Разработка эффективных способов подготовки мерзлых пород к выемке и водоподготовки на объектах россыпных месторождений Забайкалья

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 (Q_общ, кДж) составляют

(5)

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

(6)

где с_п - удельная теплоемкость пород, кДж/(кг^.оС); _п, _л - соответственно плотность пород и льда, кг/м³; G - льдистость горных пород, кг/м³; t_т, t_м - соответственно температура талых и мерзлых пород, ^оC; - количество энергии, необходимое для оттаивания 1м³ мерзлых пород, кДж/м³

(7)

где с_л, с_в - 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 (ф, 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 _в - 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; К_б - средний коэффициент относительной боковой теплоотдачи воды фильтрационного потока в талике цилиндрической формы, рассчитывается через критерий теплового подобия Фурье, в приближенных расчетах К_б = 0,4…0,5; t_в - 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 х - средняя скорость движения воды в трубопроводе, х = 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; R_к - радиус камуфлетной полости, м; R_п - 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; К_ф - коэффициент фильтрации пород в канале, м/сут; t_в - температура воды, ^оС; С_в - теплоемкость воды, Дж/(м^3.оC); ф - время оттаивания пород в зоне (R₂ - R₁), сут; К_исп = (t_вх - t_вых)/(t_вх - t_о) - коэффициент теплоотдачи фильтрационного потока; t_вх, t_вых - температура воды, соответственно на входе и выходе фильтрационного потока, ^оС; t_о - температура фазового перехода, ^оС; l_к - длина фильтрационного канала, м; Q_ф - теплота фазового перехода, Дж/(м^3.оС).

Время оттаивания пород (ф_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; R_п - 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 (R_п) по формуле, полученной из аналитического решения указанной модели при модуле объемного сжатия - К_сж = 0,1 Е (здесь Е - модуль упругости),

(15)

где R_к - радиус камуфлетной полости, м; х = / Е; - максимальные касательные напряжения.

Радиус камуфлетной полости определяется по формуле

(16)

где ; с_вв - начальная плотность ВВ (в пересчете на объем 1 пог. м скважины), кг/м³; е_вв - массовая плотность энергии заряда (для аммонита е = 4,18710⁶ Дж/кг); R₀ - радиус скважины, м.

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

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

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 h_ФДО - прирост глубины оттайки фильтрационно-дренажным способом за время (), м.

Рис. 8. Зависимость относительного радиуса оттаивания пород (R₂/R₁) от времени (ф) и гидравлической проводимости фильтрационного канала К_ф/l_к:

1 - К_ф/l_к= 3; 2 - К_ф/l_к= 4; 3 - К_ф/l_к= 5;

4 - К_ф/l_к= 10; 5 - К_ф/l_к= 15; 6 - К_ф/l_к= 20;

7 - К_ф/l_к= 50

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

При условии высокой гидравлической проводимости фильтрационного канала К_ф/l_к >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 (К_п=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).

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 К_ф - водопроницаемость, л/(м^2.с); V₁, V₂, ...V_n - объем 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.

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

Максимальный эффект доочистки воды происходит при продольном фильтровании через Дорнит в капиллярно-сифонном режиме фильтрации (рис. 13). По степени задерживающей способности твердых частиц Дорнит в 2…3 раза превосходит Нетканый геотекстильный материал и 7…8 раз поролон. При капиллярном подъеме (Н_под > 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.

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

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 (Н_под) и перепада уровня воды (Н_пер): ____ -Дорнит; _ _ _-Нетканый; 1 - Н_пер = 0,2 м; 2 - Н_пер = 0,08 м

Таблица 6. Коэффициенты функций парной корреляции удельного расхода воды

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

(21)

(22)

где Н_пер - перепад воды, м; Н_под - 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

4. 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.

5. Повышение экологической безопасности разработки россыпей Забайкалья/Субботин Ю.В.[и др.]//Горный журнал. - 1996. - № 9-10. - С.31-35.

6. Субботин Ю.В. Экологическая экспертиза проектов разработки малых россыпей Забайкалья / А.В.Рашкин, Ю.В.Субботин // Горный журнал. - 1997. - №8. - С. 33-34.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Субботин Ю.В. Комбинированная противофильтрационная защита

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

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.