Проектирование технологии оттаивания мерзлых пород

При разработке россыпей открытым способом оттаивание многолетне- и сезонномерзлых пород, а также предохранение талых пород от глубокого сезонного промерзания осуществляются с целью обеспечения условий высокопроизводительного использования технологического оборудования. Необходимость проведения этих работ вызывается тем, что преобладающая часть россыпей в нашей стране сосредоточена в зонах сурового климата и широкого распространения многолетней мерзлоты, площадь которой составляет более 10,5 млн км2, т. е. около 47 % всей территории страны. При этом мерзлые породы местами имеют значительную мощность. Например, в Читинской области она достигает 20 м, в Якутии — 230 м, в бассейне р. Вилюя — 800 м. Температура мерзлых пород непостоянна. Так, в Якутии она изменяется от -3 до -7 °С.
Относительно суровые климатические условия в большинстве районов залегания россыпей обусловливают также глубокое сезонное промерзание поверхности россыпей. Существенное влияние на промерзание пород оказывают температура воздуха, ветровой режим, толщина снежного покрова, теплопроводность и влажность пород, характер естественного покрова (трава, кусты, лес, мох, торф, каменистость и др.), уровень грунтовых вод и другие факторы. В зонах распространения многолетней мерзлоты оттаявшие за лето породы зимой обычно вновь промерзают на полную мощность. Эти особенности оказывают отрицательное влияние на эффективность разработки россыпей в районах Сибири, Якутии и Северо-Востока, предопределяя необходимость осуществления специального комплекса мероприятий по оттаиванию многолетней и сезонной мерзлоты и предохранению поверхности россыпи от повторного сезонного промерзания.
Применяемые на практике способы оттаивания различаются по источникам используемой энергии, виду теплообмена, технологическим приемам и техническим средствам.
Для оттаивания мерзлых пород может служить энергия солнечной радиации, атмосферного воздуха, поверхностных вод, различных видов топлива, электроэнергия, тепло недр Земли, энергия ядерных превращений.
Энергия солнечной радиации атмосферного воздуха и естественно нагретых поверхностных вод (несмотря на кратковременность их использования и низкий потенциал) благодаря своей доступности и отсутствию затрат на ее создание является основным источником тепла для оттаивания мерзлых россыпей. Электроэнергия и различные виды топлива по экономическим соображениям обычно применяются в небольших объемах только в холодный период года. Тепло недр Земли и атомная энергия пока не используются для оттаивания мерзлых пород, однако в ближайшей перспективе они могут быть успешно применены для этой цели. Известные способы оттаивания многолетней мерзлоты, область их применения и используемые при этом источники энергии и технические средства приведены в табл. 8.1.

На приисках наибольшее применение получили способы оттаивания мерзлых пород, основанные на использовании естественных источников тепла (солнечной радиации и атмосферного воздуха) и конвективного переноса тепла к массиву пород от естественных и искусственных теплоносителей.
Естественное оттаивание мерзлых пород, основанное на регулировании теплового потока, выгодно отличается от других способов простотой организации работ, сравнительно малыми затратами и высокой эффективностью оттаивания. В комплексе с утеплением поверхности россыпи на зиму этот способ широко применяется для подготовки полигонов.

