе­ратура воды, оС; Св – теплоемкость воды, Дж/(м3.оC); – время оттаивания пород в зоне (R2 – R1), сут; Кисп = (tвх – tвых)/(tвх – tо) – коэффициент тепло­отдачи фильтрационного потока; tвх, tвых – температу­ра воды, соответст­венно на входе и выходе фильтрацион­ного потока, оС; tо – температура фазового перехода, оС; lк – длина фильтрацион­ного канала, м; Qф – теплота фазового перехода, Дж/(м3.оС).

Время оттаива­ния пород (о, сут) в зоне проницаемости вокруг фильт­ра­ционного канала в основ­ном зависит от трещиноватости пород, темпера­туры воды и определя­ется из уравнения теп­лового баланса

(13)

Радиус фильтрационного канала (R1) зависит от параметров камуфлетного взрывания и находится из геометрических соотношений

                                                (14)

где а – расстояние между скважинами в ряду, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м.        

       Для определения размеров зоны проницаемости воспользуемся моделью грунта при камуфлетном взрыве в скважине, предложенной Д.М. Кушнаревым. Принимая границу раздела упругой и пластической зон предельной границей зоны проницаемости, определим (Rп) по формуле, полученной из аналитического решения указанной модели при модуле объемного сжатия – Ксж = 0,1 Е (здесь Е – модуль упругости),

                      (15)

где Rк – радиус камуфлетной полости, м; х = τ / Е; τ – максимальные касательные напряжения.

Радиус камуфлетной полости определяется по формуле

              (16)

где ; вв – начальная плот­ность ВВ (в пересчете на объем 1 пог. м скважины), кг/м3; вв – массовая плотность энергии заряда (для аммонита = 4,187⋅106 Дж/кг); R0 – радиус скважины, м.

Расчеты показывают, что в пределах вероятных колебаний упру­гих и прочностных свойств мерзлых пород россыпных месторождений Rп = (20…40)Rк, а Rк(3,7…5,6)Rо. Взрывогидравлическим способом в массиве возможно создание неоднородных фильтрационных каналов с размерами Rп = (74…224)Rо. Так, при Ro = 100 мм, Rп = (7…22) м.

Однако, эф­фективный радиус зоны проницаемости, в пределах кото­рой возможна фильтрация воды по образо­вавшимся трещинам, весьма не­зна­чи­телен и не пре­вышает 5Rк. Относительный радиус оттаивания (R2/R1) зависит от времени и гидравлической проводимости (Кф/lк) фильтрацион­ного канала. Расстоя­ние между рядами скважин при продолжительности оттаивания в 100 суток не превышает 16R1 (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость относительного

радиуса оттаивания пород (R2/R1) от времени () и гидравлической проводимости фильтрационного канала Кф/lк:

1 – Кф/lк= 3; 2 – Кф/lк= 4;  3 – Кф/lк= 5;

4 – Кф/lк= 10; 5 – Кф/lк= 15; 6 – Кф/lк= 20;

7 – Кф/lк= 50

При среднем расстоянии между скважинами в ряду а = 3,5 м, обес­печивающим R1 = 1 м, допустимое расстояние между рядами скважин 2R2 (12…16 м), при льди­стости пород 250 кг/м3.

Оттаивание мерзлого массива происходит в радиальном направлении от оси фильтрационного канала и сверху вниз от питающей и оросительных канав. Поэтому глубина оттаивания при ВГФДО определяется по формуле

  (17)

где hФДО – прирост глубины оттайки фильтрационно-дренажным способом за время (τ), м.

Применение способа ВГФДО мерзлого массива в сложных горно-гео­логи­че­ских условиях позволяет за два месяца с 15 апреля по 15 июня отта­ять мерзлые горные породы на глубину до 7,0 м, что, в самом деле, сопоста­вимо с гидроигловым и послойным оттаиванием.

В 1980 г. взрывогид­рав­ли­ческий способ от­таи­вания мерзлых горных пород в комбинации с фильтра­ционно-дренаж­ным оттаиванием (ВГФДО) был внедрен в сложных горно-геологических условиях на дражном поли­гоне драги №166. Производствен­ные испытания подтвердили высокую эф­фективность совместного действия кондуктивного и конвективного пере­носа солнечной энергии.

Впоследствии способ ВГФДО был нами усовершенствован путем установки соляных солнечных нагревателей в питающей канаве для подог­рева воды и ускорения процесса оттаивания пород (патент Российской Фе­дерации №2315155), а также путем создания трещин и зон проницае­мости в мерзлом мас­сиве син­хронно-импульсным электро­гидроразрывом пласта.

За счет создания в массиве трещин электрогидрораз­рыва и действую­щих через них многоуровневых фильтрационных потоков воды-теплоноси­теля скорость оттаивания многократно возрастает.

Количе­ство трещин электро­гидроразрыва и глубину их расположения определяют рас­четом исходя из времени на оттаивание участка согласно разработанной нами методике.

Динамика оттаивания мерзлых горных пород в течение летнего сезона с применением различных способов приведена на рис. 9.

