Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях рыночных отношений Россия, обладающая значительными прогнозными ресурсами, а также разведанными запасами коренного и россыпного золота, имеет существенные экономические предпосылки для интенсификации золотодобычи.
Значительное увеличение объемов добычи драгоценного металла может быть достигнуто в результате интенсивной разработки россыпей, расположенных на Севере и Северо-востоке страны, в районах со слаборазвитой инфраструктурой, неблагоприятным суровым климатом и сложными горно-геологическими условиями.
По оценкам специалистов, за счет более активного вовлечения в открытую разработку глубокозалегающих россыпных месторождений с глубиной залегания пластов свыше 25 м, а также мерзлых россыпей, в песках которых содержится мелкодисперсное золото (d-0,25мм>40 %), илисто-глинистые фракции (d-0,5мм>40 %) и валуны (валунистость более 10 %), объемы добываемого золота в России в ближайшее десятилетие возрастут в 2,5-3 раза и к 2010…2015 гг. превысят 300 т/год. Соответственно на дражных и гидромеханизированных разработках объем перерабатываемой горной массы достигнет 2 млрд. м3/год. При этом потребление оборотной воды на нужды производства и сброс сточных вод в поверхностные водотоки также увеличатся в 1,5-2 раза. Поэтому при добыче и промывке мерзлых золотоносных песков проблема повышения эффективности водоподготовки и подготовки мерзлых горных пород к выемке является наиболее актуальной.
Анализ статистического материала и обобщение результатов ранее выполненных исследований показывают, что процессы доочистки сточных и оборотных вод путем их фильтрования на геотекстильных фильтрах и цеолитах, а также вопросы, связанные с совершенствованием солнечно-радиационного, фильтрационно-дренажного способов оттаивания мерзлых пород и предохранения талых пород от промерзания затоплением при открытой разработке россыпных месторождений исследованы не достаточно полно.
В настоящей работе представлены и обобщены результаты исследований, выполненных в соответствии с комплексной программой Мин ВУЗа РФ «Экологическая технология. Человек и окружающая среда» и планом важнейших научно-технических проблем МЦМ СССР МП-11 «Разработка и внедрение эффективных методов очистки промышленных сточных вод и систем оборотного водоснабжения предприятий цветной металлургии».
Тема диссертации тесно связана с выполненными на кафедре ОГР ЧитГУ госбюджетными и хоздоговорными работами, включенными в отраслевые программы.
Цель и задачи исследований. Главная цель работы состоит в разработке и научном обосновании применения эффективных способов оттаивания мерзлых пород, предохранения талых пород от сезонного промерзания и повышении эффективности оборотного водоснабжения на объектах
россыпной золотодобычи Забайкалья.
В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие основные задачи:
- выполнить критический анализ технологии открытой разработки россыпных месторождений (дражный и гидромеханизированный способы) и обосновать влияние водоподготовки и подготовки мерзлых пород к выемке на эффективность открытых горных работ;
- сгруппировать россыпные месторождения по критериям однородности гранулометрического состава горных пород и обосновать влияние неоднородности рыхлых отложений на степень промывистости, скорость оттаивания мерзлых пород и величину коэффициента фильтрации пород;
- обосновать возможность повышения эффективности солнечно-радиационного оттаивания за счет создания тепловых ванн на дневной поверхности с активацией теплообмена в придонном слое соляного солнечного бассейна, применения бороздовых оросителей и использования синхронно-импульсного электрогидроразрыва пласта;
- разработать методику выбора и расчета оптимальных параметров варианта фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых пород в сочетании с известным взрвывогидравлическим и провести его испытания на одном из дражных полигонов Забайкалья;
- разработать, исследовать на физической модели и внедрить новую технологию создания эффективной противофильтрационной защиты гидротехнических сооружений для предохранения талых пород от промерзания затоплением за счет создания противофильтрационного экрана из геотекстильного материала «Дорнит» и противофильтрационной завесы плотины, созданной путем обработки горных пород растворами химических реагентов Nа-КМЦ и FeCl3;
- разработать методику определения водопритока в горные выработки при использовании противофильтрационных экранов в дренажных траншеях созданных из слабопроницаемых пород в комбинации с геотекстильным материалом;
- провести теоретические исследования, промышленные испытания и обосновать возможность применение геотекстильных фильтров с наполнителем из цеолита для повышения эффективности оборотного водоснабжения при открытой разработке россыпных месторождений Забайкалья.
