способ разработки земснарядом мерзлого грунта

Формула изобретения

Способ разработки земснарядом мерзлого грунта, включающий разработку карьера в мерзлом грунте, размещение земснаряда в карьере, прокладку борозд или канав на поверхности разрабатываемого массива мерзлого грунта, сообщающихся с источником водоснабжения и карьером и выполненных с уклоном в сторону карьера, подачу по ним самотеком воды в карьер до подъема земснаряда в карьере на рабочую глубину и последующую разработку грунта, отличающийся тем, что при снижении плотности откачиваемой пульпы разрабатываемого грунта поднимают уровень воды в карьере до заполнения водой борозд или канав, а после оттаивания и размыва мерзлого грунта движением воды по борозде или канаве понижают уровень воды в карьере для обратной подачи в него гидросмеси оттаявшего грунта из борозд.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидромеханизации, предназначено для разработки мерзлых грунтов и может быть использовано в строительстве и горнодобывающей промышленности.

Известен способ разработки земснарядом грунта в зимнее время в карьере, соединенном прорезью с водоемом, включающий обозначение забоя в карьере, установку земснаряда в забое, укладку труб в прорезь, закрытие прорези грунтом и разработку грунта в забое при поддержании уровня воды в карьере ниже уровня грунтовых вод, поступление теплой грунтовой воды в карьер путем ее фильтрации сквозь грунт, подачу по системе труб самотеком теплой придонной воды, собранной с площади дна водоема, непосредственно в забой (Авт. свид. СССР 987045, кл. E 02 F 3/88, 1983).

Недостатками способа являются низкая производительность из-за возможности разработки оттаявшего грунта только в забое, высокие подготовительные затраты (устройство водоема и поддержание в нем необходимого уровня, устройство прорези прокладка и поддержание в рабочем состоянии системы труб).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ разработки земснарядом мерзлого грунта, включающий разработку карьера в мерзлом грунте, размещение земснаряда в карьере, прокладку борозд или канав на поверхности разрабатываемого массива мерзлого грунта, сообщающихся с источником водоснабжения и карьером и выполненных с уклоном в сторону карьера, подачу по ним самотеком воды в карьер до подъема земснаряда в карьере на рабочую глубину и последующую разработку грунта (Нурок Г.А. Технология и проектирование гидромеханизации горных работ. М.: Недра, 1965, с.114-115, 366 - 369).

В известном способе эффективность разработки мерзлого грунта зависит от объема оттаявшего грунта, который определяется площадью соприкосновения воды с мерзлыми грунтами по контуру карьера, т.е. площадью карьера и объемами воды в нем, так как вода поступает в карьер по трубам, то отсутствует соприкосновение воды и мерзлого грунта, т.е. вода обеспечивает поддержание заданного уровня воды в карьере, для обеспечения работы земснаряда и оттаивания грунта по контуру карьера. Дополнительное увеличение площади взаимодействия мерзлого грунта с водой (соответственно объемов оттаивания и повышения эффективности разработки мерзлого грунта) обеспечивается размывом мерзлых грунтов гидромониторами также по контуру карьера, при этом при сплошной мерзлоте суточная толщина оттаивающего слоя не превышает 1 см, в связи с этим производительность известного способа ограничивается объемом приконтурного к карьеру оттаявшего грунта и соответственно определяется его размерами и объемами воды в нем. В конечном итоге размеры карьера будут равны площади разрабатываемого массива мерзлого грунта, что сопровождается значительными объемами воды в нем, увеличением пути движения земснаряда его перестановками, в результате чего эффективность разработки будет снижаться пропорционально увеличению размеров карьера. Искусственное уменьшение площади карьера например устройством разделительных дамб в карьере приведет к дополнительным затратам и снижению эффективности разработки. Кроме того, при увеличении площади зеркала воды в карьере в зимний период времени будет замерзать поверхность воды в карьере (сложно поддерживать майну).

Из вышесказанного следует, что недостатками данного способа являются:

- низкая эффективность из-за ограниченности площади разработки мощностью оттаивающего слоя грунта по контуру карьера, взаимодействующего с карьерной водой, и разработки грунтов только по приконтурному массиву в карьере;

- невозможность повышения производительности разработки мерзлого грунта без применения дополнительных механизмов (бульдозерной техники) и использования специальных мероприятий (иглооттаивание приконтурного массива, рыхление энергией взрыва и т.д.);

- необходимость использования в процессе разработки теплой воды и применения специальных механизмов и устройств для поддержания майны, из-за увеличивающейся в результате разработки грунта открытой водной поверхности в карьере.