Рис. 9. Динамика оттаивания мерзлых горных пород:

1, 2, 3, 4 – способы оттаивания, со­ответственно: солнечно-радиацион­- ный (СРО); фильтра­ционно-дренаж­ный (ФДО); син­хронно-импульс­ный электрогид­роразрыв­ной (ЭГРП); взры­во­гид­равли­че­ский фильтрационно-дренаж­ный (ВГФДО)

В процессе дальнейшего совершенствования технологии оттаивания сезонной и многолетней мерзлоты, основанной на более полном использовании естественного источника тепла – солнечной энергии для повышения эффективности дражных и гидромеханизированных разработок золотоносных россыпей Забайкалья и Приамурья, в 1979…1982 гг. были проведены испытания и внедрение другого варианта кондуктивно-конвективного оттаивания мерзлых горных пород, при котором теплоноситель вводят в оттаиваемый массив путем периодического рыхления поверхности механическими рыхлителями, соединяя питающую и дренажную канавы бороздовыми оросителями, что позволило повысить эффективность ФДО в 1,5-2 раза.

Проведенная оптимизация параметров данного способа позволила определить закономерности изменения себестоимости оттаивания в зависимости от длины бороздовых оросителей и расстояния между ними.

Сравнительный анализ результатов оттаивания мерзлых пород различными способами показывает, что в сложных горно-геологиче­ских условиях применение взрывогидравлического фильт­ра­ци­он­но-дренажного и синхронно-импульсного электрогидроразрывного способов оттаивания является целесообразным (табл. 5).

Таблица 5

Технико-экономические показатели способов оттаивания мерзлых пород

 

Способ оттаивания 

мерзлых пород 

Скорость

оттаивания,

м/год

Трудоемкость,

чел.ч/1000 м3

Энерго-

емкость,

кВт-ч/м3

Относительная себестоимость

Солнечно-радиационный:

-естественный (СРО);

-соляной-солнечный бассейн (ССБ);

-с послойным удалением оттаявшего слоя

0,5…3,0

5,0…15,0

5,0…20,0

0,5…1,0

2,5…5,0

10,0…25,0

-

0,2…0,3

0,8…1,0

1

1,5…2,5

2,0…4,0

Гидравлический:

-фильтрационно-игловой

-с тепловыми ваннами

-ЭГРП (электрогидроразрыв пласта)

5,0-20,0

5,0-20,0

5,0-20,0

15,0-60,0

5,0-10,0

25,0-60,0

3,0- 4,0

2,0-2,5

4,0-5,0

5,0-10,0

3,0-5,0

10,0-15,0

Фильтрационно-дренажный ФДО):

- без рыхления;

- с механическим рыхлением;

-с использованием соляных солнечных нагревателей в траншеях

- взрывогидравлический (ВГФДО)

3,0- 6,0

4,0- 8,0

6,0-8,0

6,0-12,0

5,0-10,0

6,0-12,0

5,0-12,0

10,0-25,0

2,0- 2.5

3,0- 4,0

0,8- 1,2

2,5- 3,0

2,0- 4,0

4,0- 8,0

3,0-5,0

5,5- 10,0

При условии высокой гидравлической проводимости фильтрационного канала Кф/lк >1 и неограниченном питании водой применение способа ВГФДО позволяет увеличить глубину оттаивания за сезон в 3…4 раза по сравнению с естественной оттайкой и в 1,5…2 раза эффективнее фильтрационно-дренажного способа (см. табл. 5).

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать третье научное положение:

Использование сол­нечной энер­гии, аккумулированной в воде-теплоносителе, поступающей вглубь мерзлого массива по искусственно созданным зонам фильтрации: фильт­раци­онным каналам, образованным в мерзлом массиве на глубине элек­трогид­роразрывом пласта или камуфлет­ным взрыва­нием ли­ней­ного ряда сква­жин­ных зарядов ВВ, и бороздо­вым оросителям, созданным на днев­ной поверхности меха­ниче­ским рых­лением горных пород, ускоряет процесс оттаивания мерзлых дражных полигонов со сложными горно-геологическими условиями.

Технология создания противофильтрационных завес и экранов в гидротехнических сооружениях наиболее полно освещена в трудах проф. А.В. Рашкина, М.В. Костромина, К.И. Карасева, В.Г. Пятакова, П.Ф. Стафеева.

Они установили, что проти­вофильтрационные экраны, выполненные из полимерных пленок, и проти­во­фильтрационные завесы – из химического реагента Na-КМЦ являются эффективной противофильтрационной защитой плотин и дамб. Нами продолжены исследования в этом направлении с использованием новых технических решений. Изучены свойства новых противофильтрационных материалов и выполнены лабораторные исследования на физической модели плотины с противофильтрационной защитой масштаба 1:50 в лаборатории кафедры открытых горных работ ЧитГУ. 

Практический интерес представляет комбинированная противофильт­рационная защита гидротехнических сооружений (ГТС), включающая соз­дание противофильтрационной химической завесы (порошок или растворы Nа-КМЦ) и противофильтрационного экрана, выполненного из геотекстиль­но­го материала или водонепроницаемых пород (аргиллитов, алевролитов).

В работе выполнены исследования эффективности применения про­ти­вофильтрационных устройств (ПФУ). Защита ГТС производи­лась с при­менением противофильтрацион­ных завес (ПФЗ) из горных пород, обра­бо­танных порошком Nа-КМЦ, а также раство­рами химических реаген­тов Na-КМЦ и FeCl3 при раздельной, од­но­временной, последовательной и попере­менной обработке. При этом опреде­лялась зависи­мость фильтра­ци­онного расхода от длины понура, глуби­ны зуба, удельного расхода Na-КМЦ.

Реагент наносили на мокрый откос плотины и приплотин­ную часть перед затоплением в виде водного раствора концентрацией 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 % и путем поверхност­ной обработки пород порошком Nа-КМЦ.

