Разработка эффективных способов подготовки (стр. 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 , , . 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 , , .

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 ЛБУшт.), 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(τ)	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 № 000.

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 (ξ, 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 δ – коэффициент, учитывающий замедление скорости сезонного оттаивания пород из-за оттока тепла в мерзлый грунт, изменяется от 0,6 до 1,0; λТ – коэффициент теплопроводности талых пород, Вт /(м. оС); tп – температура придонного слоя ССБ, оС; τ – 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.