Файл: Павлов, А. В. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей.pdf

В 1918 г. Д . Майлс впервые предложил оттаивание напорной водой, забираемой из естественных водоемов и подаваемой в грунт с помощью металлических игл. Этот способ, получив­ ший в нашей стране название пгловой гндрооттайки (или фильт- рационно-игловой), прошел первые промышленные испытания на Аляске в 1920—1921 гг. и за несколько лет вытеснил приме­ няемые ранее малопроизводительные и дорогие способы оттаи­ вания. Питание игл осуществляют водой из водоемов с естест­ венной температурой, достигающей в июле — августе 10—14°. Для водоснабжения нойнтов строят капитальные сооружения с мощными насосными станциями, трубопроводами и устройст­ вами для очистки воды от механических примесей. В СССР

очистные сооружения обычно не делают. В американской практике иглы до недавнего времени погружали вручную по мере оттаивания пород до плотика (Макфарленд, 1964).

В 1938 г. американская компания «Аллювпал Голд ИНК» провела на Аляске первые промышленные испытания радиа­ ционного способа оттаивания на дражных полигонах. В весенне­ летний сезон был удалеп непродуктивный илисто-торфяной слой. К осени вся толща продуктивных галечников протаяла полностью. Зимнее промерзание галечников не превышало 2,4 м, поэтому нижняя часть россыпи осталась талой. После этого началось оттаивание многолетнемерзлой породы до пло­ тика россыпи. Пэтти (Patty, 1951) отмечает, что для радиацион­ ного оттаивания россыпи на глубину 3,0—3,5 м необходимо проводить удаление торфов с опережением на один год, а на глубину 7,0—7,5 м — не менее трех лет. Но эти рекомендации Пэтти считает слишком общими, так как глубина протаивания зависит от свойств пород и других изменяющихся факторов. Солнечное оттаивание намного дешевле способа Майлса и час­ тично вытеснило его.

Для предотвращения зимнего промерзания на ряде полиго­ нов использовалось затопление водой. Теплоизоляционные покрытия, видимо, не применялись для защиты полигонов на зиму от промерзания. Во всяком случае о них не упоминается в литературе.

Радиационное оттаивание и игловая гидрооттайка мерзлых пород в 40—50-е годы являлись основными способами на Аляске и севере Канады. Применялись и другие способы гндрооттайки, но не в горном деле, а в строительной практике. Так, инж. В. А. Кранер впервые предложил в 1947 г. дождевание оттаи­ вающих грунтов с целью укладки их в тело плотины (Journal construction methods, 1948).

Опыт использования различных способов оттаивания мерз лых пород, применяемых в Северной Америке в 40—50-е годы, наиболее полно освещен в работах Пэтти (Patty, 1945),0.’Нейли

(O’Neill, 1954), Кроуфорда (Crawford, 1948) и других зару­ бежных авторов. Обзор работ по способам оттаивания в Север­

44

ной Америке за этот период дан в русской литературе В. II. Вакакиным (1948) и С. М. Фотиевым (1957).

Обнажение продуктивных отложений россыпи в Американ­ ской субарктике производили преимущественно послойным оттаиванием и удалением талого грунта средствами малой меха­ низации (бульдозеры, скреперы и др.), т. е. так же, как и на Крайнем Севере и Северо-Востоке нашей страны. Однако в за­ рубежной практике в долинах рек с достаточным летним расхо­ дом воды послойное удаление мохо-торфяного слоя нередко заменяют гидросмывом.

К 50—60-м годам, а во многих бассейнах рек и значительно раньше основная часть неглубоко залегающих россыпей была отработана. В капиталистических странах почти вся добыча золота сейчас производится подземным способом; из россыпных месторождений добывается всего около 2%. На Аляске в рай­ оне Фербенкса (Повышение эффективности дражньтх работ, 1965). и Северной Канаде в бассейне р. Клондайк на террито­ рии Юкона (Макфарленд, 1964) до последнего времени глубокие россыпи обрабатывались драгами.

Врайоне Фербенкса верхний слой пустых пород мощностью до 30 м оттаивали холодной водой с применением игл. Разра­ ботку талого слоя вели гидромониторами при мощности забоя около 3 м, а следующий талый слой мощностью от 3 до 15 м удаляли шагающим драглайном. Продуктивный слой мерзлых песков мощностью 16—16 м оттаивали иглами и перерабаты­ вали драгами.