Опыты позволили установить зависимость коэффициента фильтрации от концен­трации реагентов, сред­него диаметра частиц грунта и времени фильтрации. При обработ­ке горных пород раствором Nа-КМЦ их водо­про­ницаемость снижа­ется в 3…10 раз и более. Наибольший эффект снижения водопроницаемости грунта, обрабо­танного раствором Na-КМЦ, наблюда­ется при концентра­ции 0,5…1,0 % и максимальном диаметре частиц 1,5… 2,0 мм при удель­ном расходе 1,5…2,0 мл/см2 и стабилизации процесса кольматации в течение 5…15 суток. Использование порошка Na-КМЦ дает более значи­тельный эффект кольма­тации – в 3…5 раз выше, чем при обработке пород растворами Nа-КМЦ с одинаковым расходом реагента.

Полученные ре­зультаты подтвер­ждаются исследованиями, выполнен­ными в Иргиред­мете и ЧитГУ: д.т.н., проф. А.В. Рашкин – 1969 г., д.т.н., проф. М.В.Костромин – 1976 г., д.т.н., проф. К.И.Карасев – 1984 г. (рис. 10).

Рис. 10. Влияние способа создания противофильтрационной защиты ГТС на эффективность химической кольматации (Кп=47,7 м/сут):

1 – раствор Nа-КМЦ (А.В.Рашкин); 2 – Fe(NO3)3+Nа-КМЦ (А.В.Рашкин); 3 – ПЭИ+Nа-КМЦ (по а.с..№1102853, К.И.Карасев, А.В.Рашкин); 4 – Nа-КМЦ+FeCl3 (по а.с.№836277, А.В.Раш­кин, Ю.В.Субботин и др.); 5 – порошок Nа-КМЦ (М.В.Костромин); 6 – комби­ни­рован­ная защита ГТС: экран (геотекстильный материал) + завеса (Nа-КМЦ+FeCl3) – (по патенту РФ № 2310711, Ю.В.Субботин)

Попеременная обработка пород растворами FeCl3 и Nа-КМЦ при соотношении реагентов 1:1 и их концентрации 1…2 % при удельном расходе 5…10 л/м2 уменьшает водопроницаемость пород в десятки раз за счет образования более мощного противофильтрационного слоя за­щиты, что позволяет повысить эффект кольматации и снизить расходы Nа-КМЦ в 1,5…2,0 раза (см. рис.10, кривая 4).

С увеличением водо­проницаемости пород, если исходный коэф­фици­ент фильтрации пород плотины выше 40...50 м/сут, эффективность химиче­ской коль­ма­тации горных пород сни­жа­ется. Применение комбинированной противофильтра­ционной защиты ГТС (рис. 11) с использованием геотек­стиль­ных материалов (2) в совокупности с химиче­скими реагентами: поро­шок Nа-КМЦ (3) и растворов Nа-КМЦ, FeCl3 (5) позволяет исключить этот недостаток и уменьшить исход­ный коэффициент фильтрации горных пород в десятки раз, снизить отно­си­тельную водо­проницаемость в 15…20 раз и расход растворов до 0,1 кг/м2 (см. рис. 10, кривая 6).

Выполненные исследования подтверждаются опытно-промышлен­ны­ми испытаниями и внедрением способа создания ПФЗ с использованием попеременного режима обра­ботки пород (а.с. № 836277, МКП Е 02 В 3/16, С 09 К 17/00) на дражных полигонах Забайкалья (драга № 161, 165, 166).

Рис.11. Комбинированная противофильтрационная защита плотины:

1 – водоподпорная плотина; 2 – противофильтрационный экран; 3 – порошок Nа-КМЦ; 4 – мокрый откос плотины; 5 – противофильтрационная завеса; 6 – вода; 7 – водо­непро­ницаемые подстилающие породы

 

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования позволяют обосновать четвертое научное положение:

Комбинированная противофильтрационная защита гидро­техни­че­ских сооружений, вклю­чаю­щая технологию создания противофильт­рацион­ной завесы путем попеременной обработки пород растворами на­трийкар­бок­си­метилцеллюлозы (Nа-КМЦ) и треххлори­стого железа (FeCl3), в ком­плек­се с противофильтрационным эк­раном, выполнен­ным из геотек­стильного мате­риала, обеспечивает надежность предо­хра­нения пород от промерзания затопле­нием за счет снижения водо­про­ницаемости пород в 15-20 раз.

Решению проблем водоподготовки, оборотного водоснабжения, спо­собов очистки сточных и оборотных вод посвящены труды известных ученых В.К. Багазеева, В.М. Герасимова, Г.В. Зубченко, В.Е. Кислякова, В.Р. Личаева, В.П. Мязина, В.В. Назарова, Ю.М. Овешникова, А.В. Рашкина, И.К. Скобеева, Б.Л. Тальгамера и др.

В комплексе горно-подготовительных работ при открытой разработ­ке россыпей оборотное водоснабжение, очи­стка сточных и оборотных вод ока­зывают значительное влияние на технико-экономические по­казатели ра­боты драги и промприбора. Анализ рабочих проектов дражной и гидро­ме­ха­низированной разработки россыпных месторождений, а также данные практики ведения открытых горных работ показывают, что степень осветле­ния технологической воды от взвешенных веществ, нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов не соответствуют требованиям природоохран­ного законодательства. Поэтому нами выполнены аналитические и лабора­торные исследования, промышленные испытания и внедрение спо­соба доочи­стки сточ­ных и обо­ротных вод на дражных и гидроме­ха­низи­рованных раз­ра­ботках золотонос­ных россыпей, основанного на физико-ме­ха­нической очи­стке их от загряз­нений с помощью фильтров, включающих геотекстиль­ные нетка­ные материа­лы, цеоли­ты и их комбинацию.

