Продление сезона работы гидромеханизации в зимних условиях

Общие сведения о работе гидромеханизации
Использование гидромеханизации в зимних условиях сокращает сроки строительства, уменьшает административно-хозяйственные расходы (в годовом балансе) и расходы, связанные с зимней консервацией оборудования. В связи с этим, несмотря на некоторое повышение стоимости единицы разрабатываемого грунта зимой, общая стоимость работ снижается.
Производство работ методом гидромеханизации в зимнее время должно быть обосновано технико-экономическим расчетом. При этом необходимо выполнить ряд теплотехнических расчетов и провести некоторые технологические и организационные мероприятия, обеспечивающие успешное проведение работ.
К организационным мероприятиям относится в первую очередь составление специального проекта организации производства работ в зимних условиях. Такой проект является дополнением к проекту летнего сезона. В него должны входить порядок разработки карьеров, все необходимые мероприятия по утеплению, порядок намыва и т. д.; все расчеты следует проводить с учетом теплотехнических характеристик грунтов.
К основным технологическим мероприятиям, обеспечивающим успешное применение гидромеханизации в зимних условиях, относятся следующие:
• проведение мероприятий по предохранению от промерзания грунтов в карьерах, предназначенных для разработки в зимнее время, и подготовка оборудования для разработки и транспортирования грунта при отрицательных температурах;
• обеспечение утепления пульповодов и устройств на них выпусков гидросмеси при возможных длительных перерывах в подаче гидросмеси;
• проведение мероприятий, обеспечивающих содержание майн при земснарядах незамерзающими;
• строгое выполнение всех мероприятий, обеспечивающих намыв грунта в тело сооружений без замыва больших массивов льда и значительно промерзшего грунта.
Кроме того, целесообразно иметь график, составленный заранее путем соответствующих теплотехнических расчетов и показывающий, какой толщины слой промерзшего грунта, при какой температуре воздуха и гидросмеси, в течение какой продолжительности последующего намыва растает под слоем намытого грунта.
Проведение перечисленных и других организационных и технологических мероприятий способствует успешному и рентабельному производству зимних работ методом гидромеханизации.
Работа гидромониторно-землесосных комплексов
При разработке грунта гидромониторами в зимних условиях увеличивают напор струи у насадки на 30—50 % против летнего. Подвигание забоя должно быть не менее 0,2 м/ч при ширине проходки не более 12 м. Шаг передвижки гидромонитора уменьшают, число передвижек увеличивают. Уклоны пульпоприемных канав в зимнее время должны быть более крутыми, чем в теплое время (табл. 5.1).

Продолжительность технологических или аварийных перерывов в работе должна быть минимальной; размыв грунта в забое следует начинать сразу же после его обрушения (табл. 5.2).
Водоснабжение гидроустановок. В отличие от традиционных представлений о режиме работы центробежных насосов в сети с водоводами гидравлическая характеристика оледеневших водоводов имеет вогнутую форму с минимумом потерь напора при некотором расходе. При этом увеличение гидравлических потерь напора объясняется интенсивным обледенением труб при малом расходе пропускаемой воды, т. е. уменьшением площади живого сечения. В зимний период трудно обеспечить непрерывность работы водоводов. После прекращения подачи воды на внутренних стенках наполненных труб неизбежно намерзает некоторый слой льда. В этом случае избежать аварийной ситуации возможно при соблюдении следующих требований. Продолжительность нахождения наполненных труб без движения воды не должна превышать расчетного времени. До стабилизации теплового режима останавливать водовод нельзя (стабилизация наступает после подачи примерно 20-кратного объема воды, заключенного в трубопроводе). Вся фасонная арматура (вентили, температурные компенсаторы и др.) должна быть утеплена.

В периоды с неустойчивой температурой воздуха водоводы должны опорожняться сразу после остановки. С целью предупреждения разрыва труб из-за изменения их длины при понижении температуры воздуха трубопроводы должны иметь температурные компенсаторы.
Подготовка пород к размыву. Эффективность размыва пород в зимний период в значительной степени зависит от величины промерзания рабочей площадки уступа. При этом процесс промерзания сопровождается изменением физико-механических свойств пород. В результате на поверхности образуется монолитная масса, трудно поддающаяся разрушению. После подмыва подстилающей талой породы мерзлый слой сначала нависает в виде козырьков, а затем отдельными глыбами обрушивается в забой, перекрывая талые породы и затрудняя маневрирование гидромониторами.
