способ оттаивания мерзлых пород

Формула изобретения

1. Способ оттаивания мерзлых пород, включающий удаление на оттаиваемом участке почвенно-растительного слоя, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав и нагнетание в питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации, отличающийся тем, что нагнетаемую в канавы воду нагревают соляными солнечными водонагревателями, установленными на дне питающей и оросительных канав.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагретую воду подают в мерзлый массив через ряд скважин, пробуренных в мерзлых породах вдоль оси оросительной канавы, с помощью водозаборных патрубков, присоединенных к водосбросному трубопроводу, размещенному на дне оросительной канавы.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что соляной солнечный водонагреватель выполнен в виде металлической емкости, заполненной слоями водных растворов технической соли магния 6H₂O·MgCl ₂, селективно прозрачных для коротковолнового и длинноволнового излучений с понижением концентрации соли от нижних слоев к верхним слоям.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам оттаивания мерзлых горных пород, и может быть использовано в горной промышленности, преимущественно при разработке мерзлых россыпных месторождений, и в строительстве.

Известен способ взрывогидравлического оттаивания мерзлых пород, включающий удаление почвенно-растительного слоя, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав, бурение ряда скважин, создание фильтрационных каналов путем одновременного взрывания зарядов ВВ линейного ряда скважин и нагнетание в фильтрационные каналы, питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации (см. А.В.Рашкин и др. Исследование взрывогидравлического способа оттаивания мерзлых дражных полигонов. В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых Сибири и Северо-Востока. - Иркутск: ИПИ, 1980. - с.91-99).

Недостатком этого способа является низкая эффективность, значительные материальные затраты на производство взрывных работ, малая скорость оттаивания мерзлых горных пород из-за невысокой температуры воды (+5...10°С), поступающей в фильтрационные каналы, питающую и оросительную канавы. При некачественном камуфлетном взрывании зарядов ВВ в создаваемом фильтрационном канале может быть нарушена гидравлическая связь между камуфлетными полостями, в результате чего снижается скорость фильтрации теплоносителя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ фильтрационно-дренажного оттаивания, включающий удаление почвенно-растительного слоя, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав и нагнетание в питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации. Способ фильтрационно-дренажного оттаивания основан на естественном просачивании воды из неглубоких (0,5-1,0 м) питающей и оросительных канав в глубокую (более 2 м) дренажную канаву (см. Шорохов С.М. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений. М.: Недра, 1973, с.456-459).

Недостатком этого способа является малая скорость оттаивания из-за низкого использования солнечной энергии. В результате больших расходов поглощенной солнечной энергии на длинноволновое излучение, испарение и конвективный теплообмен, среднесуточная температура воды, поступающей в питающую и дренажные канавы, не превышает +5...10°С. При этом коэффициент теплоотдачи недостаточно высокий, т.к. движение фильтрационного потока из канав в массив мерзлых горных пород происходит только за счет естественного просачивания. При наличии в массиве глинистых включений с коэффициентом фильтрации менее 50 м/сут применение данного способа становится неэффективным.

Техническим результатом изобретения является повышение скорости и эффективности оттаивания мерзлых пород.

Результат достигается тем, что в способе оттаивания мерзлых пород, включающем удаление на оттаиваемом участке почвенно-растительного слоя, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав и нагнетание в питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации, нагнетаемую в канавы воду нагревают соляными солнечными водонагревателями, установленными на дне питающей и оросительных канав.

Результат достигается также тем, что нагретую воду подают в мерзлый массив через ряд скважин, пробуренных в мерзлых породах вдоль оси оросительной канавы, с помощью водозаборных патрубков, присоединенных к водосбросному трубопроводу, размещенному на дне оросительной канавы, а соляной солнечный водонагреватель выполнен в виде металлической емкости, заполненной слоями водных растворов технической соли магния 6Н ₂О·MgCl₂, селективно прозрачных для коротковолнового и длинноволнового излучений, с понижением концентрации соли от нижних слоев к верхним слоям.

Сущность изобретения в том, что в способе оттаивания мерзлых пород, включающем удаление почвенно-растительного слоя на оттаиваемом участке, сооружение питающей, дренажной и оросительных канав и нагнетание в питающую и оросительные канавы воды, нагретой за счет солнечной радиации, в оросительных и питающей канавах устанавливают соляные солнечные водонагреватели, изготовленные из металла в виде емкостей, с помощью которых воду в канавах нагревают до +50...60°С и подают в мерзлый массив через ряд скважин, пробуренных в мерзлых породах вдоль оси оросительной канавы. Для обеспечения непрерывной подачи нагретой воды в скважины их оборудуют водозаборными патрубками, присоединенными к водосбросному трубопроводу, размещенному на дне оросительных канав и имеющему водослив в дренажную канаву через водонепроницаемую перемычку. За счет давления, созданного в результате перепада уровней воды в оросительных канавах и на выходе ее из водосбросного трубопровода, нагретая с помощью соляных солнечных водонагревателей вода по скважинам подается вглубь массива мерзлых пород и ускоряет процесс перехода горных пород из мерзлого состояния в талое.