Пригодность и эффективность применения геотек­стиль­ных мате­риа­лов и цеолита определяется их физико-техниче­скими свойст­вами – водо­про­ницаемостью по отношению к дисперсион­ной среде и задержи­ваю­щей способностью по отношению к дисперсной фазе.

Геотекстильные материалы на основе синтетических материалов – полиамида, полиэфиров и полипропилена имеют высокую прочность на растяжение – от 70 до 600 н/см2 и высо­кий коэффициент фильтрации – от 40 до 50 м/сут, незначительный удельный вес и толщину. По структуре порового пространства они относятся к гетеропористым. Пористость опре­деляет их водопроница­емость и способ­ность задерживать загрязняю­щие вещества при филь­тровании растворов.

Лабораторные и аналитические исследования доочистки загрязнен­ной воды от взвешенных частиц и примесей проводились на установках, созданных на кафедре ОГР ЧитГУ, конструкция которых позволяет проводить исследования в условиях продольного и поперечного фильтрования, при трех режимах работы фильтра – напорном, безнапорном и капиллярно-сифон­ном, с использованием трех типов фильтровальных геотекстильных материалов – Дорнит, Нетканый, поролон и цеолита.

Промышленные испытания очистки и доочистки загрязненной воды от взвешенных веществ и примесей проводились в условиях старательской артели «Саяны» на россыпи р. Спорный. В процессе опытов определялся удельный расход воды, профильтрованной через геотекстильные и цеолитовые фильтры, и их задерживающая способность (рис. 12).

Рис. 12. Способ доочистки сточных и

оборотных вод:

А – узел водозаборного патрубка; 1 – отстойник загрязненных сточных вод; 2 – ограждающая дамба; 3 – верховой откос дамбы; 4 – низовой откос дамбы; 5 – водосбросная труба; 6 – съемный конусный водозаборный патрубок; 7 – сферическое основание водозаборного патрубка; 8 – съемный сливной патрубок; 9 – геотекстильный фильтровальный материал; 10 – генератор ультразвуковых колебаний; 11 – излучатели ультразвуковых колебаний; 12 – коаксиальный электрический кабель

Водопроницаемость фильтров определялась с учетом среднеарифметического значения количества профильтрованной воды (V, л) за время ее фильтрования (t, с) через площадь поперечного сечения фильтра (S, м2) по формуле

          (18)

где Кф – водопроницаемость, л/(м2.с); V1, V2, ...Vn – объ-

ем воды, профильтрованной через фильтр в каждом отдельном опыте, л; n – число опытов.

Лабораторными исследованиями установлено, что степень очистки загрязненной воды зависит от режима фильтрации, типа геотекстильного материала и дисперсности твердых фракций в исходной воде.

Максимальный эффект доочистки воды происходит при продольном фильтровании через Дорнит в капиллярно-сифонном режиме фильтрации (рис. 13).

  а) б)

Рис. 13. Зависимость степени очистки воды от дисперсности твердых фракций в исходной воде, типа фильтрования и материала:

фильтрование: а) – поперечное; б) – продольное; 1 – поролон; 2 – Нетканый; 3 – Дорнит

По степени задерживающей способности твердых частиц Дорнит в 2…3 раза превосходит Нетканый геотекстильный материал и 7…8 раз поролон. При капиллярном подъеме (Нпод  > 0,04 м) для фракций (d > 70 мкм) обеспечивается снижение содержания взвешенных веществ в фильтрате в тысячи раз, для фракций (d > 40 мкм) – в сотни раз, для фракций (d < 40 мкм) – в десятки раз. Расход воды через геотекстильный фильтр уменьшается при увеличении высоты капиллярного подъема воды, однако степень очистки ее при этом пропорционально возрастает.

Отмечено, что значительное количество загрязняющих веществ проникает через поры фильтроткани в фильтрат в начальный период процесса очистки загрязненной воды, поэтому мутность фильтрата также возрастает в начальный момент, а затем равномерно снижается и стабилизируется на одном уровне. При дальнейшем фильтровании загрязненной воды наблюдается постепенная закупорка пор фильтроткани и ее уплотнение. За счет этого происходит нелинейное снижение расхода воды через геотекстильный фильтр, которое зависит от времени фильтрования, дисперсности и концентрации загрязняющих веществ в исходной воде.

При использовании в качестве фильтровального материала цеолитсодержащих туфов Шивыртуйского и Балейского месторождений с диаметром зерен цеолита более 50 мкм и расходом 1…4 кг/(м2 филь­трующей поверхности) удельный расход воды через цеолитовый фильтр составил (0,7…3,0).10-3 м3/(с.м2), а скорость фильтрации изменялась от 10 до 40 м/сут (рис. 14).

Чем выше концентрация взвешенных веществ и примесей, тем интенсивнее происходит снижение удельного расхода воды. Через 10…12 суток наблюдается стабилизация расхода воды на уровне 3…5 м3/(ч.м2).

Рис. 14. Изменение удельного расхода воды при безнапорном режиме фильтрации через труб­чатый фильтр:

1 – геотекстильный фильтр; 2 – цеолитовый фильтр

Эффект очистки воды возрастает в 2…2,3 раза при поперечном фильтовании через геотекстильный материал и одновременном использовании порошка цеолита в восходящем потоке фильтрата.

