Обоснование и расчет теплоизоляции для подготовки вскрышных пород к выемке при разработке россыпного месторождения золота Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© И.И. Ковлсков, A.A. Дмитриев, 2013

УДК 622.342.1

И.И. Ковлеков, А.А. Дмитриев

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД К ВЫЕМКЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЗОЛОТА

Обоснован выбор подготовки мерзлых вскрышных пород к выемке при разработке россыпного месторождения золота в суровых северных климатических условиях. Предложен вариант подготовки пород к выемке путем теплоизоляции протаявшего за лето слоя теплоизоляционными плитами из легкого пенополистирола. Произведен расчет оптимальной толщины теплоизоляции с учетом термосопротивления снежного покрова.

Ключевые слова: горное дело, открытые горные работы, россыпное месторождение золота, вскрыша, мерзлая порода, теплоизоляция

Подготовка многолетнемерз-лых вскрышных пород россыпных месторождений к выемке (разупрочнение или рыхление) является одним из наиболее затратных и трудоемких операций технологических процессов при открытой разработке золотоносных россыпей. В условиях относительно мягких климатических условий и небольшой мощности вскрышных пород подготовка их к выемке осуществляется путем оттаивания мерзлых толщ с использованием естественных и искусственных тепловых факторов: солнечная радиация, искусственная оттайка и механическое рыхление с естественной оттай-кой. Наиболее распространенным способом подготовки мерзлых торфов к выемке является послойная естественная оттайка под действием солнечной радиации в сочетании с механическим рыхлением оттаявшего слоя навесными рыхлителями тяжелых землеройных машин. Скорость протаивания мерзлых пород зависит от типа пород, льдистости, температуры воздуха и температуры пород в

массиве. Основным недостатком данного способа является зависимость от погодных условий и уклона рельефа местности к альбедо.

Суровые климатические условия в районах Индигирской золотоносной провинции и севернее, где зимняя температура воздуха может опуститься до минус 60-ти градусов по Цельсии, повышенная льдистость пород, крепко сцементирующая рыхлые отложения, и относительно большая мощность торфов не позволяют в короткий период промывочного сезона вскрыть полигон в одну стадию, используя естественную оттайку с механическим рыхлением. Способ двухстадийной вскрыши торфов, когда первая стадия частичного вскрытия производится в конце теплого периода года осенью, приводит к глубокой проморозке оставшейся части торфов и продуктивного пласта, насыщенных грунтовыми мерзлотными водами позднего стока. Это ведет к значительному росту трудоемкости весенней вскрыши, подготовки и промывки мерзлых песков из-за существенного упрочнения мерзлых толщ за счет сце-

ментирования их льдом и снижения отрицательной температуры массива.

Известны различные технические решения для предотвращения промерзания талого слоя дражных полигонов: затопление подготовленного полигона, сооружение теплоизоляционной защиты путем нанесения замерзающей водно-воздушной пены и т.п. [1, 2]. Однако в условиях сурового климатического пояса восточной Якутии и для россыпей с небольшими запасами для раздельной добычи они не нашли применения. Тем не менее, с появлением всё новых теплоизоляционных материалов и удешевлением известных марок актуальность применения их для предотвращения сезонного промерзания талого слоя безусловно будет расти.

В этой связи интересными представляются исследования, проведенные на прииске «Экспериментальный» объединения "Северовостокзолото'' по предложению В.Г. Гольдтмана в зимний сезон 1964/65 г. Тогда Магаданским институтом ВНИИ-1 впервые были применены полистироловые пенопластовые покрытия для защиты пород от промерзания (Приймак, 1966) [3]. Площадка размером 15*30 м была застилано слоем пенопласта толщиной 0,15 м. На конец апреля промерзание составила 2,5 м, тогда как в естественных условиях - более 3,6 м. Наибольший интерес вызвал то, что сезоннопромерзший слой под утеплением полностью оттаял в начале июня, а на участке в естественных условиях оставался всё еще слой мерзлоты мощностью более 2 м! По утверждению авторов, эти работы показали, что предохранение пород от промерзания пенопластовыми щитами обеспечивает лучшее качество подготовки полигонов для разработки: на вскрышных работах утепление пенопластовыми щитами обеспечива-

ет увеличение продолжительности сезона работы землеройных машин по талым породам на 34-45 дней.

