Физические процессы при разработке связных многолетнемерзлых пород

московский 
Г0С9ДПРСТВЕННЫЙ 
Г О Р Н Ы Й 
УНИВЕРСИТЕТ 

кцицнши 
С О В Е Т 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТПС 

Члены редсоеета 

ИЛ. ДЕМЕНТЬЕВ 

A. П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

В.В. КУРЕХИН 

М.В. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М. СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. ХРОНИН 

B. А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАНВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

Е.Л. Бельченко 

ШИЗИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ 

„ 
ПРИ 
РАЗРАБОТКЕ 
СВЯЗНЫХ 
Ш 
МНОГОЛЕТНЕ 
МЕРЗЛЫХ 
ПОРОД 

Рекомендовано 
Министерством 
образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных 
заведений, 
обучающихся 
по направлению «Горное дело», специальности 
«Физические 
процессы 
горного 
производства» 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

Z 0 0 0 

УДК 622.02 
ББК 33.14 
Б 44 

Р е ц е н з е н т ы : 
кафедра «Разработка россыпных месторождений» 
Московской государственной геологоразведочной академии 
(зав. кафедрой проф., докт. техн. наук В.П. Дробаденко); 
проф., докт. техн. наук В.Ж. Арене 

Бельченко Е Л . 

Б 44 
Физические процессы при разработке связных много
петнемерзлых пород: Учеб. пособие. — М.: Издательство 
Московского государственного горного университета, 2000. 
—199 с. 

ISBN 5-7418-0183-8 

Приведены сведения о геологических и геокриологических особенностях многодетнемерзлых связных пород и их физических свойствах, о движении жидкости в водоводах, об истечении жидкости из насадок. Рассмотрены 
физическая сущность процесса добычи россыпного золота методом промыв, 
кн, параметры движения пульпы и осаждения частиц золота в промывочных 
шлюзах. Описаны техника и технология добычи россыпного золота методом 
промывки. Рассмотрена физическая сущность гидроиглового оттаивания 
мерзлых пород, даны расчет режимов и параметров этого процесса, описание техники и технологии гидроиглового оттаивания связных мерзлых пород. Изложен процесс промерзания связных пород, приведен расчет параметров промерзания и теплоизоляции пород с целью предотвращение их 
промерзания, дана технология теплоизоляционных мероприятий. 

Для студентов специальности «Физические процессы горного производства». Может быть полезно горным инженерам. 

УДК 622.02 
ББК 33.14 

ISBN 5-7418-0183-8 
© Е.Л. Бельченко, 2000 
© Издательство МГГУ, 2000 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

у / Г— огатства России Сибирью прирастать бу
r - х д у т " . Эти слова М.В. Ломоносова стали проL/роческими, если принять во внимание, что 
под Сибирью М.В. Ломоносов понимал территории, расположенные восточнее Урала. Эти территории воистину 
являются кладовой России. Здесь Россия добывает абсолютное большинство нефти, газа, золота и цветных металлов. 

Особенностью этих территорий является то обстоятельство, что они почти на 50 % представлены многолетнемерзлыми породами. Суровость климата в районах 
распространения толщи многолетнемерзлых пород определяется не только низкими температурами воздуха, но и 
продолжительностью холодного периода года. Некоторые характеристики отдельных районов по климатическим условиям приведены в табл. 1. 

Таблица 1 

Показатель 
Пое. 
Пос. 
Долина 
Город 
Пос. 
Город 
Город 

КомсоАлисРСуеуим. 
МирАлдан 

молькероао 
Больман 
Гасный 

ский 

кероао 

шой 
Тарын 

телло 

Среднего-10,9 
-13,3 
-15,6 
-13,5 
-11,3 
-6,3 
-5,2 

довая температура воздуха, °С 

Характерная 
-5 
-6 
-7 
-6 
-5 
-2,5 
-1,5 

среднегодовая 

температура 
горных пород, 
"С 
Сумма 
граду
сосуток: 
положительных 
766 
801 
1370 
1202 
1166 
1598 
1582 