Степень очистки возрастает с уменьшением диаметра зерен цеолита. При использовании цеолита с размерами диаметра зерен от 50 до 150 мкм и удельном расходе цеолита 1…4 кг/(м2 фильтрующей поверхности) степень очистки воды в 2 раза выше, чем при фракции более 150 мкм. При малых концентрациях загрязнений (С = 5…50 мг/л) достаточно создать слой цеолита 5…8 мм с расходом 0,5…2,0 кг на 1 м2 площади поперечного сечения фильтра, при высоких концентрациях ВВ (С = 500…5000 мг/л)  необходим слой  цеолита мощностью более 50 мм и его расход возрастает до 1…4 кг/м2.

Время работы фильтра зависят от типа ГТМ, площади поперечного сечения фильтра, режима фильтрации, концентрации и среднего диаметра частиц ВВ в исходной воде.

При С ≤ 50…100 мг/л и среднем удельном расходе воды 0,5.10-3 м3/(с.м2) срок службы фильтра в капиллярно-сифон­ном режиме фильтрации до регенерации  составляет 20…30  суток, при наличии частиц фракции d = 0,05…0,1 мм более 50 %  и С ≤ 500…1000 мг/л – 10…20 суток, а при d ≥ 0,1 мм более 50 % и С > 1000 мг/л – 5…10 суток.

Корреляционный анализ полученных зависимостей позволил установить закономерности изменения удельного расхода воды от высоты капиллярного подъема, перепада уровня воды и типа ГТМ (рис. 15):

- для Дорнита    (19)

  - для Нетканого   (20)

где А, В, С - коэффициенты регрессии (табл. 6).

Рис. 15. Изменение удель­ного расхода воды в зави­симости от типа фильтро­валь­ного мате­риа­ла, вы­со­ты капиллярного подъема (Нпод) и перепада уров­ня воды (Нпер):

____ –Дорнит; _ _ _–Нетканый;

1 – Нпер = 0,2 м; 2 – Нпер = 0,08 м

Таблица 6

Коэффициенты функций парной корреляции удельного расхода воды

Тип материала,

Формула

Коэффи-

циент

корре-

ляции

Погреш-

ность

аппрок-

симации

Коэффициенты

регрессии

А1

В1

С1

Дорнит:

А = А1 / Нпер + В1 + С1 . Нпер;

В = А1 / Нпер + В1 + С1 . Нпер;

С = А1 + В1 . Нпер + С1 . Нпер2.

1,00

0,99

0,99

0,002

0,169

1,823

-0,012

0,702

-103,400

-0,915

-13,080

1512,600

3,725

-19,620

-3665,000

Нетканый:

А = 1 /(А1+ В1 . Нпер+ С1. Нпер2);

В = 1 /(А1+ В1 . Нпер+ С1. Нпер2).

1,00

1,00

0,001

0,001

-0,726

-0,099

3,435

0,219

-35,820

-0,326

       

В соответствии с проведенными исследованиями выведены общие уравнения связи (соответственно) для Дорнита и Нетканого:

  (21)

(22)

где Нпер – перепад воды, м; Нпод – высота капиллярного подъема воды, м.

По физико-техническим характеристикам наиболее приемлемым ГТМ для изготовления фильтров является иглопробивная ткань Дорнит с объем­ной плотностью 100…150 кг/м3.

Геотекстильный материал и слой цеолита в про­цессе фильтрации приобретают отрицательный заряд, по­этому происхо­дит не только меха­ни­ческая задержка твердых частиц, но и сорбция ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.

При этом тонкость очистки загряз­ненных вод нелинейно возрастает с увеличением степени измель­чения порошка цеолита, но вместе с тем пропорционально сни­жается удельный расход воды через фильтр.

Новизна способа доочистки сточных и оборотных вод подтверждается патентом на изобретение № 2094085, МПК 6 В 01 D 21/00.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования позволяют обосновать пятое научное положение:

Приме­нение гео­текстильных материалов и цеолитов в техно­ло­гиче­ских процессах водоподготовки повы­шает эффектив­ность обо­рот­ного водо­снаб­жения на объектах открытой разра­ботки рос­сып­ных месторождений и обеспечивает снижение содержания загряз­няющих при­ме­сей в сточ­ных и обо­ротных водах в десятки раз до норм ПДК.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе решена крупная научно-техниче­ская про­блема по­вы­шения эффективности водоподготовки и подготовки горных пород к выемке на объектах открытой разработки россыпных месторождений Забайкалья, имеющая важное хозяй­ственное зна­чение для развития золотодобывающей отрасли страны.

Основные научные и практические результаты проведенных иссле­дований заключаются в следующем:

1. По результатам исследований методом корреляционного анализа установлены статистические нелинейные кумуляты и ап­прок­сими­рую­щие формулы гра­ну­ло­мет­рического соста­ва рых­лых от­ло­жений на основе которых рос­сып­ные месторо­ждения Забайкалья расклас­сифицированы по критериям не­од­нородности, что позволяет повы­сить точ­ность расчетов коэф­фи­циентов фильт­рации горных пород, на­деж­ность выбора способа от­таивания мерз­лых пород и создания противофильт­рационной защиты  гидротех­нических сооруже­ний при пре­дохранении по­род от промерза­ния затоплением водой.

2. Разработана и апробирована на предприятиях ПО «Забайкалзо­ло­то» технология фильтрационно-дренажного оттаивания мерзлых гор­ных по­род с одновременным созданием в массиве зон фильтрации. Эта технология реко­мендована МЦМ СССР для внедрения на пред­при­ятиях золотодобы­ваю­щей промыш­ленно­сти.

