Подготовка пород к выемке Фильтрационно-дренажным оттаиванием

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРФ

СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

РЕФЕРАТ

ПОДГОТОВКА ПОРОД К ВЫЕМКЕ ФИЛЬТРАЦИОННО-ДРЕНАЖНЫМ ОТТАИВАНИЕМ

                                                                                      Студента3 курса гр. ОГР-91З

                                                                                    специальности «Процессы ОГР»

                                                                                  Логунова Александра Юрьевича

                                                         Магадан 2012г.

Фильтрационно-дренажное оттаивание мерзлых пород происходит в результате теплоотдачи горизонтального фильтрационного потока, который создается в талом слое под действием разности уровней воды в оросителе и дрене. В начальный  период существенное влияние на развитие процесса оттаивания оказывает тепло солнечной радиации. Ввиду относительно небольших напорных градиентов фильтрационного потока способ применим только для оттаивания пород, обладающих в талом состоянии достаточной водопроницаемостью. Этому условию отвечает большинство галечно-гравелистых пород. Ориентировочное минимальное значение коэффициента фильтрации составляет 40—50 м/сутки. Кроме хорошо фильтрующих пород, в оттаиваемую толщу может входить подстилающий плохо водопроницаемый слой мощностью до 1,5 м. Это ограничение обусловлено замедлением оттаивания, так как плотность кондуктивного теплового потока в водонепро­ницаемом пласте уменьшается с его мощностью.

Некоторые затруднения вызывает организация фильтрационно-дренажного оттаивания мерзлых пород, перекрытых водонос­ными таликами. Данный способ требует много времени для про­ведения подготовительных работ и оттаивания, а также наличия источника воды с удовлетворительным дебитом и температурой.

рис.1. Теплофизические зоны, различаемые при фильтрационно- дренажном оттаивании мерзлых по­род:

I — первая зона (контактный слой); 2 — зона неводонасыщенных талых пород; 3 — зона фильтрационного потока; 4 — зона мерзлых водонепроницаемых пород

С теплофизической точки зрения фильтрационно-дренажное оттаивание представляет собой комплекс взаимосвязанных про­цессов тепломассопереноса, протекающих в четырех смежных зонах (рис. 1). В первой зоне имеет место испарение, лучистый и конвективный теплообмен. Во второй зоне (зона неводонасыщенных талых пород) происходит кондуктивное распространение тепла. В зоне фильтрационного потока (третья зона) тепло перено­сится конвекцией и кондукцией (для описания поля скоростей фильтрации служит уравнение Лапласа). Нижняя граница треть­ей зоны подвижна (оттаивающие породы). На ней выполняется условие Стефана [6]. Четвертая зона представлена мерзлыми породами с подвижной верхней границей.

Скорость оттаивания зависит от льдистости, коэффициента фильтрации при оттаивании, начальной температуры пород и воды, длины пути lф фильтрации и напора z.

Известны два метода расчета фильтрационно-дренажного от­таивания [6]. Оба метода исходят из принципа непрерывной смены стационарных состояний температурного поля третьей зоны при пренебрежении молекулярной теплопроводностью в на­правлении фильтрации.

              Согласно более простой методике [5,6] форма зоны фильтра­ционного потока уподобляется пластине, а тепловой поток в мерз­лую толщу осредняется по длине. Относительная теплоотдача фильтрационного потока

(1)

где Hср — средняя мощность водонасыщенного слоя, м.

Анализ величин, входящих в выражение обобщенной безраз­мерной переменной Fo, показывает, что на практике процесс фильтрационно-дренажного оттаивания, как правило, протекает при Fo <0,5. В этих условиях с погрешностью, не превышающей 5%, вместо формулы (1) можно пользоваться простой формулой

   (2)

Как известно, средняя плотность потока тепла от фильтру­ющейся воды к границе мерзлых пород может быть выражена формулой

(3)

Пренебрегая оттоком тепла в мерзлую толщу и дополнитель­ным прогревом пород с поверхности, приращение мощности талого слоя в единицу времени можно выразить формулой

(4)

где Qo — удельная энергоемкость оттаивания, ккал/м3

Подставив выражения (2) и (3) в уравнение (4) и учитывая закон Дарси, получим формулу для расчета средней мощности слоя оттаивания фильтрационно-дренажным способом

(5)

или приближенно

                                                                      (6)

где hн— мощность талого слоя к моменту начала фильтрации воды, м; То — температура воды, °С; t0 — время оттаивания под действием фильтрационного потока, ч; kф — коэффициент фильт­рации пород в талом состоянии, м/ч.

              Непосредственная подготовка к проведению фильтрационно-дренажного оттаивания начинается с удаления деревьев, почвенного слоя и мелкозема с поверхности полигона. Наиболее целесообразно выполнять эти работы в сентябре-октябре, когда мощность сезонно-талых пород максимальна. Площадь полигона должна быть защищена от подтопления паводковыми водами, так как их прорыв приводит к замыву канав.