При разработке многолетнемерзлых россыпей естественное оттаивание обеспечивает выполнение основного объема горных работ. Талый слой накапливается на полигонах, эксплуатация которых намечается в последующие годы, и в случае мощности наносов, меньшей глубины сезонного оттаивания пород. Часто мощность россыпи близка к максимальной мощности естественного оттаивания. В этом случае необходимо до начала промывочного сезона осуществить мероприятия поверхностной тепловой мелиорации. Простейшие из этих мероприятий — механическая уборка снежного покрова (что обеспечивает оттаивание галечников в течение мая на глубину 0,7—0,8 м) или зачернение его угольной крошкой, сажей либо шлаком с гравием. Оптимальный расход угольной крошки — около 300 г/м. Следует иметь в виду, что чрезмерно ранняя уборка снега способствует переохлаждению верхних слоев пород. Поэтому в северных районах снег целесообразно убирать во второй половине апреля.
Весьма заметно скорость оттаивания увеличивается после удаления растительности, кустарников, мха, почвенного слоя, мелкозернистых песков. В случае предварительной уборки почвенно-растительного слоя галечно-гравийные породы за летний период успевают оттаять на глубину 2—3 м. Идеальное использование тепла солнечной радиации и атмосферного воздуха на оттайку имело бы место при непрерывном снятии талого слоя с поверхности полигона. Однако послойное удаление тонких слоев оттаявших пород бульдозерами малоэффективно. Толщина талого слоя при бульдозерной выемке должна быть не менее 0,1 м (особенно, если породы представлены льдонасыщенными илами, приобретающими в талом состоянии текучепластичную консистенцию). В этой связи заслуживает большого внимания технология гидросмыва оттаявших мелкодисперсных сильнольдистых пород. Это метод характеризуется малой энергоемкостью размыва и возможностью эффективного самотечного транспортирования оттаявших песчано-пылеватых и илистых пород при соблюдении повышенных требований к очистке сточных вод.
При естественном оттаивании слоя торфяников с линзами супесей и суглинков мощностью менее 1,5 м следует применять бульдозерную послойную выемку с солнечным оттаиванием (преимущественно в мае — июне). При большой мощности слоя (более 1,5 м) и наличии льдистости в комплексе с послойной бульдозерной выемкой целесообразно применять безнапорный гидросмыв с попутным кондуктивным оттаиванием пород, смываемых открытым водным потоком (в течение любого летнего месяца). Для безнапорного размыва и гидросмыва пород можно применять воду с температурой плюс 0,5 °C и выше. Удельный расход воды (на 1 м породы) при этом зависит от ее температуры, протяженности фронта размыва, гидравлических характеристик потока и практически колеблется в пределах 50—80 м3.
Применение безнапорного гидросмыва для удаления слоя многолетнемерзлых торфяников с линзами супесей и суглинков, залегающих над галечно-гравелистыми отложениями, возможно на террасах речных долин с продольным уклоном 0,002 и более при наличии водного потока с расходом не менее 0,5 м3/с. Ложем потока служат галечники, остающиеся неразмытыми, одним берегом — размываемые снизу торфяносупесчаные породы, а другим — дамба из галечников высотой до 1,5 м. По мере отступления размыва дамба, прижимающая поток, перемещается бульдозером. Благодаря этому русло потока вновь сужается. Рабочий отрезок потока располагается по ширине полигона, а надвигание потока с дамбой происходит по уклону долины. Месячная производительность гидросмыва при работе одного бульдозера и среднем расходе воды 1,5 м3/с достигает 30 тыс. м3.
Фильтрационно-дренажное оттаивание мерзлых пород обеспечивает относительно высокие экономические показатели в тех районах, где температура воздуха характеризуется суммой более 1000 положительных градусосуток и где имеются источники водоснабжения, из которых возможен отбор воды со средней температурой не ниже 5 °C за 100 сут в период летнего сезона. Этим условиям отвечает преобладающее большинство горных рек и крупных ключей Северо-Востока страны и Восточной Сибири. Однако для оттаивания пород на заданную глубину в ряде случаев одного летнего сезона бывает недостаточно. Тогда оттаивание продолжается в течение второго, а нередко и в течение третьего летнего сезона.
Комплекс мероприятий по обеспечению фильтрационно-дренажного оттаивания многолетнемерзлых пород организационно представляет собой совокупность горных и гидротехнических работ, осуществляемых для создания безнапорного фильтрационного потока, питаемого в течение теплого периода года естественно нагретыми водами поверхностных водоемов, поступающими на полигон самотеком по сети заранее проверенных оросительных канав. Возможны также принудительное водоснабжение оросительной сети и искусственное понижение уровня воды в устьевой части дренажной системы низконапорными высокопроизводительными насосами. Теплоносителем служит свободный горизонтальный фильтрационный поток в толще оттаиваемых пород, дренируемый затем соответствующими горными выработками — дренажными канавами. В процессе оттаивания верхняя граница мерзлых пород под действием фильтрационного потока перемещается на глубину, достигая со временем поверхности коренных или непродуктивных пород (плотика).
С наступлением холодов подача воды на полигон прекращается. Дренажные канавы собирают воду из верхних горизонтов талого слоя, осушение которого исключит возможность образования льдонасыщенных прослоев при сезонном промерзании, если уровень грунтовых вод в течение зимнего периода останется пониженным. В зависимости от гидрогеологических особенностей россыпи и рельефа местности расположение оросительных (питающих) канав (рис. 8.1) может быть поперечным односторонним тупиковым, поперечным двусторонним тупиковым, зигзагообразным проточным и продольным проточным. Тупиковые оросители располагаются на расстоянии 20—30 м друг от друга перпендикулярно к дренажной канаве. Они в основном применяются при уклоне полигона более 0,005, направленном параллельно дренажной системе. Глубина тупиковых канав должна быть не менее 0,7 м, а слой воды в них — не менее 0,5 м. Питающая канава, как правило, располагается на расстоянии 10 м от контура площади оттаивания и снабжается затворами-регуляторами. Продольные оросительные канавы следует применять в тех случаях, когда уклон поверхности от оси дренирующей выработки менее 0,005. Глубина направления таких канав должна быть не менее 0,5 м, что обеспечивается устройством перепадов.