3. Выявлена целесообразность применения соляных солнечных нагре­вателей в оросительных и питающей канавах (патент №2315155 Российская Федерация, МПК E 02 F 5/30), камуфлетного взрывания, электрогидрораз­рыва пласта, и механического рыхления для создания соответственно фильт­рационных каналов, трещин и бороздовых оросите­лей, что позволяет повысить эффектив­ность фильтрационно-дренажного оттаивания мерзлых пород – в более сжатые сроки проводить подготовку драж­ных полигонов со сложными горно-геологическими условиями, повы­сить произ­водительность драг, сократить срок пуска драг на 20…30 дней и умень­шить эксплуа­таци­онные и технологические потери металла.

4. Разработаны новые перспективные экономически-целесообразные способы оттаива­ния мерзлых пород – тепловые ванны с активацией те­п­лообмена в придонном слое соляного сол­нечного бас­сейна и конвективно-кондуктивной передачей солнечной энергии вглубь мерзлого мас­сива за счет обеспечения движения тепло­носителя по скважинам, позволяющие максимально использо­вать солнечную энергию и ускорить оттаивание в 2-3 раза (патент №2276236, №2295008 Российская Федерация, МПК E 02 F 5/30).

5. Разработан способ создания противофильтрационного устройства (ПФУ) гидротех­ни­че­ских сооружений, основанный на попеременной об­работке пород химическими реагентами, позво­ляющей повысить эффек­тивность кольматации за счет усиления адсорб­ци­онных связей и межмо­лекулярного взаимодействия. Предложенные конст­рук­тив­ные па­ра­метры и способ создания ПФУ (а.с. №836277 СССР, МКИ Е 02 В 3/16, С 09 К 17/00) внедрены на дражных полигонах Забайкалья. Суммар­ный эко­но­ми­ческий эффект от внедрения комбиниро­ван­ной технологии предохра­нения пород от

промерзания в 1979…1981 гг. составил 69,7 млн. р./год в ценах 2006 г.

6. Разработан способ комбинированной противофильтрационной за­щиты плотин на основе создания противофильтрационного экрана из гео­текстильного материала и противофильтрационной завесы, выполненной путем попеременной об­работки горных пород химическими реагентами (патент №2310711, Рос­сийская Федерация, МПК E 02 В 3/16), обеспечиваю­щий надежность предохранения пород от сезонного промерзания затопле­нием за счет снижения водопроницаемости горных пород в 15-20 раз.

7. Проведенные лабораторные и аналитические исследования вы­яви­ли целесообразность применения геотекстильных материалов и цеолитов в технологических процессах доочистки сточных и оборотных вод на объектах открытой разработки россыпных месторождений Забайкалья (па­тент №2094085 Россий­ская Федерация, МПК 6 В 01 D 21/00.). Натур­ные исследования и опытно-промышлен­ные испыта­ния показали, что исполь­зование геотекстильных материалов в сочетании с цеолитсодержащими туфами по­зволяет умень­шить содержание взве­шенных веществ, железа, алюми­ния, меди, аммиака, сульфатов ртути и нефтепродук­тов в технологической воде до норм ПДК.

8. Уста­новлены зависимости производительности геотекстиль­ного фильтра от напора, высоты капиллярного подъема воды и ее заг­рязненно­сти, а также от режима работы, типа геотекстильного материала и параметров фильтра. По фи­зико-техническим характеристикам наиболее при­ем­лемым ма­териа­лом для изготовления фильтров является иглопробив­ная ткань Дор­нит, выполненная на основе полиамида и полипро­пилена с объ­емной плотно­стью 100…150 кг/м3.

9. На горнодобывающих предприятиях Забайкалья со сложными горногеологи­че­скими условиями внедрены способ очистки сточных вод с использова­нием геотекстильных материалов и цеолитов (предотвращенный экологиче­ский эффект составил 551 тыс. р/год в ценах 2004 г.), а также технология управле­ния водоприто­ками в открытые горные выработки путем исполь­зования в качестве тампо­нирую­щих мате­риалов химических реагентов Na-КМЦ и FeCl3, геотек­стильных материалов и вскрышных пород из аргилли­тов и алевролитов.

Основные положения диссертации опубликованы в  следующих работах:

  1. Субботин Ю.В. Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых россыпей: монография / А.В. Рашкин, П.Б. Авдеев, Ю.В. Субботин. - М.:  Горная книга. - 2004. - 353 с.
  2. Подготовка мерзлых горных пород к разработке в суровых климатических условиях: учебное пособие (УМО ВО РФ) / Субботин Ю.В. [и др.]. - Чита: ЧитГТУ, 2002. - 79 с.
  3. Субботин Ю.В. Подготовка, выемка и погрузка горных пород при разработке  месторождений  открытым  способом:  учебное  пособие  / Ю.В.

Субботин.- Чита: ЧитГУ, 2005. - 236 с.