отрицательных 
4746 
S668 
7013 
6140 
5305 
3966 
3638 

5 

Характерными показателями принято считать суммы 
положительных и отрицательных градусосуток, указанных в табл. 1. Они представляют собой суммы среднесуточных температур воздуха за холодный и теплый периоды года. Как видно из таблицы, сумма отрицательных 
градусосуток значительно превышает сумму положительных. Поэтому для естественного промерзания поверхности пород условия значительно более благоприятны, 
чем для естественного оттаивания. Оттаянные искусственным способом в летнее время породы зимой могут снова промерзнуть на большую глубину. Величина 
этого промерзания в значительной степени зависит от 
среднемесячной 
отрицательной 
температуры 
воздуха 
(табл. 2). 

Для открытых горных работ наиболее благоприятен 
теплый период года, но его кратковременность требует 
весьма интенсивной организации производства. В свою 
очередь интенсивная работа может быть организована 
только при наличии достаточного количества подготовленных к разработке пород. Мерзлые породы можно готовить к разработке в летний период предыдущего года с 
использованием различных способов оттайки. Однако оттаянные летом породы зимой неизбежно промерзнут снова на такую глубину, при которой их разработка станет 
невозможной. Значит, промерзший слой с наступлением 
весны снова придется оттаивать, либо надо обеспечить 
предохранение талых пород от промерзания в зимний период. 

Промерзание верхней части талых пород изменяется 
от 1—1,5 м до 3,5—4 м. Эта величина зависит от температуры воздуха, длительности промерзания, высоты и плотности снега, состава и влажности пород. В существенной 
степени она также зависит от наличия и толщины растительного слоя. Поэтому заранее снимать растительный 
слой с участков, которые подлежат разработке в будущем 
б 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

(5 
оо во 
© о 
см 
ем 
— <* «Ч 
"t. "">_ ° . 
N
O 
о—" 
rt <s 
о" 
О 
чо **» «"•* 
— «*> 
мэ оо 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

«оел 
чо гл 
® ve 
**1 — « vo 
см 
— 
о о_ 

СМ СП 
«/"Г СМ 
0 _ Г Г 0 « 1 Л О ^"lOop" 
^ 0 0 * 

— — 
— — 
—• о* 
— 
— c-i а 
N N N 
см см 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

я 

21,8 
22,6 

25,6 
22,1 

18,3 
15,6. 

23,0 

23,9 
37,3 
42,8 

31,9 
32,1 
35,6 

28,0 
33,2 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 


см г~ 
глеч 
r~- ^ 
^ 
о\ о\ 
N — so 
1л >е 
ас оо* 
гГк-Г 
ет~ г-" 
о\ 
г-" см" оо 
ч-Г щ" оС 
г-* гч 
СМ <Ч 
ГЛСЧ 
—с —' 
CM <N Tf 
rrt ci-, т 
см en 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

й 

</i ю 
смел 
ON oo ^ ^ 
— » о 
ve г
<o"r~ 
eK^t 
ч© «Л 
«о 
©v vo 
« 
"O-" 
<N <s 
<ч см 
—• — 
r~4 N (<i t 
m
m
m rMrn 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

Я 

— оо 
r-_ ол 
^ 
о 
t-~ — 
*o ^ 
o\ 1Л 

t-~ r-T 
сГ 
о" _- 
»л 
о" — -ч" 
vo"\eo 
вС<Л 

— — 
—' —< ^ri

 
0
4 
— 
N
N
M 
— CM 

Средняя отрицательная температура воздуха (°С) по месяцам 

X 
— 1 - 
ЧО СЛ 
— 
-1 
"*>.
 ГП_ 

С^ГЛ 
CM* CM* 
- 
S - 2 
2 2 

Район 

Амурская область: 

пос. Джеланда 

пос. Сковородило 
Иркутская область: 

г. Бодайбо 

пос. Усть-Кут 
Красноярский край: 

г. Канск 

г. Ачинск 
Читинская область: 

г. Нерчинск 
Якутия: 