Для облегчения разработки пород в зимний период проводят одно из следующих подготовительных мероприятий: с осени предохраняют породу от промерзания, оттаивают мерзлый слой породы, разрыхляют мерзлоту. Предохранять поверхность уступов от промерзания можно путем замедления процесса промерзания пород, что достигается уменьшением теплопроводности пород их рыхлением в осенний период, применением теплоизоляционных покрытий, засолением пород. Рыхление пород тракторными рыхлителями эффективно для участков карьера, разрабатываемых в первые 1—1,5 мес. зимнего периода. Для участков, подлежащих разработке в более позднее время, целесообразно применять утепление. В качестве утеплителей можно использовать снег, сухой торф, хвою, опилки и др. При выборе способа утепления необходимо учитывать наличие теплоизоляционных материалов, их стоимость, дальность доставки. Наиболее простым и дешевым является способ утепления снегом. Для задержания снега используют переносные щиты, плетни, снежные валы и срубленные ветки. Просветленность переносных щитов принимается равной 60—70 %, что обеспечивает низкую и пологую форму образуемого снежного вала.
В качестве утеплителя применяют также искусственный снег, получаемый путем распыления воды на капли, которые при замерзании образуют пористый снег. В настоящее время искусственный снег находит широкое применение в Канаде для предохранения грунтовых плотин гидроузлов в процессе их возведения. Утепление недренирующей поверхности успешно может быть осуществлено устройством льдовоздушного покрытия. Сущность этого способа заключается в следующем. Поверхность, намечаемая к утеплению, обваловывается небольшими дамбами высотой около 1 м. В обвалованном пространстве в шахматном порядке на расстоянии 1—1,5 м забивают колья. При наступлении заморозков обвалованное пространство заливается водой на высоту 0,7—0,8 м. Когда слой льда достигает толщины 10—12 см, уровень воды в обвалованном пространстве понижается на 5—10 см, и операция по намораживанию льда повторяется. Число слоев льда должно быть не менее трех. Льдовоздушное утепление предохраняет от промерзания. По мере подвигания фронта работ лед скалывается, для предохранения утепленного участка от попадания холодного воздуха после скола льда производится засыпка скалываемой полосы снегом или другим утеплительным материалом.
На некоторых карьерах для утепления верхней площадки уступа применяют быстротвердеющую пену, в состав которой входят мочевиноформальдегидные смолы (40—50 % по объему), пенообразователь ПО-1 (4—5 %), соляная кислота (3—4 %), вода и воздух (40—50 %).
Промерзание откоса уступа зависит в основном от свойств породы, времени промерзания, силы и направления ветра. Примерная продолжительность остановки работ без опасения образования на поверхности откоса трудноразмываемого мерзлого слоя в глинистых и суглинистых породах при высоте уступа 8—16 м характеризуется следующими данными.

Предохранение уступа от промерзания возможно путем засоления породы раствором NaCl или CaCl. Для проведения этого мероприятия требуется разрешение соответствующих органов охраны природы. Засоление талой породы возможно равномерной посыпкой соли на поверхности перед осенними дождями, перемешиванием верхнего слоя с солью, разливом раствора в лунки глубиной 10—20 см. Предпочтение следует отдавать перемешиванию соли с верхним слоем породы. В этом случае работы ведут в такой последовательности. Бульдозером снимают растительный слой и планируют поверхность. Выгружают соль и разравнивают ее бульдозером. Перемешивают верхний слой породы с рассыпанной солью на глубину 15—25 см путем вспахивания или рыхления. Эта операция позволяет предохранить соль от частичного вымывания выпадающими осадками и способствует более равномерному засолению пород. Засоление рекомендуется проводить за 2—4 недели до заморозков.
Для оттаивания мерзлой породы применяется электрооттаивание (низко- и высоковольтное, высокочастотное), оттаивание при помощи специальных тепляков, горелок, паровых или водяных игл, радиационное оттаивание горячим раствором соли, заливаемым в скважины или шпуры после очистки поверхности от снега и льда.
