К расчету параметров технологии подготовки искусственных сушенцовых полигонов при разработке россыпных месторождений

В статье представлена методика расчета параметров технологии подготовки искусственных сушенцов при разработке россыпных месторождений

Природные сушенцовые зоны, как правило, приурочены к русловой фации аллювиальных отложений. Причем до начала отрицательных температур на таких отложениях существовали хорошие условия для их дренирования. Одним из факторов, снижающим возможность создания искусственных сушенцовых зон, является проницаемость торфов, связанная с содержанием глинистых минералов. Максимальное содержание глины в торфах не должно превышать 5 % [1].

Технология подготовки искусственных сушенцов состоит из двух основных элементов: оттаивания мерзлых торфов (обычно фильтрационно-дренажным способом или с помощью буровых скважин) и уменьшения влажности отложений до критической величины (3,5 %) при помощи дренирования оттаянного массива. После этого торфа готовы к круглогодичной разработке любой землеройной техникой без предварительного рыхления.

С целью расширения области применения этого способа были проведены лабораторные, а позднее опытно-промышленные исследования по подготовке искусственных сушенцов с содержанием глины в торфах до 15 %.

Идеей работы явился способ подготовки сушенцовых зон с предварительной фильтрацией в массиве россыпи активированного раствора реагента (АРР) [2]. В качестве фильтрующейся жидкости использовался реагент - хлорное железо.

После обработки результатов лабораторных экспериментов получена зависимость коэффициента фильтрации торфов от содержания в них глинистых частиц после их обработки АРР

, (1)

где С_гл – содержание глинистых минералов, %.

В промышленных условиях эксперименты проводились на одном из россыпных месторождении Саха (Якутия). Выбор способа питания фильтрационного потока (АРР) принимался в зависимости от типа разреза, толщи мерзлых пород, их мощности и характера рельефа участка россыпи. Дренажные канавы (рис.1) применялись при заданной глубине оттаивания до 6 м.

Контроль над процессом осушения торфов осуществлялся путем измерения уровней фреатической поверхности в пьезометрических скважинах. Для определения остаточной влажности торфов перед наступлением сильных холодов проходили контрольные канавы с отбором и опробованием образцов. Если влажность торфов была меньше критической, то полигон считался готовым к круглогодичным вскрышным работам.

Поглощающие буровые скважины применялись при глубине оттаивания до 8 метров и содержании в толще торфов линз слабопроницаемых пород.

Фильтрационно-дренажное оттаивание по своим технологическим и организационным характеристикам наиболее простой способ оттайки. Практически фильтрационно-дренажная оттайка применяется при необходимой глубине оттаивания не превышающей 5- 6 метров, хотя доказана возможность достижения глубины до 8м.

В ходе промышленных экспериментов было установлено, что кроме расстояния между дренами, продолжительностью обработки торфов АРР на скорость и себестоимость фильтрационно-дренажной оттайки оказывает влияние и глубина дренажных канав.

Установлено, что при увеличении расстояния между дренажными канавами в несколько раз превышающего глубину оттаивания, скорость оттаивания становится недостаточной, что требует увеличения глубины заложения горизонтальных дрен до 3 м (при мощности подготавливаемого пласта сушенцов до 6м).

При этом рассматривают два варианта расчета. Первый - предусматривает, что массив торфов однородный с равномерным содержанием глинистого цемента. Второй – предусматривает неоднородное содержание глины в торфах (слоистые породы).

При фильтрационно-дренажном оттаивании в однородном массиве торфов (первый вариант расчета) имеет место равномерная установившаяся фильтрация, при которой линии тока фильтрующегося активированного раствора реагента (АРР) являются параллельными прямыми. При такой фильтрации форма и размеры живого сечения потока не изменяются по его длине. Так как границы подготавливаемого полигона не создают особых условий для сил сопротивления, то движение АРР во всей области фильтрации будет одинаковым.