Солнечные соляные водонагреватели, выполненные из металла и заполненные селективно прозрачными слоями водных растворов технической соли магния, позволяют аккумулировать солнечную энергию за счет создания градиента плотности в вертикальном направлении, который исключает конвективный теплообмен между горячими нижними и более холодными верхними слоями. В результате преобразования солнечной энергии в тепловую температура нижнего слоя водного раствора технической соли магния в водонагревателях повышается до 90°С. За счет конвективного теплообмена температура нижнего придонного слоя воды в оросительных и питающей канавах многократно повышается и обеспечивает увеличение скорости оттаивания мерзлых пород в два-три раза по сравнению с известным способом фильтрационно-дренажного оттаивания.

При подаче нагретой воды по скважинам вглубь мерзлого массива кондуктивно-конвективный теплообмен между мерзлыми горными породами и нагретой водой многократно увеличивается, поэтому эффективность оттаивания значительно возрастает. Вместе с тем значительно сокращаются объемы горных работ и, соответственно, затраты на проходку дренажной канавы, т.к. ее глубина может быть уменьшена в несколько раз.

На фиг.1-3 изображен способ оттаивания мерзлых пород, где: 1 - дренажная канава; 2 - водосливной патрубок; 3 - вентиль; 4 - водонепроницаемая перемычка; 5 - оросительная канава; 6 - соляной солнечный водонагреватель; 7 - питающая канава; 8 - скважина; 9 - направление движения нагретой воды; 10 - мерзлый массив; 11 - металлическая пластина; 12 - водозаборный патрубок; 13 - направление движения охлажденной воды; 14 - водосбросный трубопровод; 15 - масляная пленка; 16 - вода; 17 - перфорированная селективно прозрачная пленка; 18 - металлический корпус водонагревателя; 19 - слои водных растворов технической соли хлористого магния 6H₂O·MgCl₂ различной концентрации.

Способ осуществляется следующим образом.

В предлагаемом способе оттаивания мерзлых пород удаляют почвенно-растительный слой, создают питающую 7 и оросительные 5 канавы, глубиной 0,5-1,0 м, а также дренажную канаву 1 глубиной 1,2-2,5 м. На дне оросительных канав 5 располагают водосбросные трубопроводы 14, один конец которых выводят в дренажную канаву 1. Вдоль оси оросительных канав 5 пробуривают скважины 8, в которые устанавливают водозаборные патрубки 12, присоединенные с помощью штуцеров к водосбросным трубопроводам 14. В оросительных 5 и питающей 7 канавах устанавливают соляные солнечные водонагреватели 6, отсыпают водонепроницаемую перемычку 4, нагнетают воду в питающую канаву 7 и открывают вентиль 3. Глубина слоя нагреваемой воды в канавах составляет 0,3-0,4 м.

Из-за перепада уровней воды в оросительных канавах 5 и на выходе воды из водосливного патрубка 2 создается самотечное непрерывное поступление нагретой воды 9 из оросительных канав 5 по скважинам 8 к массиву мерзлых горных пород 10 и отток охлажденной воды 13 в дренажную канаву 1. При этом в результате кондуктивно-конвективного теплообмена, происходящего между нагретой водой и горными породами, обеспечивается теплоотдача мерзлому массиву 10. Для повышения эффекта теплоотдачи ламинарный поток горячей воды в скважинах 8 меняют на турбулентный за счет пластин 11, приваренных к водозаборному патрубку 12.

Соляной солнечный водонагреватель 6 выполнен в виде металлической емкости 18, заполненной слоями водных растворов технической соли магния 6Н₂O·MgCl ₂, селективно прозрачных для коротковолнового и длинноволнового излучений 19, с понижением концентрации от нижнего слоя к верхнему слою. Верхний слой заполняется чистой водой с нулевой концентрацией 6H₂O·MgCl₂. На его поверхность наносят масляную пленку 15 для предотвращения расходов поглощенной солнечной энергии на испарение. В нижнем слое толщиной 0,1 м создают наибольшую концентрацию водного раствора технической соли хлористого магния 6H₂O·MgCl ₂ - 20%, в вышерасположенном слое такой же толщины концентрацию водного раствора технической соли хлористого магния 6Н ₂О·MgCl₂ понижают на 5%. Общее число слоев в соляном солнечном водонагревателе равно пяти.

Для сохранения градиента плотности и поддержания в каждом слое постоянной концентрации между слоями водных растворов технической соли магния 18 размещают слои перфорированной пленки 17, селективно прозрачной для коротковолнового и длинноволнового излучений. Селективно прозрачная пленка 17 усиливает теплотехнический эффект водонагревателя 6, снижает влияние процесса диффузии технической соли магния, а перфорация в пленке позволяет предотвратить образование воздушных пузырей.

Благодаря созданию градиента плотности раствора по вертикали и способности водного раствора технической соли хлористого магния 6Н₂О·MgCl ₂ пропускать коротковолновую солнечную радиацию и задерживать (поглощать) длинноволновое излучение, предотвращается конвективный перенос энергии от более плотных нижних слоев к верхним менее плотным слоям. При этом температура нижнего слоя водонагревателя повышается до 80...90°С.

Многократное повышение температуры воды в питающей и оросительных канавах, а также обеспечение ее доступа вглубь мерзлого массива по скважинам, увеличивает скорость оттаивания мерзлых пород в два-три раза по сравнению с известным фильтрационно-дренажным способом.