Задачей изобретения является повышение эффективности разработки мерзлого грунта путем увеличения площади оттаивания и размыва мерзлого грунта за счет вовлечения в разработку грунта, находящегося за пределами карьера.

Для решения поставленной задачи в способе разработки земснарядом мерзлого грунта, включающем разработку карьера в мерзлом грунте, размещение земснаряда в карьере, прокладку борозд или канав на поверхности разрабатываемого массива мерзлого грунта, сообщающихся с источником водоснабжения и карьером и выполненных с уклоном в сторону карьера, подачу по ним самотеком воды в карьер до подъема земснаряда в карьере на рабочую глубину и последующую разработку грунта, при снижении плотности откачиваемой пульпы разрабатываемого грунта поднимают уровень воды в карьере до заполнения водой борозд или канав, а после оттаивания и размыва мерзлого грунта движением воды по борозде или канаве понижают уровень воды в карьере для обратной подачи в него гидросмеси оттаявшего грунта из борозд. Наличие в способе разработки земснарядом мерзлого грунта борозд (канав), расположенных на поверхности разрабатываемого массива и соединяющих источник водоснабжения и карьер, по которым подается самотеком вода в карьер, обеспечивает увеличение площади взаимодействия (соприкосновения), мерзлого грунта и воды. При этом пропорционально размерам борозд (канав) и объемам воды подаваемой в борозды (канавы) увеличивается площадь оттаивания и размыва мерзлого грунта на поверхности разрабатываемого массива и соответственно объем грунта поступающего в карьер вместе с водой. Таким образом, при практически неизменной площади карьера площадь разрабатываемого мерзлого грунта увеличивается пропорционально размерам борозд (канав) и объемам воды в них, в результате чего обеспечивается разработка массива мерзлого грунта по всей поверхности с одного положения земснаряда, соответственно повышается эффективность разработки мерзлого грунта, что в совокупности с другими существенными признаками позволяет повысить эффективность разработки земснарядом мерзлого грунта.

На фиг.1. показана схема карьера в плане, на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б борозды (канавы) на фиг.1.

Схема включает массив 1 мерзлого грунта, карьер 2, земснаряд 3 с всасывающим трубопроводом и фрезой рыхлителем 4, борозды (канавы) 5, источник водоснабжения 6, напорный трубопровод 7, приконтурный к карьеру оттаявший разрабатываемый грунт 8, уровень воды 9 в карьере 2, уровень воды 10 в борозде (канаве) 5, оттаивающий грунт 11 в борозде (канаве) 5.

Способ осуществляется следующим образом.

В толще мерзлого массива 1 с помощью бульдозерной техники разрабатывается карьер 2, на дно которого устанавливается земснаряд 3, оборудованный всасывающей трубой и гидравлической фрезой-рыхлителем 4 и напорным трубопроводом 7. На поверхности мерзлого массива 1 рыхлителем бульдозера прокладываются борозды (канавы) 5 различной протяженности, соединяющие источник водоснабжения (например, оборотное водоснабжение) 6 и карьер 2, для обеспечения движения воды самотеком от источника водоснабжения 6 к карьеру 2 борозды 5 выполняют с уклоном в сторону карьера 2. Вода от источника водоснабжения 6 по бороздам 5 поступает в карьер 2, наполняя его и обеспечивая подъем уровня воды 9 для работы земснаряда 3. При этом вода, наполняя борозду 5 до уровня воды 10 в ней, соприкасается с грунтом по контуру борозды 5 (канавы), оттаивает и размывает мерзлый грунт 11 при движении воды по борозде (канаве) 5 и транспортирует его в карьер 2, а карьерная вода с уровнем воды 9 контактирует с мерзлым грунтом по контуру карьера 2 и обеспечивает определенный объем талого грунта 8. Объемы воды подающейся от источника водоснабжения 6 в борозду 5 регулируются пропорционально ее длине. В борозде 5 при соприкосновении движущейся воды, при уровне воды 10 в борозде 5, с мерзлым грунтом массива 1 происходит оттаивание мерзлого грунта 11, размыв и перенос его потоком из борозды 5 в карьер 2. Движущаяся вода начинает формировать из борозды 5 долину будущего потока гидросмеси талого грунта, замедляя свое течение в понижениях, что способствует оттаиванию большого объема грунта 11 по контуру борозды 5, и увеличивая на участках повышенного уклона, что обеспечивает более интенсивный размыв грунта и перенос его в карьер 2. Учитывая неровности рельефа дна борозды (канавы) 5, а также неоднородный температурный разрез мерзлого грунта, на участках долины борозды 5, с повышенными температурами мерзлых грунтов и пониженными скоростями течения воды усиливается боковое тепловое и эрозионное воздействие воды на прилегающий к контуру борозды 5 массив грунта 1, что сопровождается более высоким оттаиванием по бокам, и выносом оттаявшего грунта 11, обрушением и сползанием в долину борозды (канавы) вышележащих неооттаявших грунтов. Они, попадая в водную среду и соприкасаясь с водой, начинают таять, русло перегораживается, площадь соприкосновения обрушившегося грунта с водой еще более увеличивается, увеличивается и потенциальная энергия потока воды и после размыва участка обрушившегося грунта, вода с еще большей силой и энергией устремляется в сторону карьера, увлекая за собой большие массы оттаявшего грунта.