Размыв пород гидромониторами. Глинистые талые породы средней влажности, обрушенные на нижнюю площадку уступа, интенсивно промерзают при температуре воздуха ниже -25 °C. Смыв таких пород, подверженных промерзанию в течение 1,5 сут при температуре до -15 °C, больших осложнений не вызывает. Вода, попадая в талую породу или между глыбами мерзлой породы, быстро замерзает, образуя наледи, которые затем трудно размывать. Образование наледей происходит при отделении капель воды от струи гидромонитора, разбрызгивании струи в результате сильного ветра или же при ударе струи о замерзшую породу. При температуре воздуха от -15 до -20 °C толщина слоя наледи достигает 8 см. При температуре воздуха от -20 до -30 °C толщина слоя наледи возрастает до 25 см. Установлено, что наледь, образующаяся при размыве пород, имеет вначале слабую кристаллическую структуру. В дальнейшем через 2—3 сут она упрочняется и размывается с большим трудом. Поэтому наледи должны размываться в начале процесса кристаллизации льда.
Для уменьшения глубины промерзания породы в забое суточное подвигание фронта работ должно быть не менее 2 м.
Размыв пород в зимний период состоит в следующем. Подрезку пород следует производить с таким расчетом, чтобы обрушенный объем пород легко смывался тем же гидромонитором в течение 1—2 смен. В забоях, где наблюдаются сильные ветры, с подветренной стороны необходимо устанавливать щиты для уменьшения разбрызгивания струи, так как водяные брызги способствуют росту наледей. При подрезке следует избегать скопления воды на нижней площадке уступа. Она ослабляет ударную силу струи и, смерзаясь на поверхности породы, затрудняет ее размыв. В зимний период напор воды на насадках гидромониторов необходимо повышать на 15—20 %. Подрезку откосов уступа следует вести с таким расчетом, чтобы обеспечить равномерное перемещение всего фронта работ. При смыве обрушенной породы необходимо струю направлять таким образом, чтобы она не скользила по поверхности навала, так как в этом случае эффективность смыва снижается и образуются наледи. Струя воды должна работать на срез. He рекомендуется при смыве обрушенной породы часто менять направление струи гидромонитора, так как это приводит к оставлению части воды в навале несмытой породы, которая, замерзая, затрудняет дальнейший размыв. Кроме того, при такой работе образуются наледи за счет разбрызгивания струи гидромонитра. Смыв породы следует проводить так, чтобы струя производила пульпообразование в одном месте и пульпа концентрированным потоком направлялась к пульпоприемной канаве. Все соединения на гидромониторе не должны пропускать воду, так как вытекающая вода, замерзая, ограничивает его подвижность. Для спуска воды из гидромониторов устанавливают специальные ниппели. Шаровой шарнир и соединения гидромонитора должны прикрываться брезентовым фартуком для защиты от брызг при случайном прорыве прокладок. Транспортирование пульпы от места размыва к зумпфу следует производить наиболее работоспособным концентрированным потоком.
Гидротранспорт. В зимний период рекомендуется утеплять пульповоды. Учитывая относительно малый срок службы пульповодов, утеплять их рекомендуется наиболее дешевыми способами (например, снегозадержанием при помощи щитов или надвиганием снега бульдозером). В районах с небольшим покровом снега целесообразным является утепление пульповодов путем намораживания льда на наружных стенках с помощью гибких шлангов с распылительными головками. Особенно неблагоприятные условия эксплуатации пульповодов возникают из-за прерывного характера движения гидросмеси. При этом может возникнуть внутреннее оледенение пульповодов.
Во время перерывов в работе пульповодов гидросмесь интенсивно замерзает. Для предотвращения полного замерзания пульповодов перерывы в их работе без опорожнения не должны превышать определенной продолжительности. В случае частичного промерзания гидросмеси применяется обогревание промерзших мест трубопровода движущейся водой и теплоактивной смесью, а также электрооттаивание замерзших участков труб.
Гидроотвалообразование. Гидроотвалообразование в зимний период значительно осложняется в результате образования льда на поверхности гидроотвалов.
Различают технологическую и сезонную мерзлоту. Мерзлота, кратковременно образующаяся в процессе намыва, называется технологической. Мерзлота, которая образуется на поверхности гидроотвалов и по их бортам во время перерыва в намыве, называется сезонной.