Врайоне р. Клондайк 8 драг перерабатывали золотосодер­

жащие пески, перекрытые пустыми породами мощностью от 3 до 20 м. Вначале групт оттаивали паровыми пойнтами, позднее— иглами с применением воды естественной температуры. Шаг между иглами был выбран равным 4,8 м, иногда увеличивали до 7,2 м. В литературе имеется сообщение, что эти драги было намечено остановить в 1966 г. (Mining Congress Jornal. Febru­ ary, 1965).

Способ естественного оттаивания получил наибольшее рас­ пространение при подготовке полигонов, разрабатываемых дражным способом, в комбинатах «Забайкалзолото», «Амурзолото» и «Алданзолото». Основное достоинство его заключается в низкой себестоимости, поскольку вскрыша растительно­ торфяного покрова улучшает условия работы оборудования и дает экономический эффект вследствие увеличения содержа­ ния полезного ископаемого в россыпи. Себестоимость оттаива­ ния 1 м3 горной массы составляет 0,03—0,12 руб. в зависимости от мощности «торфов» и продуктивного пласта, схемы вскрыш­ ных работ и применяемого оборудования, затрат на предохра­ нение пород от зимнего промерзания. Естественное оттаивание может быть применено как на крупно-, так и на мелкодисперс­ ных породах, плохо водопроницаемых в талом состоянии. Тео­

45

ретически этот способ в сочетании с мероприятиями по защите пород от промерзания может быть использован для оттаивания россыпей любой мощности. Однако главный недостаток его заключается в том, что скорость оттаивания с глубиной резко замедляется. Естественное оттаивание начали применять на россыпях малой глубины (до 6—8 м), а в последние годы и на россыпях средней глубины (8—12 м).

Для ускорения таяния снег иногда зачерняют измельчен­ ным углем с добавлением темного песка, золой, шлаком, илом, темной пылеватой породой. Зачернение позволяет сократить период таяния снега на 15—20 дней. Полигон ограждают на­ горными канавами для предотвращения поступления вод по­ верхностного стока. Чтобы удалить талые и дождевые воды с са­ мого полигона, выкапывают неглубокие канавы. Весной поли­ гон расчищают от растительности, кустарника и мохового покрова и тем самым увеличивают скорость протаивания в 2,0— 2,5 раза по сравнению с глубиной сезонного протаивания в естественных условиях. Осенью на расчищенных участках удаляют в один прием весь оттаявший слой породы. В начале лета следующего года проходят бульдозерами в несколько приемов поперек склона дренажные канавы (глубина 0,5—0,7 м, ширина 3 м) на расстоянии 30—60 м, последовательно углуб­ ляя их вплоть до песков, а также водоотводные канавы.

За два-три летних сезона таким путем можно оттаять даже

вусловиях Северной Якутии слой «торфов» мощностью 3—5 м, если в конце каждого теплого сезона снимать оттаявший слой. После удаления торфяного или торфяно-илистого слоя глубина протаивания грунта увеличивается в 2—3 раза. Так, по данным наблюдений В. П. Бакакина на одном из Куранахских приис­ ков в Якутской АССР и К. В. Кошлакова на прииске Комсо­ мольском в Магаданской области, глубина протаивания породы

вестественных условиях составляла всего 60—70 см. При сня­ тии же растительного и мохо-торфяного покрова сезонное протаивание песчано-галечных отложений составляло: в первый год 1,35 м на первом прииске и 1,55 м на втором; во второй год — на обоих приисках 3,3—4,3 м. В районах с небольшой толщей

многолетнемерзлых пород (в несколько метров) иногда удается оттаять путем вскрыши торфов весь продуктивный пласт мощ­ ностью в 3—5 м за четыре-шесть лет (Гарагуля, Чернядьев, 1966), а пласт в 10 м — за 12—16 лет (Крашин, 1966), не при­ бегая к ежегодному удалению оттаявшего слоя осенью.

Обычно опережение горноподготовительных работ перед очистными при способе естественного оттаивания изменяется от одного года до четырех лет. Проведение горноподготови­ тельных работ с опережением более трех лет затрудняется недостатком техники на приисках и ухудшением экономических показателей предприятий вследствие «замораживания» оборот­ ных средств.

46

Способ естественного оттаивания дает наилучшие резуль­ таты, если полигон для предохранения от промерзания на зиму затопляют.