г. Алдан 

пос. Аллах-Юнь 

пос. Усть-Нера 
Магаданская область: 

пос. Усть-Омчуг 

пос. Ягодный 

г. Сусуман 
Чукотский национальный окруп 

пос. Красноармейский 

г. Билибино 

7 

году, не всегда целесообразно. Лучше это сделать ранней 
весной, как только среднесуточные температуры перейдут 
через ноль. Однако сохранить растительный слой не всегда возможно, поскольку предохранению от промерзания 
часто подлежат участки, на которых горные работы уже 
проводились. Таким образом, на предохраняемых участках чаще всего естественная теплоизоляция отсутствует и 
создаются наиболее благоприятные условия для глубокого промерзания. Очагами глубокого промерзания являются также канавы, траншеи и котлованы, особенно имеющие значительную глубину. Поэтому их проведение лучше осуществлять ближе к весне, когда промерзание практически заканчивается. 

Предохранение от промерзания не только обеспечивает необходимый объем подготовки мерзлых пород к 
разработке, но и позволяет существенно увеличить продолжительность сезона горных работ, а тем самым и полноту использования техники. 

Полное предохранение от промерзания, как правило, 
не имеет смысла. Небольшой слой мерзлых пород на 
поверхности талого массива может и не создать трудностей для разработки, особенно при использовании 
мощной техники. Кроме того, сама по себе задача полного предохранения может оказаться трудноосуществимой и 
потребовать очень больших материальных затрат. Поэтому, производя расчеты, необходимо заранее установить допустимую глубину промерзания. Например, для 
работы средней драги (с емкостью черпака 210—250 л) в 
теплое время, т.е. при положительной температуре воздуха, слой мерзлых пород толщиной 0,8—1 м не является 
серьезным препятствием. В то же время, если драга работает еще при отрицательных температурах 
воздуха, этот слой не должен превышать 0,4 м. Слой мерзлой породы толщиной 0,3—0,4 м не создает больших 

8 

трудностей для работы мощных экскаваторов. Кроме того, такой слой всегда можно предварительно разрыхлить 
при помощи навесных или прицепных тракторных рыхлителей. 

В наибольшей степени проблемы промерзания или 
оттаивания характерны при разработке связных аллювиальных пород при добыче россыпного золота. 

В настоящее время золото в России добывают главным образом на россыпных месторождениях в суровых 
климатических условиях (Чукотка, Якутия, Магаданская 
обл.), где до девяти месяцев в году аллювиальные золотоносные породы находятся в мерзлом состоянии. Основная 
технология добычи золота — это промывка золотоносных 
аллювиальных пород на полигонах и получение шлихового золота с последующим его обогащением на стационарных обогатительных фабриках. 

В указанных выше регионах добычи золота аллювиальные золотоносные породы находятся в мерзлом 
состоянии и только верхний их слой оттаивает за летний период на глубину не более 2 м. Оттаявшие за летний период породы зимой снова промерзают на всю глубину. 

Добыча россыпного золота из аллювиальных пород 
методом промывки в районах Чукотки, Якутии, северной 
части Магаданской области является малоэффективной 
из-за длительности периода года с отрицательными температурами и короткого срока промывочного 
сезона 
(максимум четыре месяца). Для этих регионов главной 
проблемой добычи золота при разработке золотоносных 
аллювиальных пород методом промывки является увеличение сроков промывочного сезона. 

Решение этой проблемы может быть осуществлено 
за счет более раннего его начала. Для этого необходимо 
к началу сезона с положительными температурами воз
9 

духа (середина мая — начало июня) создать запас талых аллювиальных золотоносных пород и интенсивно проводить мероприятия по оттаиванию многолетне- и 
сезонномерзлых пород. Это можно обеспечить за счет 
создания в предыдущем промывочном сезоне специальных утепленных складов (отвалов) талых пород, а также 
за счет проведения мероприятий по интенсификации оттайки мерзлых пород: взрывное и механическое их рыхление, оттаивание за счет солнечной радиации и гидрооттаивание.