Известно, что физические процессы промерзания и оттаивания пород по интенсивности и характеру протекания неравномерны в пределах участка намыва. Это обусловлено разной интенсивностью инфильтрации воды из-за продольного фракционирования горной массы, изменением теплосодержания гидросмеси при ее движении по пляжу и другими факторами. В результате на поверхности гидроотвалов может образовываться технологическая мерзлота. Мощность слоев мерзлой породы на гидроотвалах зависит от продолжительности технологических перерывов и климатических условий в момент перерывов,
Характер и интенсивность образования слоистой мерзлоты обусловлены в основном отклонениями от технологических режимов укладки: холостыми прокачками воды без ее отвода с участков намыва, часто повторяющимися перерывами в намыве с предварительной промывкой труб водой и др.
К гидроотвалообразованию предъявляются следующие требования:
• укладку породы необходимо начинать до заморозков на непромерзшее основание;
• промерзшая порода убирается до талой породы;
• гидросмесь должна подаваться без длительных перерывов (рекомендуется для намыва одного участка использовать не менее двух гидроустановок);
• участок намыва должен обваловываться талой породой;
• гидросмесь в зоне намыва следует сбрасывать по возможности ближе к дамбе обвалования и с повышенной консистенцией.
При подводном намыве породы укладываются преимущественно под лед торцевым способом. В надводную часть намывных сооружений и сооружений, возводимых на сухом основании, породы укладываются по двусторонней или односторонней схеме. В зимний период подводный торцевой намыв производится путем подачи гидросмеси под лед через проруби. Этот способ может быть рекомендован для укладки пород в подводные отвалы.
Минимально допустимая толщина льда, с которого осуществляется намыв, устанавливается из условий техники безопасности при работе на льду ледорезных машин и транспортнокранового оборудования. Пульповод укладывается на поверхности льда по деревянным лежням.
Работа земснарядов
Работы в зимних условиях выполняют по специальному проекту производства работ с обоснованием его технико-экономическим расчетом. Минимально допустимая температура воздуха определяется технологией производства работ, применяемым оборудованием, местными условиями и составляет, как правило, не ниже -15...-20 °С.
Для работы в зимних условиях следует отводить участки карьера с песчаными грунтами, не засоренными пнями, валунами, без глинистых и сцементированных прослоек с максимальной высотой подводного и надводного забоев, вблизи от берега и места укладки грунта. Дренирующие песчаные грунты обеспечивают хорошую подпитку карьера грунтовыми водами.
Подготовительные работы выполняют заблаговременно, до наступления морозов. Осенью удаляют растительный слой, вскрышу. Для предохранения карьера от недопустимого по условиям работы земснаряда промерзания следует проводить вспашку грунта на глубину 20—30 см, снегозадержание, устройство льдовоздушного покрытия, рыхление мерзлого грунта и т. д. Пульпопроводы выравнивают в вертикальной плоскости с приданием им уклона, необходимого для опорожнения их через выпуски, проверяют герметичность стыков и т. д.
Первичное обвалование максимально возможной высоты должно быть выполнено до наступления морозов. В зимнее время дамбы обвалования возводят из талого грунта. Земснаряд и другие установки, а также пульпопроводы утепляют.
Вскрытие ледяного покрова осуществляют механическим (разработка льда вручную, ледорезными машинами, вспомогательным ледокольным судном, корпусом земснаряда и т. д.), тепловым или смешанным (струей воды и др.) способами.
Майну обычно поддерживают постоянной циркуляцией воды потокообразователями — агрегатами, действующими по принципу низконапорных осевых насосов. Наибольшее применение имеют потокообразователи конструкции ЗАО «Компания «Трансгидромеханизация» (типа П0-2200) с цилиндрическим проточным узлом и конструкции Новосибирского отделения ВНИИ транспортного строительства (СибЦНИИС) с раструбным входом воды (ГЮ-3500) (табл. 5.3).
Ширина майны вокруг земснаряда и звеньев плавучего пульпопровода должна быть не меньше их пятикратной ширины.

Работа многочерпаковых драг
В последнее время все шире разрабатываются сложные по составу россыпи, расположенные в труднодоступных малоосвоенных районах с суровыми климатическими условиями. В связи с этим приобретают важное значение вопросы определения рациональной продолжительности дражного сезона, которые требуют тщательного обоснования с целью обеспечения высоких технико-экономических показателей работы драг.