При затоплении строят серию дамб поперек долины. Раз­ меры поперечного сечения плотин следующие: высота 3—5 м, ширина по верху 4—6 м, угол заложения сухого откоса 1 : 1 , 1 :1,5; 1 : 2, мокрого откоса 1 : 2,5; 1 : 3,5. Расстояние между дамбами выбирают в зависимости от продольного уклона доли­ ны в пределах 200—400 м. Для предотвращения утечки воды дамбы рекомендуется строить на участках полигона, сложен­ ных слабофильтрующимися породами (супеси, суглинки) и не нарушенных горными работами. Отсыпку дамб делают послойно. При значительной водопроницаемости основания иногда при­ меняется обратная перекачка фильтрующейся воды (комбинат «Забайкалзолото»). Для снижения фильтрации воды черед ос­ нование плотины на ряде месторождений испытывались противофильтрационные экраны из слабофнльтрующихся пород и синтетических пленок.

Естественное оттаивание с затоплением полигона на зиму водой позволяет в условиях Алданского района Якутии под­ готовить к отработке драгами продуктивный пласт россыпи мощностью в 5—8 м за два-три года.

Объем льда на полигоне можно уменьшить в 2,0—2,5 раза, используя для защиты от промерзания вместо затопления ледовоздушные покрытия. Технология применения их такова. Осенью на участке устанавливают колья или треноги (на рассто­ янии 1—4 м) из круглого леса диаметром 5—15 см и во избе­ жание всплывания нх забивают на 10—20 см. Перед началом заморозков полигон затопляют на глубину 1,0—1,5 м. После того, как образовался лед необходимой толщины (0,2—0,5 м), уровень воды понижают на 0,1—0,3 м и затем уже наморажи­ вают последующие слои льда толщиной 0,08—0,15 м. В резуль­ тате последовательного повторения сброса и удержания воды получают несколько ледяных слоев, удерживающихся на коль­ ях и разделенных воздушными прослойками. Образующиеся во льду вследствие термических и механических деформаций трещины заполняют сеном со снегом. Для уменьшения расхода древесины в комбинате «Алданзолото» в качестве опор устраи­ вали земляные насыпи высотой до 1 м.

Получение многослойных ледовоздушных покрытий, кото­ рые обеспечивали бы наилучшую тепловую защиту, связано с техническими трудностями. Поэтому такие покрытия, требуюющие значительных затрат ручного труда, используются эпи­ зодически. Обычно применяемые двухслойные покрытия (лед —■ воздух) не могут предохранить породы от зимнего охлаждения и глубокого промерзания. Однако технико-экономические по­ казатели способа предохранения пород от промерзания с по­ мощью ледовоздушных покрытий удовлетворительны (табл. 8),

47

Т а б л и ц а 8

Технико-экономические показатели предохранения

■что позволяет надеяться на более широкое их использование. На месторождении р. Унда (комбинат «Забайкалзолото»)

естественное оттаивание сочетают с предохранением пород от промерзания при помощи осушения и рыхления поверхност­ ного слоя. Применение этого способа вызвано тем, что вслед­ ствие значительной водопроницаемости пород оказалось не­ возможным в зимний период поддерживать уровень воды на за­ данной отметке. Рыхление производят на глубину 0,7 м в конце сезона. Оно оказывается наиболее эффективным, если уровень грунтовых вод находится ниже подошвы разрыхленного слоя

(табл. 9).

Т а б л и ц а 9

Глубина сезонного промерзания при рыхлении поверхностного слоя на 0,70—0,75 м (по П. Ф. Стафееву)

Разработка пород, промерзших за зимний период, не пред­ ставляет значительной трудности. В частности, производи­ тельность драг по сравнению со среднегодовой снижается лишь на 10%.

Применение светопрозрачных пленок позволяет сущест­ венно ускорить процесс естественного оттаивания. Этот способ прошел успешные производственные испытания на месторожде­ ниях р. Дарасун и кл. Маловского комбината «Забайкалзо­ лото» и р. Вача кбмбината «Лензолото». Глубина сезонного протаивания пород под пленками на вскрытых от растительности участках увеличивалась на 20% в условиях «Забайкалзолото» (Оловин и др., 1970) и на 50% в условиях «Лензолото» (Ведяев и др., 1967). В процессе эксплуатации пленки происходит ее

48