Потребность в воде для орошения определяется расчетом, исходя из условий, что в первый период фильтрационный поток на 1 м канавы должен иметь единичный расход 0,3 м3/ч, а в дальнейшем постепенно он должен возрастать до 5 м3/ ч. Ориентировочно можно принимать, что для оттаивания 1 м3 многолетнемерзлых галечно-гравелистых пород расходуется в среднем от 8 до 13 м3 воды с температурой около 7 °C при загрязненности не более 0,5 кг/м3. Для увеличения скорости оттаивания целесообразно применять подогрев воды в прудах-нагревателях (отстойниках). Примерная норма для определения размеров пруда равна 20 м2 площади водного зеркала на 1 м3/ ч расхода воды. Глубина пруда должна быть не менее 0,5 м.
Дождевально-дренажный способ оттаивания мерзлоты является разновидностью фильтрационно-дренажного способа.
В зависимости от рельефа местности, условий теплообмена, приемов орошения и дренирования применяются следующие виды дождевально-дренажного способа оттаивания (рис. 8.2):
• оттаивание пород в целике на горизонтальных участках с использованием дренирующей выработки;
• оттаивание пород в целике на наклонных участках без применения глубоких дренирующих выработок;
• оттаивание многолетнемерзлых конусообразных отвалов водопроницаемых и малонасыщенных льдом пород;
• оттаивание льдонасыщенных пород дождеванием оборотной водой с откачкой ее из дренажного колодца;
• оттаивание пород со слабой водопроницаемостью длинноструйным дождеванием с послойным удалением оттаявших слоев.

Дождевально-дренажный способ оттаивания может применяться для подготовки многолетне- и сезонномерзлых пород в период летнего потепления, т. е. с момента перехода среднесуточной температуры воздуха через 0 °C (весной) и до момента ее понижения до 0 °C (осенью). При этом допускается использование любого из перечисленных видов оттаивания для галечных, гравелистых и песчаных пород в естественном залегании (в целике) при коэффициенте фильтрации не менее 50 м/сут. Оттаивание же отвалов возможно при коэффициенте фильтрации не менее 20 м/сут. В случае меньшей водопроницаемости пород оттаивание дождеванием возможно при условии систематического удаления оттаявших слоев.
При оттаивании целиковых пород естественного залегания на полигоне проводятся подготовительные работы. С поверхности за контур полигона удаляются почвенно-растительный слой и покровные торфяно-илистые и супесчаные породы. Плохая зачистка водопроницаемых гравийно-галечных пород резко ухудшает условия конвективного теплообмена и затрудняет процесс оттаивания. Сеть дренажных выработок устраивается так же, как и при фильтрационно-дренажном оттаивании. Если к дождеванию намечается приступить в начале лета, то в апреле следует провести уборку снега. До начала основных работ необходимо также подвести электроэнергию, установить насосную станцию, смонтировать систему водоводов и разбрызгивателей, пробурить контрольные скважины (из расчета одна скважина на 500 м2 площади оттаивания). Вода в источнике, используемом для дождевания, должна быть относительно чистой (концентрация взвесей до 0,5 кг/м3).
Насосная станция устанавливается либо непосредственно у источника водоснабжения, либо у зумпфа, соединенного с этим источником канавой.
Магистральные и распределительные трубопроводы монтируются из стальных тонкостенных труб с быстроразъемным соединением. Распределительные трубы имеют отводы со штуцерами к дождевальным насадкам (разбрызгивателям) на расстоянии 15 м друг от друга. Наиболее рационально производить разбрызгивание с установкой насадок на высоте около 1 м над поверхностью в шахматном порядке по сетке 7x8 м при дождевании на высоту 5 м.
Гидроигловое (или фильтрационно-игловое) оттаивание осуществляется за счет теплоотдачи восходящих фильтрационных потоков, которые создаются путем нагнетания воды через погруженные на необходимую глубину в мерзлый массив пород вертикальные трубы-гидроиглы (рис. 8.3). Среди способов оттаивания, основанных на конвективном теплообмене, гидроигловой наиболее распространен (несмотря на относительно высокую его трудоемкость). Он дает удовлетворительные результаты в достаточно широком диапазоне мерзлотно-гидрологических условий, позволяя в приемлемые сроки оттаивать мерзлоту на глубину до 50 м. Другим его достоинством является возможность управления процессом оттаивания посредством изменения технологических параметров.