Рациональная продолжительность дражного сезона и эффективность добычных работ зависят от технического состояния драги, качественной характеристики и степени подготовленности промышленных запасов к выемке, системы водоснабжения дражного разреза и климатических условий. В зависимости от преобладающего влияния того или иного фактора продолжительность дражного сезона практически может быть строго ограничена по техническим соображениям. Так, ограничение может быть установлено по климатическим условиям (например, по критической температуре воздуха, при которой с точки зрения хладостойкости конструктивных элементов не обеспечивается безопасная эксплуатация драги и дальнейшее продление дражного сезона недопустимо). Важным фактором является мощность драги. Так, драги большой мощности способны работать продолжительное время при весьма низкой температуре воздуха. Многочисленные наблюдения за работой драг в различные периоды показывают, что необоснованное продление дражного сезона не всегда позволяет достичь высокого экономического эффекта. Это объясняется тем, что эксплуатационные затраты при температуре ниже -20...-25 °C резко увеличиваются, а годовая производительность драги по добыче металла увеличивается незначительно. В результате среднесуточный намыв металла за год уменьшается, а его себестоимость возрастает. Поэтому задача определения рациональной продолжительности дражного сезона для каждого россыпного района с целью снижения эксплуатационных затрат и увеличения объема добычи металла является весьма актуальной.
Сравнение показателей работы драг ранней весной и поздней осенью с показателями в летние месяцы показывает, что при надлежащей подготовке полигонов более рационально продлевать дражный сезон за счет раннего весеннего периода. Начало дражного сезона в каждом конкретном случае должно устанавливаться на основе всесторонних технических и экономических расчетов. В практике имели место случаи, когда необоснованное продление дражного сезона вызывало увеличение себестоимости металла, полученного за дополнительные сутки работы драг, в 2,5 раза. В связи с этим в северных районах следует стремиться к продлению дражного сезона за счет более раннего пуска драг, так как в этом случае ежедневное увеличение температуры воздуха будет в значительной степени способствовать повышению эффективности работы драг. Целесообразность продления дражного сезона за счет осенне-зимнего периода, когда температура воздуха снижается ниже -25...-30 °С, должна быть в каждом конкретном случае обоснована с учетом особенностей россыпи, надежности конструктивных элементов и с точки зрения износа и холодостойкости, условий водоснабжения разреза и возможности удаления образующихся в разрезе шуги и льда.
Дражный сезон обычно начинается с наступлением весеннего потепления (март—апрель) и завершается с наступлением холодного периода с температурой ниже -25 ... -30 °C (ноябрь —декабрь).
Для установления экономически целесообразной продолжительности дражного сезона необходимо определить следующее:
• объем песков, который может быть добыт и переработан за период продления дражного сезона; для этого должен быть составлен нормальный баланс использования рабочего времени за данный период, т. е. установлено время чистой работы драги в сутки, число дней, за счет которых планируется продлить сезон, и продолжительность остановок на проведение планово-предупредительного ремонта; для определения объема песков необходимо расчетное время чистой работы драги за период продления дражного сезона умножить на расчетную производительность драги за час непрерывной работы;
• экономию средств по статьям затрат, зависящих от продолжительности дражного сезона и удельного веса условно-постоянных затрат на добычу 1 м3 песков;
• максимально допустимые затраты на добычу и переработку 1 м3 песков за период продления дражного сезона;
• удельный вес условно-постоянных затрат при фактически сложившейся продолжительности дражного сезона;
• суточные затраты на драгу при сложившейся продолжительности дражного сезона;
• минимально допустимую суточную производительность драги за период продления дражного сезона;
• затраты на добычу и переработку 1 м3 песков за период продления дражного сезона.
На основе полученных расчетных значений строится график изменения возможной и минимально допустимой суточной производительности драги. Точки пересечения кривых на графике определяют рациональную продолжительность дражного сезона.
Следовательно, указанная методика позволяет во всех случаях определить рациональную продолжительность дражного сезона.
Критериями при определении рациональной продолжительности дражного сезона являются объем добычи металла и его себестоимость, обеспечивающие либо прибыльную, либо безубыточную разработку россыпи. Имеется предложенная В.Г. Пешковым методика аналитического расчета рациональной продолжительности дражного сезона для различных районов страны, основанная на комплексном учете факторов, влияющих на эффективность дражных работ.
Анализ фактической себестоимости при дражной разработке россыпей показывает, что продление дражного сезона и вызванное этим изменение суммарного объема полученной продукции оказывают различное влияние на структуру удельных эксплуатационных затрат и конечную себестоимость металла.