Поступающий в карьер 2 грунт разрабатывается с помощью всасывающей трубы и фрезы рыхлителя 4 земснаряда 3. Образовавшаяся гидросмесь по напорному трубопроводу 7 транспортируется к месту потребления, откуда использованная вода возвращается к источнику водоснабжения 6 и обратно по бороздам 5 подается в карьер 2.

Уменьшение плотности гидросмеси, определяемой с помощью плотномеров, свидетельствует о снижении эффективности разработки за счет выработки потоком воды в борозде 5 профиля равновесия, при котором снижаются объемы оттаиваемого и размываемого грунта 11 в борозде 5, из-за воздействия только донной эрозии и оттаивания русловой части.

При снижении плотности откачиваемого из карьера 2 грунта, для увеличения площади соприкосновения мерзлого грунта с водой и соответственно увеличения объемов оттаивания мерзлых грунтов, земснарядом 3 уменьшают объем откачки гидросмеси из карьера 2, в результате чего происходит подъем уровня воды 9 в карьере 2, и создается подпор поступающей в карьер 2 через борозды (канавы) 5 воды, происходит обратное поступление воды из карьера 2 в борозды (канавы) 5, повышение уровня воды 10 в них, их наполнение и оттаивание мерзлых грунтов 11 по контуру борозды (канавы) 5, увеличивается площадь соприкосновения воды и массива 1 мерзлого грунта, а соответственно мощность оттаивания грунта 11 в массиве 1, прилегающем к борозде (канаве) 5, сползание оттаявшего грунта 11 по берегам канавы 5 и изменение русла борозды (канавы) 5. При последующем понижении уровня воды 9 в карьере 2 снижается уровень воды 10 в борозде (канаве) 5, увеличивается скорость поступления воды из борозды 5 в карьер 2, при этом в турбулентный поток вовлекается грунт 11 оттаявший, размываемый и обрушившийся по берегам канавы 5, соответственно увеличивается объем грунта, поступающего в карьер 2 для разработки, и повышается эффективность способа разработки. Расход воды, подаваемой в борозды (канавы) 5, пропорционален их длине и объему разрабатываемого грунта 11, а уровень воды 9 в карьере 2 должен быть прямо пропорционален объему оттаявшего грунта 11 в бороздах (канавах) 5 и обратно пропорциональным объему смываемого и поступающего в карьер 2 грунта.

Подаваемый в борозду (канаву) 5 объем воды, пропорциональный ее длине, обеспечивает размыв и перенос талого грунта 11 в карьер 2 к месту его разработки земснарядом 3, таким образом, в разработку вовлекается объем грунта 11, находящийся вне пределов карьера. Повышение уровня воды 9 в карьере 2 создает подпор воды в бороздах (канавах) 5, поступление воды в карьер сокращается, увеличивается площадь оттаивания грунта 11 в массиве, прилегающем к борозде (канаве) 5, а при понижении уровня воды 9 в карьере 2 увеличивается скорость поступления воды в карьер 2, при этом турбулентный поток насыщается твердыми частицами талого грунта 11 за счет размыва и переноса грунта, и соответственно увеличивается объем грунта, поступающего в карьер 2 для последующей разработки его земснарядом 3. При этом практически не увеличивается площадь самого карьера 2. Повышением и понижением уровня воды 9 в карьере 2 управляют уровнем воды 10 в бороздах (канавах) 5, регулируют процессами оттаивания грунта 11 в бороздах 5 и его объемами, поступающими в карьер для разработки земснарядом 3, а также обеспечивают управление объемами разрабатываемого грунта (по необходимости), при этом повышение и понижение уровня воды 9 в карьере 2 обеспечивает поддержание майны без дополнительных мероприятий.