              Питание и дренирование фильтрационных потоков может осуществляться по нескольким схемам. Выбор той или иной схемы определяется горнотехническими и мерзлотно-гидрогеологическими условиями россыпи. Конечным критерием является экономический расчет. Наиболее широко распространен способ дренирования системой параллельных открытых канав. Достоинства данной схемы заключаются в эффективности действия дренажа, возможности самотечного сброса воды или ее откачки одной централизованной насосной станцией, небольших затратах на проведение канав, возможности частичного выполнения работ по углублению канав в летний сезон. Дренирование канавами рекомендуется применять на больших площадях. Следует избегать пересечения дренажными канавами таликовых зон, сложенными сильноводопроницаемыми породами, с целью избежания  большого притока воды в систему. При откачке воды из дренажных канав насосом необходимо предусматривать раздельные дренажные системы, не пересекающие таликовые  зоны. Дренирование колодцами, оборудованными насосными установками, следует применять на сравнительно небольших площадях, где нецелесообразно проведение дренажных канав, либо в случаях, когда форма оттаиваемого участка и условия рельефа местности неудобны для размещения линейных дренажных выработок. Дренирование рядами скважин может оказаться целесообразным при оттаивании на относительно большую глубину, а также в случаях применения подогретой воды в холодное время года. Питание фильтрационного потока открытыми оросительными канавами целесообразно применять в теплое время года.

При оттаивании пород в холодное время года распределение воды по полигону следует осуществлять напорными трубопрово­дами с орошением короткими иглами либо поглощающими сква­жинами. Разводку воды по полигону напорными трубопроводами с распределением по поверхностным оросителям целесообразно применять при отводе воды из дренажных канав насосами, так как ограничение питания позволяет сократить расход электро­энергии.

Дренажная канава имеет трапецеидальную форму (рис. 2.9). Стенки канавы должны иметь уклон 1 : 1,25 (более крутые стенки могут оплывать под действием фильтрующейся воды). Ширина дна канавы определяется размерами рабочего органа применяемой землеройной техники (наиболее целесообразна ширина 1—1,5 м). На участках с большим расходом ширина канавы определяется гидравлическим расчетом. Приток воды в канаву с одной стороны на 1 м ее длины определяется по формуле

(7)

С увеличением глубины оттаивания приток воды в дренажную канаву возрастает, что необходимо учитывать при расчете пропуск­ной способности канав и насосных установок. Глубина дрениро­вания устанавливается по результатам теплофизических расчетов. В инструктивных указаниях минимальная глубина дрениро­вания принята равной ^/g мощности оттаиваемого слоя. В послед­нее время решен вопрос о целесообразности уменьшения глубины дренажных канав при одновременном пропорциональном увели­чении густоты их заложения. Как видно из формул (5) и (6), скорость оттаивания при этом увеличивается, несколько сокра­щается объем земляных работ, значительно улучшаются условия проведения канав и возрастает возможность самотечного сброса воды. Уменьшение глубины дренирования может при определен­ных соотношениях значений z, ho и 1ф привести к образованию зон замедленного течения и подъему верхней границы мерзлых пород по мере приближения к дренажной канаве. Однако расче­тами и моделированием на электропроводной бумаге установлено, что при z/ho > 0,3 и lф/h0 > 2,5 обеспечивается равномерное оттаивание пород между оросительной и дренажной выработками.

Продольный уклон канавы соответствует уклону долины (спла­нированной поверхности участка), но должен быть не меньше 0,0005.

Проведение канав глубиной 2—3 м производят бульдозерами или тракторными скреперами. При большей глубине канав при­меняются экскаваторы. Часто работы проводят в два этапа. Сна­чала осенью проводят канавы на небольшую глубину, которая сможет обеспечить фильтрацию воды в начале теплого периода. На следующий год по мере оттаивания их постепенно углубляют при работающей дренажной системе и к середине лета доводят до полного проектного профиля. Вынутую при проведении канав породу удаляют за контур полигона или осуществляют ее плани­ровку между бровкой канавы и оросителем с уклоном поверхности к дренажу 0,01. Не рекомендуется оставлять навал породы вдоль канавы, так как после зимнего промерзания она обычно становится водонепроницаемой и в начале теплого периода, когда образуется талый слой, задерживает формирование фильтрационного потока.

При самотечном сбросе воды все дренажные выработки обычно соединяют со сбросной канавой, длина lc которой зависит от про­дольного уклона ic канавы, продольного уклона iд речной долины, глубины hk дренажной канавы и определяется по формуле

(8)

Ширина сбросной канавы по дну определяется расчетом. Зало­жение откосов канавы 1 : 1,5. Уклон канавы не менее 0,0005. Значения пропускной способности канав приведены в табл. 2.6.