  1. Субботин Ю.В. Совершенствование способов оттаивания мерзлых пород / А.В.Рашкин, Ю.В. Субботин, С.Г. Позлутко // Горный журнал. - 1996. - № 9-10. - С. 9-11.
  2. Повы­шение экологической безопасности разработки россыпей За­бай­калья/Субботин Ю.В.[и др.]//Горный журнал. - 1996. - № 9-10. - С.31-35.
  3. Субботин Ю.В. Экологическая экспертиза  проектов разработки  малых  россыпей Забайкалья / А.В.Рашкин, Ю.В.Субботин // Горный журнал. - 1997. - №8. - С. 33-34.
  4. Субботин Ю.В. Перспективы использования геотекстильных материалов в горном производстве / А.В. Рашкин, В.М. Герасимов, Ю.В. Субботин //  Горный журнал. - 2000. - №2. - С. 41-43.
  5. Субботин Ю.В. О глубокой очистке сточных и оборотных вод при разработке месторождений россыпного золота / Ю.М. Овешников, Ю.В. Субботин // Горный журнал. - 2000. - №5. -  С. 60-62.
  6. Опыт освоения технологий кучного выщелачивания руд на горных предприятиях Забайкалья / Субботин Ю.В. [и др.] // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2004. - №4. - С. 284-290.
  7. Субботин Ю.В. Перспективные технологии оттаивания мерзлых гор­ных пород при разработке россыпей / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин, П.Б. Авдеев // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2005. - №6. - С. 125-127.
  8. Субботин Ю.В. Охрана водных ресурсов при разработке угольных месторождений Восточного Забайкалья / Ю.В. Субботин // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2006. - №1. - С. 238-244.
  9. Субботин Ю.В. Эффект соляного солнечного бассейна при оттаи­ва­нии мерзлых горных пород / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин, П.Б. Авдеев // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2006. -  Тематическое приложение «Физика горных пород». - С. 168-173.
  10. Субботин Ю.В. Новые способы оттаивания сезонно- и многолет­не­мерзлых пород / Ю.В. Субботин // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М.: МГГУ. - 2006. - Тематическое приложение «Физика горных пород». - С.186-193.
  11. Субботин Ю.В.  Комбинированная противофильтрационная  защита

тех­нологических плотин / Ю.В. Субботин // Горный информационно-анали­тический бюллетень. - М: МГГУ. - 2007. - № 4. - С. 350-356.