Пример осуществления способа разработки земснарядом мерзлого грунта.

В массиве мерзлого грунта, предназначенного для разработки земснарядом, с помощью бульдозера разрабатывается карьер площадью ~1200-1500 м³ и глубиной 2,0-2,5 м. На дно полученной емкости устанавливался земснаряд (Д-20), оборудованный всасывающей трубой и гидравлической фрезой рыхлителем. На поверхности массива рыхлителем бульдозера прокладываются борозды (канавы) длиной 500-1000 м, глубиной 0,3-1,0 м, с уклоном ~0,0025 от источника водоснабжения (техническая вода оборотного водоснабжения) к карьеру. Техническая вода температурой 15-20^oС подается в борозды, объем регулируется с помощью задвижек и составляет 500-1500 м³/час, причем, чем длиннее борозда, тем выше расход воды подаваемой в нее. Вода, устремляясь по борозде в карьер, насыщается разрыхленным грунтом и переносит его в емкость карьера, где через всасывающую трубу земснаряда и напорный трубопровод подается потребителю, откуда использованная вода возвращается обратно в систему оборотного водоснабжения и в дальнейшем опять поступает в борозду (канаву).

При длине борозды (канавы) в 500 м и расходе воды в ней 500 м³/час суточный объем грунта, поступающий в карьер составлял 1600-2500 м³, а при длине 1000 м и расходе 1500 м³/час - 4200-6400 м³. При снижении плотности, а соответственно объемов необходимого потребителю откачиваемого из карьера материала, объемы откачки снижались или прекращались вообще, уровень воды в карьере за счет поступления из борозд (канав) повышался до их устья, за счет чего создавался подпор воды в борозде (канаве), происходило заполнение всех понижений в созданных русле и долине канавы, усиление воздействия воды на боковые грунты, которые оттаивали, особенно нижние, более теплые горизонты мерзлого массива, в результате происходило обрушение и сползание вышележащих грунтов, т. е. дополнительное поступление грунта в долину борозды (канавы), где происходило его оттаивание. При возобновлении откачки земснарядом воды из карьера уровень в нем понижался до первоначального, вода из канав, интенсивно поступая в карьер, увлекала за собой огромное количество оттаявшего и размытого грунта. При этом резерв грунта оттаявшего в результате соприкосновения воды и грунта по контуру карьера составил за сутки всего 50-100 м³.

Так как в предлагаемом способе из борозд (канав) в карьер поступает грунт во взвешенном состоянии, то снижаются энергозатраты на его последующую разработку земснарядом. Уменьшаются материальные и энергетические затраты на принудительное оттаивание грунтов по контуру карьера (иглооттаивание, рыхление, гидроразмыв и т.д.), а при неизменных размерах карьера и регулировании уровня воды в нем отпадает необходимость поддержания майны без использования дополнительных мероприятий и механизмов.

Прокладка борозд (канав) на поверхности разрабатываемого массива, кроме положительных моментов указанных выше, в летнее время способствует увлажнению поверхности разрабатываемого массива грунта и снижению его пыления, а использование в системе: борозда (канава) - карьер оборотной воды повышает экологическую безопасность предлагаемого способа. Кроме того, из-за поступления в карьер грунта во взвешенном в воде состоянии снизились энергозатраты на его последующую разработку земснарядом. Расчетная стоимость разработки 1 м³ грунта составила 3-5 руб.

Так как в предлагаемом способе из борозд (канав) в карьер поступает грунт во взвешенном состоянии, то снижаются энергозатраты на его последующую разработку земснарядом. Уменьшаются материальные и энергетические затраты на принудительное оттаивание грунтов по контуру карьера (иглооттаивание, рыхление, гидроразмыв и т.д.), а при неизменных размерах карьера и регулировании уровня воды в нем отпадает необходимость поддержания майны без использования дополнительных мероприятий и механизмов.

Применение указанного способа позволило увеличить производительность разработки, снизить энергозатраты и соответственно повысить эффективность разработки мерзлого грунта.