В системах с откачкой воды из дренажных канав насосом водо­приемником насосной станции может служить котлован либо колодец, закрепленный деревянным срубом. Глубина водоприем­ника должна быть на 1 —2 м больше глубины дренажной канавы для размещения всасывающих труб насосов. Число и производи­тельность насосов должны обеспечивать наиболее экономичный режим фильтрации воды. Для обслуживания насосных установок предусматривается круглосуточное дежурство двух человек.

Питание фильтрационных потоков, как правило, осущест­вляется самотечными оросительными канавами, которые проводят посередине расстояния между соседними дренажными канавами. Если глубина дренирования различна, то ороситель трассируется ближе к мелкой дрене, чтобы скорость оттаивания была одинако­вой по всей площади. В этом случае для расчета расстояния поль­зуются формулой (6). Крайние оросители трассируют по контуру полигона.                                                                                                                                                                                                    Ширина канав по дну принимается равной ширине отвала буль­дозера. Глубина заполнения канавы водой рассчитывается из условия пропуска проектного рабочего расхода. Высотное поло­жение уровня воды в оросителе (относительно поверхности поли­гона) имеет решающее влияние на развитие талика в начальный период. На участках с углубленными оросительными канавами наблюдается сильное запаздывание начала фильтрационного от­таивания, а расход потока очень мал. Наилучшее действие ороси­теля достигается при расположении живого сечения русла в полувыемке-полунасыпи, для создания которой канаву обваловывают низкой дамбой, отсыпаемой вынутой из канавы породой . В этом случае уровень воды в канаве располагается на уровне поверхности полигона или на 0,1—0,2 м выше. Превы­шение гребня обвалования над максимальным рабочим горизон­том воды в канаве принимают в пределах 0,2—0,3 м. Ширина обвалования но гребню для удобства планировки бульдозером должна быть не менее ширины его отвала.

Расход воды, подаваемой в самотечную оросительную систему, регулируется шлюзом на водозаводной канаве. Наиболее просты и надежны в монтаже трубчатые шлюзы-регуляторы. Они состоят 03 одной-двух линий труб, которые укладывают под дамбой, перекрывающей канаву. С верхней стороны каждой трубы уста­навливают плоский скользящий затвор с ручным винтовым подъ­емником. Для распределения воды по ветвям магистральных оро­сителей следует предусматривать стоечно-щитовые регуляторы, монтируемые из сборных бетонных элементов. Изменение расхода достигается закладкой досок в пазы стоек. На концах магистраль­ных оросителей предусматривают сброс излишней воды за пределы полигона через водослив с глухим порогом и отводящую канаву. Переходы оросителей через дренажную канаву выполняют в виде стальной трубы или лотка. На участках подхода канавы к акве­дуку следует применять гидроизоляцию дна и откосов пленкой для уменьшения фильтрационных потерь воды. В случае необ­ходимости выполняют переходы ручьев через сбросную или водозаводную канаву.

За состоянием дренажных и оросительных выработок и темпе­ратурой воды необходимо вести ежедневные наблюдения. Резуль­таты наблюдений должны заноситься в журнал. В случае заили­вания оросительных канав выделяется бульдозер для их очистки или нарезки новых.

Кроме канав, для питания фильтрационного потока можно использовать напорную воду, подаваемую по трубопроводу в по­роды через поглощающие скважины или короткие иглы-инъекторы. Такое питание напорной водой рекомендуется применять при проведении оттаивания подогретой водой в морозный период года.

Затраты на оттаивание мерзлых пород фильтрационно-дренаж­ным способом включают затраты на сооружение дренажно-оросительной сети и эксплуатационные затраты. Затраты на проведе­ние канав составляют от 30 до 90% всех затрат. Удельный объем работ по проведению дренажных и оросительных канав зависит от проектных параметров (глубины дренирования, длины пути фильтрации) и уклона долины. Проектные параметры опреде­ляются мерзлотно-гидрогеологическими характеристиками ме­сторождения: удельной энергоемкостью процесса оттаивания, коэффициентом фильтрации пород, температурой воды. Наилуч­шими экономическими показателями характеризуется вариант самотечного сброса воды из дренажных выработок в прилега­ющие отработанные разрезы или на участки с пониженным есте­ственным рельефом (затраты на оттаивание 1 м3 мерзлой породы составляют 0,03—0,05 усл. ед.). В неблагоприятных условиях за­траты на фильтрационно-дренажное оттаивание 1 м3породы могут повышаться до 0,20 усл. ед.

Затраты электроэнергии на откачку воды из дренажной сети зависят от расхода воды на оттаивание 1 м3мерзлой породы, опре­деляемого на основании теплофизического расчета. Ориентиро­вочно расход воды на оттаивание 1 м3 породы может изменяться от 5 до 25 м3.