Идея работы заключается в том, что поставленная цель достигается за счет снижения энергетических затрат и более полного использования солнечной энергии на оттаивание мерзлых пород, снижения фильтрационных потерь и повышения надежности предохранения пород от промерзания затоплением путем создания комбинированных водонепроницаемых завес и экранов в гидротехнических сооружениях, а также снижения уровня загрязнения оборотных вод путем использования геотекстильных материалов и цеолитов в процессах доочистки сточных и оборотных вод.
Методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось с применением современных методов исследований, включая: анализ статистического материала и обобщение результатов ранее выполненных исследований по проблемам технологии открытой разработки россыпных месторождений; патентно-информационные, теоретические, лабораторные и натурные исследования; физическое и математическое моделирование; методы математической статистики и математическая обработка результатов исследований на ЭВМ; опытно-промышленные испытания и технико-экономический анализ.
Объект исследования – физико-механические свойства горных пород, их гранулометрический состав, процессы фильтрации воды и переноса тепла в массиве рыхлых отложений россыпных месторождений Забайкалья.
Предмет исследования – способы оттаивания мерзлых и предохранения талых горных пород от промерзания затоплением, очистка сточных и оборотных вод от загрязнений, противофильтрационные экраны и завесы гидротехнических сооружений, созданные из геотекстильных материалов, химических реагентов и водонепроницаемых пород на объектах открытой разработки россыпей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. На основе выявленных статистических кумулят и аппроксимирующих формул гранулометрического состава рыхлых отложений россыпные месторождения сгруппированы по показателям 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
подтверждается:
- корректным решением поставленных задач;
- необходимым объемом выполненных исследований;
- удовлетворительной сходимостью результатов лабораторных, экспериментальных и теоретических исследований;
- положительными результатами внедрения новых технологий и рекомендаций в рабочие проекты и горное производство (основные предложения и выводы проверены и подтверждены в промышленных условиях ПО «Забайкалзолото», ПО «Приморзолото», старательской артели «Саяны», ОАО СУЭК «Разрез Восточный», ООО «Забайкалзолотопроект-Россыпь» и ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект»).
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Получены количественные зависимости статистических кумулят гранулометрического состава горных пород для россыпей Забайкалья и формулы для определения коэффициентов фильтрации горных пород с учетом неоднородности рыхлых отложений россыпей.
2. Установлены основные закономерности аккумулирования солнечной энергии в придонном слое соляного солнечного бассейна (ССБ), позволяющие обоснованно использовать эффект ССБ для ускорения оттаивания мерзлых горных пород.
3. Выявлены закономерности изменения глубины оттаивания мерзлых горных пород в зависимости от их теплофизических свойств, параметров буровзрывных работ и размеров фильтрационных каналов при взрывогид-
равлическом фильтрационно-дренажном способе оттаивания.
4. Теоретически и методом электроаналогий определена динамика скорости оттаивания мерзлых горных пород при различных способах, а также зависимость себестоимости фильтрационно-дренажного оттаивания мерзлых пород от параметров механического рыхления массива – длины бороздовых оросителей и расстояний между ними.
5. Установлена зависимость эффективности противофильтрационной защиты технологических плотин и дамб на дражных разработках от режимов попеременной обработки пород, концентрации и расхода реагентов.
6. Установлены зависимости степени очистки загрязненных вод от типа фильтровального материала, крупности загрязняющих частиц в фильтрате и режима фильтрации.
7. Определена зависимость изменения удельного расхода воды при ее фильтровании через геотекстильный материал, цеолит и их комбинацию.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
1. Разработана классификация золотоносных россыпных месторожде-
ний Забайкалья, сгруппированных по критериям однородности гранулометрического состава рыхлых отложений, позволяющая на стадии проектирования разработки россыпей с меньшей погрешностью определять по формулам коэффициенты фильтрации пород и с большей надежностью производить выбор способа оттаивания, очистки сточных и оборотных вод.