Если 20-30 лет тому назад такой теплоизоляционный материал как пе-нополистирол считался дорогим и дефицитным материалом, то современные строительные технологии позволяют широко применять его для различных задач борьбы с потерями тепла. Пенополистирол обладает высокой пористостью и хорошо предохраняет полигон от промерзания. Прост в эксплуатации, легко и быстро укладывается и разбирается, возможно его многоразовое использование. Слой пенополистирола толщиной 30-50 см существенно отдаляет начало замерзания грунта и ускоряет процесс оттайки весной. Однако его практическое применение в горном деле для предотвращения промерзания сезонно талого слоя при открытой разработке россыпных месторождений Якутии пока не наблюдается.

В качестве конкретного примера реализации способа использования теплоизоляционных плит при открытом способе разработки золотоносной россыпи рассмотрим горнотехнические условия типичного аллювиального месторождения одного из притоков р. Антагачан. Годовой план по объему торфов составляет 1300 тыс. м3 при колебаниях мощности от 4 до 7,5 м. По проектному решению всрышные работы следующего сезона начинаются после окончания промывочного сезона в конце сентября длительностью до двух месяцев. Остав-щаяся часть вскрыши дорабатывается в следующий весенне-летний период.

В предлагаемом варианте подготовки вскрышных пород к выемке с использованием теплоизоляционного слоя преследуется следующая основная задача: обеспечение максимальной аккумуляции вскрышным масси-

Таблица 1

Показатель среднегодовых замеров метеоданных в районе деятельности предприятия [4]

№ Месяц Мощность Температура Температура Плотность

снежного воздуха, °С поверхности теплового потока в

покрова, см пород, °С массиве, ккал/м2

1 Октябрь 23 -14,6 -2,6 484

2 Ноябрь 52 -35,2 -5,4 507

3 Декабрь 68 -44,8 -12,5 620

4 Январь 73 -47,1 -14,9 487

5 Февраль 84 -39,9 -15,2 368

6 Март 93 -27,3 -10,3 -

7 Апрель 92 -12,3 -5,2 -

8 Май 39 - - -

Средняя 65,5 -31,6 -9,44 493,2

вом естественного теплопритока за летний период и минимальных потерь тепла в атмосферу в зимний период. Для интенсификации теплообмена массива вскрышных пород с атмосферным воздухом и солнечной радиацией с полигона следующего года с началом теплого летнего периода удаляется растительный слой. К окончанию промсезона с наступлением холодов начинается укладка теплоизоляционного слоя на полигоне. До укладки теплоизоляционных плит вдоль всего полигона проходится дренажная канава и при необходимости сооружаются поперечные разрезные дренажные канавы для удаления излишков воды и создания исскуст-венных сущенцов. Нижний конец дренажной канавы выводится в нижерасположенный отстойник или в отработанные площади. При невозможности отвода воды самотеком можно предусмотреть зумф или дренажную скважину. Дренажная откачка воды может длиться вплоть до середины декабря в связи с постепенным протаиванием нижних слоев вскрышных пород. После обустройства дренажной системы на поверхность полигона настилаются тепло-

изоляционные плиты и фиксируются. Стыки плит заполняют породной мелочью для предотвращения циркуляции воздуха. Ниже рассмотрен вариант расчета необходимой толщины теплоизоляционного слоя, предотвращающего промерзание протаявшего слоя сверху с учетом термосопротивления снегового покрова.

В качестве базового варианта рассмотрен пенополистирол марки ПСБ-С-40 (ГОСТ 15588-70) с плотностью 40 кг/м3. Он устойчив к температурным колебаниям и не боится влаги. Изготавливается термическим спеканием гранул в виде плит заданной толщины. Коэффициент теплопроводности составляет Х= 0,03 Вт/мК.

По данным многолетних наблюдений в районе деятельности старательской артели средняя годовая температура воздуха в период отрицательных температур в зимний период составляет -31,6 °С. Высота снежного покрова, усредненная по Оймякон-скому улусу, составляет 65,5 см. Результаты метеорологических наблюдений приведены в табл. 1.

Для постановки математической модели тепловой задачи примем следующие обозначения:

И1 - толщина снежного покрова, м;

Ь2 - толщина теплоизоляционной плиты, м;

Ь3 - мощность вскрышных пород,

м;

ав - коэффициент теплообмена, Вт/мК;

^ - допустимая температура промерзания пород, °С;

- температура поверхности пород, °С;

Хг коэффициент теплопроводности снежного покрова, Вт/мК;

Х2 - коэффициент теплопроводности теплоизоляционной плиты, Вт/мК;

Х3 - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/мК;

а - плотность теплового потока, ккал/м .