В случае конформного отображения области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону плотика i=tgα. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности плотика и равен уклону (i), а потому скорость фильтрации в любой точке россыпи составит

(2)

Фильтрационный расход АРР

(3)

Или с учетом (1)

, (4)

При фильтрационно-дренажном оттаивании имеет место горизонтальная дрена, т.е. случай симметричной фильтрации. Поэтому при определении области приведенного комплексного потенциала фильтрации примем за плоскость сравнения напоров плоскость горизонтальной дрены. В этом случае живое сечение фильтрационного потока прямоугольное, тогда

, (5)

Из формулы (4) удельный расход составит

(6)

Отсюда расстояние между канавами составит

_, (7)

С учетом реологических свойств фильтрующей жидкости расстояние между горизонтальными дренами можно определять по формуле

, (8)

где - вязкость активированного раствора реагента, мПа*с; - вязкость воды, мПа*с; - коэффициент гравитационной водоотдачи, доли ед.

При использовании буровых скважин правильно будет воспользоваться уравнениями осесимметричной одномерной фильтрации [3] в цилиндрических координатах , (9)

После интегрирования этого уравнения получим величину напора

_, (10)

где h_о - напор в самой скважине, м; r - цилиндрические координаты движения активированного раствора реагента по оси (r).

Полученное выражение является уравнением кривой напоров при фильтрации к скважине. Уравнение кривой напоров для случая оттока от скважины (поглощающая скважина) имеет вид

_, (11)

Из последнего уравнения, полагая, что на расстоянии R от скважины h=H, получим формулу для расхода, поглощаемого скважиной

, (12)

Как видно из формулы (12), для определения искомого расстояния R от скважины необходимо знать напор потока, расход и реологию фильтрующегося АРР

, (13)

В результате проведенных лабораторных и промышленных экспериментов установлено, что обработка торфов активированным раствором реагента позволяет увеличить скорость фильтрации в 2-4 раза [2]. Достигнутый эффект сделал возможным подготовку искусственных сушенцовых зон на торфах с содержанием глины до 15 %. При увеличении содержания глины в торфах свыше 15 % коэффициент фильтрации снижается до 0,2 м/сут., что исключает возможность реализации разработанной технологии.

Установлено, что при конформном отображении области приведенного комплексного потенциала одномерной установившейся фильтрации, которая происходит в проницаемом пласте торфов при фильтрации несжимаемого активированного раствора реагента, поток имеет свободную поверхность в форме наклонной плоскости с уклоном, равным уклону торфов. В этом случае пьезометрический уклон является уклоном свободной поверхности оттаиваемого массива торфов.

Оттаивание торфов мощностью до 6 метров рекомендуется проводить с помощью наиболее экономичного фильтрационно-дренажного способа. В случае большей мощности торфов (до 8 м.) оттаивать их следует с помощью буровых скважин.

При подготовке искусственных сушенцов на россыпных месторождениях основным видов дренажных выработок являются горизонтальные дрены. При глубине оттаивания значительно превышающей расстояние между дренами, заложение последних должно быть не менее 3–х метров при глубине торфов до 6 метров.

Основными факторами, определяющими расстояние между скважинами или горизонтальными дренами при подготовке искусственных сушенцов, являются содержание глины в россыпи, мощность обрабатываемого и водоносного слоев. Достигнутые в процессе дренирования значения критической влажности 3,5 % , позволили разрабатывать мерзлые торфа даже легкими бульдозерами во время сильных морозов. На участках россыпи, где льдистость торфов не удалось понизить ниже 4,5 %, была успешно использована тяжелая землеройная техника.

Литература:

1. Гидравлическое оттаивание мерзлых пород/ В.Г. Гольдтман, В.В. Знаменский, С.Д. Чистопольский. Труды ВНИИ-1, 1970., т. ХХХ.- 440 с.

2. О применении метода конформных преобразований для расчета параметров технологии искусственных сушенцов./В журнале Сибирского Федерального университета /Техника и технологии. Красноярск: СФУ.-2010, №3(4), С. 396-405.

3. Основы гидрогеологических расчетов / Ф.М. Бочевер, И.В. Гармонов, А.В. Лебедев, В.М. Шестаков. - М.: Недра. 1969. – 369 с.