2. Обоснован и разработан рациональный способ аккумулирования солнечной энергии в придонном слое соляного солнечного бассейна, позволяющий с минимальными затратами ускоренно производить оттаивание мерзлых горных пород.
3. На основе применения тепловых ванн разработан и предложен рациональный способ оттаивания мерзлых горных пород с использованием противотока естественного движения нагретой и охлажденной воды соответственно по скважинам и водозаборным патрубкам.
4. Усовершенствован фильтрационно-дренажный способ оттаивания мерзлых горных пород путем применения его в комбинации либо с взрывогидравлическим способом, либо электрогидроразрывом пласта, либо механическим рыхлением, либо соляными солнечными нагревателями, позволяющий в сложных горно-геологических условиях ускорить подготовку дражных полигонов в весенний период.
5. Обоснован и внедрен способ создания противофильтрационной завесы в плотинах, повышающий эффективность предохранения талых пород от сезонного промерзания затоплением, выполненный на основе попеременной обработки пород плотины растворами Nа-КМЦ и FeCl3.
6. Доказана эффективность применения геотекстильных материалов,
цеолитов и их комбинации в процессах доочистки сточных и оборотных вод при разработке россыпных месторождений.
7. Разработан способ регулирования притока фильтрационной воды в открытые горные выработки в сложных гидрогеологических условиях, основанный на создании водонепроницаемых экранов и завес в гидротехнических сооружениях (плотинах и траншеях) с применением геотекстильных материалов, химических реагентов и водонепроницаемых вскрышных пород – аргиллитов и алевролитов.
Личный вклад автора:
- разработка идеи и определение цели работы;
- постановка задач исследования, разработка теоретической основы методов их решения и анализ результатов;
- разработка теоретических основ для определения статистических кумулят гранулометрического состава рыхлых отложений россыпей;
- разработка способов и устройств, а также физических моделей и лабораторных установок для оттаивания мерзлых пород, предохранения от промерзания и очистки сточных и оборотных вод;
- организация и проведение лабораторных и экспериментальных исследований, опытно-промышленных испытаний и внедрения в промышленное производство предложенных технологий оттаивания, предохранения пород от промерзания затоплением с помощью создания противофильтрационных завес на основе попеременной обработки пород гидротехнических сооружений химическими реагентами, а также доочистки загрязненных вод путем фильтрования через геотекстильные материалы и цеолит;
- обработка результатов исследований и проведение математических расчетов с помощью ЭВМ.
Автор принимал участие (с 1975 г.) в госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах, включенных в отраслевые комплексные программы НИОКР Главалмаззолота СССР.
Практическое внедрение теоретических разработок и способов подготовки мерзлых пород к выемке и водоподготовки осуществлялось при непосредственном участии автора на предприятиях ПО «Забайкалзолото», ПО «Приморзолото», с/а «Саяны», ОАО СУЭК «Разрез Восточный».
Реализация результатов исследований
1. Основные результаты исследований по подготовке горных пород к выемке и по очистке сточных вод от загрязняющих примесей используются специалистами проектно-конструкторских организаций Забайкалья: ООО «Забайкалзолотопроект-Россыпь» и ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект» при проектировании открытой разработки золотоносных россыпных месторождений, а также студентами ГОУ ВПО Читинского государственного университета при выполнении расчетно-графических, курсовых и дипломных работ.
2. На основании опытно-экспериментальных испытаний оттаивания многолетнемерзлых пород (1977 год, полигон драги №166 Дарасунского рудника ПО «Забайкалзолото»), позволивших на 20 дней ускорить пуск драги и увеличить ее среднемесячную производительность на 30 %, по согласованию с Научно-техническим управлением и ВО «Союззолото» МЦМ СССР разработаны рекомендации для внедрения на предприятиях ПО «Забайкалзолото», «Амурзолото», «Северовостокзолото», «Уралзолото», «Енисейзолото», «Якутзолото», «Приморзолото» взрывогидравлического фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых горных пород при подготовке дражных полигонов.