Этот способ оттаивания применяется в следующих случаях:
• на полигонах с преобладанием суглинистых и супесчаных пород с коэффициентом фильтрации менее 50 м/сут при необходимости оттаивания на глубину, большую возможной глубины естественного оттаивания за счет тепла солнечной радиации;
• при необходимости оттаивания мерзлых отложений за короткий срок (от 1—2 мес. до одного летнего сезона), в течение которого другие способы оттаивания не обеспечивают окончания работ;
• на дражных полигонах с мощностью мерзлых наносов более 8 м, где дренажные способы не могут обеспечивать их оттаивание за отведенный промежуток времени.
Гидроигловое оттаивание может производиться с естественной температурой, искусственно нагретой водой и оборотной водой с подогревом. Источником водоснабжения может служить любой местный водоем, характеризующийся наиболее высокой температурой воды и минимальной загрязненностью ее взвесями, возможностью длительного периода расхода воды с момента перехода температуры ее через 1 °C (весной) и до понижения ниже +2 °C (осенью). Водоснабжение осуществляется с использованием естественного напора (при благоприятном рельефе) и насосных установок при напоре 30—70 м и расходе 300—3000 м3/ч.
При оттаивании искусственно нагретой водой применяются паровые котлы, специальные нагревательные устройства и электрические нагреватели. Площадь нагрева такого котла определяется из расчета 0,7 м2 на одну иглу. Электронагреватель воды должен иметь мощность 3—4 кВт на одну иглу. Температура воды, поступающей к иглам, должна находиться в пределах 15—30 °С.
Технология гидроиглового оттаивания предусматривает буровое погружение игл на глубину, равную или несколько меньшую мощности оттаиваемого слоя. Гидроиглы располагаются в шахматном порядке, на одинаковом расстоянии lи одна от другой, называемом шагом. При этом расстояние между смежными рядами игл составляет 0,866lи, а область влияния одной гидроиглы в плане представляет собой правильный шестиугольник площадью 0,866lи.

Электрооттаивание мерзлого грунта глубинными электродами — один из наиболее приемлемых способов работ на месторождениях, расположенных вблизи источников дешевой электроэнергии (рис. 8.4).
По своей сущности он является упрощенным и усовершенствованным способом электропрогрева грунта вертикальными поверхностными электродами. Основная идея этого способа заключается в том, чтобы изолировать от наружного воздуха тепло, выделяемое при прохождении тока через грунт, и тем самым свести на нет потери тепла в атмосферу.
При данном способе электроды забивают на всю толщу мерзлого грунта так, чтобы 5—10 см электродов вошли в незамерзший грунт (рис. 8.4, а и б). При замыкании электрической цепи ток (напряжением 220—380 В) пойдет по талому грунту под мерзлым слоем. Под воздействием выделяемого в талом грунте тепла будут оттаивать вышележащие слои мерзлого грунта.
По мере оттаивания эти слои превращаются в проводники электричества и сами начинают выделять тепло. Таким образом, толща мерзлого грунта оттаивает снизу вверх; вышележащий слой мерзлого грунта и снег служат термоизоляторами и почти устраняют потери тепла в атмосферу.
Глубинные электроды представляют собой стержни из круглой арматурной стали диаметром 19—20 мм, заостренные с одного конца (угол заострения 15—25°); с другого конца в стержнях имеются отверстия диаметром 3—4 мм (рис. 8.4, в) для пропуска электропровода. Острым концом закаленные электроды вбивают в мерзлый грунт электроотбойным молотком КНШ или отбойным пневматическим молотком ОМСП-5 в шахматном порядке. Соединять электроды следует по схемам, показанным на рис. 8.4, г. Расстояния между любыми двумя ближайшими электродами в любом месте площадки должны быть одинаковыми, что возможно только при соотношении b = 0,866a, где b — расстояние между рядами электродов; а — расстояние между электродами в ряду.