Процесс теплопередачи кондук-тивным способом подчиняется закону теплопроводности Фурье:

д = -\gradT. (1)

Допустим, что температура на поверхности теплоизоляционной плиты под снежным покровом равна величине температуры на поверхности породного массива при естественных условиях. Тогда, принимая во внимание равенство плотности тепловых потоков через снежный покров и теплоизоляционную плиту, получим выражение для толщины плиты, обеспечивающий сохранение талого состояния протаявшего породного массива:

^ = ^2(^ТИ - ^П)

^ти)

В "-ти

0,03(9,44 - 0)

• 0,655 = 0,09

0,1(31,6 - 9,44)

С учетом заложения коэффициента запаса по строительным нормам получим: Ь2= 27 см.

Произведем расчет, учитывая измеренные значения плотности тепло-

вого потока в период отрицательных температур за месяц (табл. 1.) д = 493,2 ккал/м2.

Переведя плотность потока на единицу времени, получим

а * = 493,2 = 0,69 кшл / М2Ч =

4 30•24 = 0,81 Вт / м 2

Учитывая закон Фурье, вставляя исходные данные уравнения (1),

получим:

ЯгХ,Г 0.03(9,44- 0) --^---ад!-

Таким образом, учитывая результаты двух вариантов расчета необходимой толщины теплоизоляционных плит принимаем окончательное значение Ь2 = 0,35 м.

Проведенные технико-экономические расчеты показывают, что затраты на приобретение и наладку установки для изготовления пенополистироль-ных плит необходимой производительности соизмеримы с затратами на фонд заработной платы машинистов тяжелой техники, занятых на операции механического рыхления вскрышных пород, а затраты на укладку теплоизоляционных плит соизмеримы с расходами на моторные, трансмиссионные и смазочные масла этих же машин в период этой работы. Соответственно все затраты на потребление дизтоплива этих тяжелых землеройных машин, участвующих на механическом рыхлении, составляют фактический экономический эффект от внедрения варианта с теплоизоляцией полигона в размере 8 млн. руб. за счет снижения затрат на подготовку пород к выемке способом механического рыхления.

Таким образом, путем рационального использования естественных тепло-притоков и используя современные теплоизоляционные материалы для снижения непродуктивных потерь тепла

при незначительных капитальных вложениях на приобретение установки по изготовлению теплозащитных плит можно значительно снизить расходы на

механическое рыхление вскрышных пород и продуктивных песков, и получить существенный экономический эффект.

1. Техника и технология подготовки многолетнемерзлых пород к выемке /В.И. Емельянов, А.Ф. Назарчик, Г.З Перльштейн и др. М.: Недра, 1978. - 280 с.

2. Пятаков В.ЛНаучно-методическое обоснование интенсификации процессов дражных разработок многолетнемерзлых россыпных месторождений неглубокого залегания: автореф. дисс. д-ра техн. наук. М., 1994. - 39 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Павлов A.B. Расчет и регулирование мерзлотного режима. - Новосибирск: Наука, 1980. -240 с.

4. Павлов A.B.ß.A. Оловин. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей. - Новосибирск: Наука, 1974. -182 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ковлеков Иван Иванович - доктор технических наук, профессор каф. ОГР, [email protected]

Дмитриев Андрей Андреевич - горный инженер, ст. преподаватель каф. ОГР, [email protected]

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Амосова.

А

ГОРНАЯ КНИГА

Материаловедение

Автор: Шубина Н.Б., Белянкина О.В., Набатников Ю.Ф. Год: 2012 Страниц: 162 ISBN: 978-5-98672-224-5 UDK: 620.1:622.232 Цена: 270.00 руб.

Приведены методические и справочные материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ, практических занятий, самостоятельных научных исследований. Все работы изложены по единой схеме, предусматривающей сообщение кратких сведений по теории рассматриваемой темы, методические указания по выполнению и оформлению работ. Представленные в пособии тестовые материалы способствуют самоконтролю, выявлению наименее усвоенных разделов дисциплины и последующей успешной сдаче экзамена.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения» направления подготовки «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Может быть полезно аспирантам и инженерам.