3. Внедрение фильтрационно-дренажного способа оттаивания многолетнемерзлых пород с применением бороздовых оросителей в условиях Софийского прииска производственного объединения «Приморзолото» в 1979 году на полигоне драги №197 позволило увеличить ее производительность на 10…30 % в сравнении с предыдущими 1976…1978 гг.
4. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидротехнических сооружениях на дражных полигонах ПО «Забайкалзолото» драги №166 Дарасунского рудника в 1977…1978 гг. позволило предохранить породы от промерзания затоплением в объеме 180 тыс.м3, улучшить водоснабжение драги, очистку сточных вод.
5. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидротехнических сооружениях на полигоне драги №161 Ксеньевского прииска ПО «Забайкалзолото» в 1979 году позволило получить экономический эффект 40,5 млн.р/год в ценах 2006 г.
6. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидротехнических сооружениях на полигоне драги №165 Ксеньевского прииска ПО «Забайкалзолото» в 1980 году позволило подготовить на начало промывочного сезона более 213 тыс. м3 песков, повысить сезонную производительность драги №165 на 38,7 % и получить реальный экономический эффект 19,8 млн.р./год в ценах 2006 г.
7. Внедрение противофильтрационных экранов и завес в гидротехнических сооружениях на полигоне драги №164 Ксеньевского прииска ПО «Забайкалзолото» в 1981 году позволило получить экономический эффект 9,4 млн. р./год в ценах 2006 г.
8. Внедрение схемы комбинированной очистки сточных вод на Восточном угольном разрезе ОАО «СУЭК» позволило обеспечить надежную защиту поверхностных водотоков от загрязнения и предотвратить экологический ущерб в размере 551887,7 р./год в ценах 2004 г.
9. Отдельные положения диссертации использованы при разработке раздела ОВОС «Оценка воздействия разреза «Харанорский» на окружающую среду и экологическое обоснование хозяйственной деятельности» (Чита, 2000 г.), раздела ООС «Охрана окружающей среды» скорректированного проекта разреза «Харанорский» по техническому заданию ОАО «Востсибгипрошахт» (Иркутск-Чита, 2003 г.), раздела ООС «Охрана окружающей среды» к «ТЭО рентабельных для отработки открытым способом запасов угля Татауровского месторождения» (Чита, 2003, 2006 г.).
9. Отдельные результаты диссертационной работы изложены в трех учебных пособиях и одной монографии.
Апробация работы. Основные положения, вошедшие в диссертацию, результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении научно-исследовательских работ, докладывались на: научно-практической конференции главных специалистов горных предприятий Забайкалья, Амурской области, Хабаровского Края и Приморья (Солнечный, 1979 г.), научно-технических советах ПО «Забайкалзолото», «Приморзолото» (1977-1980 гг.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава сотрудников и студентов ЧитГУ (Чита, 1995-2007 гг.), Всероссийской научно-практической конференции «Горы и человек: в поисках путей устойчивого развития» (Барнаул, 1996 г.), Международной научно-практической конференции «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования» (Пенза, 1996 г.), Международной конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 1997, 2001, 2002 гг.), II-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1997 г.), научно-технической конференции «Проблемы развития минеральной базы Сибири» (Иркутск, 1998 г.), региональной научно-технической конференции (Красноярск, 1998 г.), Международном симпозиуме «Геокриологические проблемы строительства в Восточных районах России и Северного Китая» (Чита-Якутск, 1998 г.), Международной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999 г.), Международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999 г.), Международном совещании «Научные и практические аспекты добычи цветных и благородных металлов» (Хабаровск, 2000 г.), Научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2004 - 2008 гг.), юбилейных Шороховских чтениях (Москва, 2006 г.), VI Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (Чита, 2006 г.), расширенных заседаниях кафедры ОГР ЧитГУ и кафедры ОГР ИрГТУ (2006-2007 гг.).
Публикации. Основные положения по теме диссертации опубликованы в 52 печатных работах – отдельных разделах монографии, трех учебных пособиях, 12 статьях, аннотированных ВАК, а также в авторском свидетельстве СССР и пяти патентах Российской Федерации на изобретение.
Объем и структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 212 наименований и включает 272 страницы текста, 55 таблиц, 57 рисунков, 12 приложений.