  1. Субботин Ю.В. Методы снижения катастрофических водопритоков в горные выработки угольных разрезов / Ю.В. Субботин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГГУ. - 2007. - № 4. - С. 344-349.
  2. Субботин Ю.В. Исследование взрыво­гидравлического способа оттаива­ния мерзлых дражных полигонов / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин, В.С. Аба­лаков // Разработка месторождений полезных ископаемых Сибири и Севе­ро-Востока: сб. науч. тр. - Иркутск: ИПИ, 1980. - с. 91-99.
  3. Субботин Ю.В. Применение геотекстильных материалов для очист­ки сточных и оборотных вод при гидромеханизированной разработке золо­тоносных россыпей / Ю.В. Субботин. - Чита: Межотраслевой террито­ри­аль­ный центр ЦНТИ, 1995. - 4 с.
  4. Субботин Ю.В. Экологическая экспертиза проектов разработки россы­пей Забайкалья / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин // Вестник Читинского политехнического института: сб. науч. тр. - М.: МГГУ. - 1995. - Юбилейный вы­пуск. - с. 16-24.
  5. Субботин Ю.В. Методы преодоления техногенных изменений в горных экосистемах Забайкалья / А.В. Рашкин, В.М. Гераси­мов, Ю.В. Субботин // Горы и Человек: в поисках путей устойчивого развития: сб. науч. тр. -  Барнаул: НИИ горного природопользования, 1996. - с. 114-116.
  6. Исс­ледование и разработка способа очистки промышленной воды с ис­пользованием геотекстильных фильтров / Субботин Ю.В. [и др.] // Хозяй­ственно-питьевая и сточные во­ды: проблемы очистки и использования: сб. науч. тр. - Пенза: Приволжский дом знаний, 1996. - С. 98-101.
  7. Экологические аспекты открытой разработки месторождений Забайкалья / Субботин Ю.В. [и др.] // II Всероссийская научно-прак­ти­ческая конференции с международным участием: сб. науч. тр. - Санкт-Петербург: МЦ ЭНТ, 1997. - Т.1. - С. 57-60.
  8. Субботин Ю.В. Совершенствование способов очистки сточных и оборотных вод / Ю.В. Субботин, Ю.М. Овешников // Вестник МАНЭБ. - Чита: Забтрас, 1998. - №8. - С. 77-81.
  9. Субботин Ю.В. Очистка сточных и оборотных вод с применением  гео­текстильных фильтров / Ю.В. Субботин, О.Ю. Клочко, Е.Г. Турушев // I научно-техническая конференция: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 1998. - С. 81-84.
  10. Субботин Ю.В. Оценка неоднородности рыхлых отложений и ситового состава россыпного золота / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин // I научно-техническая конференция: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 1998. - С. 66-69.
  11. Субботин Ю.В. Оптимизация параметров фильтрационно-дренаж­но­го оттаивания с механическим рыхлением пород / А.В. Рашкин, Ю.В. Суб­ботин // Вестник ЧОНТО строителей: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 1998. -Вып. 2. - С. 104-111.
  12. Субботин Ю.В. Влияние  экологических  факторов  на  выбор энерго-и ресурсосберегающих технологий / Ю.В. Субботин, Д.С. Новиков, О.Ю. Клочко // II научно-техническая конференция ЧитГТУ: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 1999. -  С. 158-161.
  13. Субботин Ю.В. Перспективы повышения эффективности и экологической безопасности разработки россыпей / Ю.В. Субботин // Международная конференция: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 1999. - С. 6-8.
  14. Субботин Ю.В. Характеристика гранулометрического состава золота и рыхлых отложений россыпей Забайкалья / А.В. Рашкин, Ю.В. Субботин, П.Б. Авдеев//Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов: сб. науч. тр. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2000. - С. 228-234.
  15. Субботин Ю.В. Охрана поверхностных водотоков от загрязнения при открытой разработке месторождений Забайкалья / Ю.В.Субботин // III научно-техническая конференция Горного института: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 128-129.
  16. Субботин Ю.В. Подготовка мерзлых горных пород к выемке при разработке месторождений Забайкалья / Ю.В. Субботин, Д.Н. Дармограев // III  научно-техническая конференция Горного института: сб. науч. тр. – Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 174-176.
  17. Экологическое сопровождение проектов реконструкции угольных раз­резов Забайкалья / Субботин Ю.В. [и др.] // IV научно-техническая конференция Горного института: сб. науч. тр. - Чита: ЧитГТУ, 2003. - С. 10-15.
  18. Субботин Ю.В. Водоснабжение, водоотведение и очистка сточных вод при гидромеханизированной разработке россыпей / Ю.В. Субботин, А.В. Рашкин // Комплексное освоение и экология россыпных и морских  месторождений: Межвузовский научный сборник. - М.: МГГРУ, 2004. - С. 125-130.
  19. Субботин Ю.В. Технико-экономические показатели подготовительных работ на дражных разработках / А.В. Рашкин, П.Б. Авдеев, Ю.В. Субботин // Комплексное освоение и экология россыпных и морских месторождений: Межвузовский научный сборник. - М.: МГГРУ, 2004. - С. 86-90.
  20. Субботин Ю.В. Горно-геологическая характеристика золотоносных россыпей Забайкалья / Ю.В. Субботин // Вестник МАНЭБ. - С-Пб.-Чита: Стиль, 2004. - №6. -  С. 78-83.
  21. Субботин Ю.В. Применение геотекстильных материалов в технологии очистки сточных вод / Ю.В. Субботин // Вестник ЧитГУ: сб. науч. тр. - Чита, 2004. - С. 32-42.
  22. Субботин Ю.В. Совершенствование технологии гидравлического оттаивания мерзлых горных пород / Ю.В. Субботин // Межвузовский научный сборник. - М.: РГГРУ. - 2006. - С. 121-125.
  23. Субботин Ю.В. Повышение эффективности солнечно-радиационного способа оттаивания мерзлых горных пород / Ю.В. Субботин // Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: ЧитГУ, 2006. - С. 30-34.
  24. Субботин Ю.В. Противофильтрационная защита технологических плотин при разработке золотоносных россыпей / Ю.В. Субботин // Вестник МАНЭБ. - С-Пб. - Чита: Стиль, 2006. - Т.11, №5. - С. 130-133.
  25. А.с. 836277 СССР, МКИ Е 02 В 3/16, С 09 К 17/00. Способ  создания противофильтрационных завес / А.В. Рашкин, Е.И. Комаров, В.С. Абалаков, Ю.В. Субботин; Читинский политехнический ин-т. - 2680386/29-15; заявл. 01.11.78; опубл. 07.06.81, Бюл. №21 // ИСМ. - 1981. - Вып. 15, №8. - 5 с.
  26. Пат. 2094085 Российская Федерация, МПК 6 В 01 D 21/00. Устройство для очистки сточных вод / Субботин Ю.В., Рашкин А.В., Герасимов В.М., Овешников Ю.М., Мязин А.В.; заявитель и патентообладатель Читинский государственный университет. - № 96115045/25; заявл. 25.07.96; опубл. 27.10.97, Бюл. №30. - 4с. 
  27. Пат. 2276236 Российская Федерация, МПК E 02 F 5/30 (2006-01). Способ оттаивания мерзлых горных пород и грунтов / Рашкин А.В., Субботин Ю.В.; заявитель и патентообладатель Читинский государственный университет. -№2004134004/03; заявл. 24.11.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13. - 4 с.
  28. Пат. 2295008 Российская Федерация, МПК E 02 F 5/30 (2006-01). Способ оттаивания мерзлых горных пород / Субботин Ю.В., Рашкин А.В.; заявитель и патентообладатель Читинский государственный университет. -  № 2005110440/03; заявл. 11.04.2005; опубл. 10.03.2007, Бюл. №7. - 4 с.
  29. Пат.2310711 Российская Федерация, МПК E 02 В 3/16 (2006-01). Способ создания противофильтрационных завес/Субботин Ю.В.; заявитель и па­тен­тообладатель Читинский государственный университет. - №2006103059/03; заявл. 02.02.2006; опубл. 20.11.2007, Бюл. №32. - 5 с.
  30. Пат. 2315155 Российская Федерация, МПК E 02 F 5/30 (2006-01). Способ оттаивания мерзлых пород / Субботин Ю.В., Рашкин А.В.; заявитель и патентообладатель Читинский государственный университет. -  № 2006107354/03; заявл. 09.03.2006; опубл. 20.01.2008, Бюл. №2. - 4 с.
  31. Yu.V.Subbotin Thermophysical and ecologo-economical effectiveness of Hydraulic-Blast and Hydro-Burst Methods of Frozen Soil Thawing / A.V. Rashkin, Yu.V.Subbotin, P.B.Avdeyev // Geocryological problems of construction in Eastern Rossia fnd Northern China: sb. nauch. tr. - Yakutsk: SB RAS PubliSHers, 1998. - С. 38-41.
  32. Yu.V.Subbotin Permafrost placer mining / A.V.Rashkin, Yu.V.Subbotin // Russian mining. - 2004. - №5, С. 19-24.

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97

Подписано в печать  2008 г. Формат 60х84х1/16

Усл. печ. л. 2  _ Тираж 100 экз. Заказ № 

ул. Александро-Заводская 30, г. Чита, 672039

РИК ЧитГУ




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.