На сегодняшний день Россия занимает лидирующую позицию по золотодобыче [1]. При этом значительная доля добычи золота приходится на россыпные месторождения (рис. 1). Условия залегания россыпей позволяют эффективно разрабатывать их с применением относительно простой технологии. При разработке россыпей высокие технико-экономические показатели имеет дражный способ разработки. Данный способ обладает рядом достоинств, таких как возможность реализации в сложных гидрогеологических условиях, высокая производительность, минимальная себестоимость и др.
Рис. 1. Объем добычи золота в России в 2009–2015 гг.
Больше половины россыпных месторождений России, отрабатываемых дражным способом, находятся в неблагоприятных климатических условиях на территории Сибири и Дальнего Востока. В период отрицательной температуры эксплуатационные затраты резко увеличиваются, а производительность драги падает, что существенно ограничивает добычной сезон, который может составить всего 160–180 дней.
Продление дражного сезона не всегда позволяет достичь необходимого экономического эффекта. В большинстве случаев отказываются от продления сезона без максимально достоверных технико-экономических обоснований. В связи с этим сдерживается интенсивное освоение обводнённых месторождений, расположенных в районах Крайнего Севера. Поэтому проблема продления дражного сезона, с целью повышения эффективности использования дражного оборудования в течение года является актуальной.
В связи с этим на сегодняшний день существует целый ряд способов, позволяющих продлить добычной сезон [2–5]. Одним из них является установка пропеллерных насосов на конструкцию драги, обеспечивающих вертикальную циркуляцию воды от дна водоема к поверхности. Также применяется химический способ посыпкой альгинатом натрия и стеаратом цинка водных акваторий, удалось поддерживать их в незамерзающем состоянии в течение зимнего периода. Данные вещества способствуют созданию на поверхности акваторий мягкого губчатого снега вместо ледяного покрова. Для более эффективной оттайки льда в качестве реагентов применяют хлорид кальция, натрия, аммония, калия, а также сульфид натрия, фторид натрия и бикарбонат калия. Способ поддержания незамерзающих водных акваторий с помощью горячей воды или пара, отбираемых от котельных установок драг, также находит применение при дражных работах в зимний период. Известно применение плавающих пен. В результате изолирования водной поверхности дражного разреза от воздействия отрицательной температуры воздуха окружающей среды предотвращается образование льда. К механическим способам относится разрушение льда ледорезными машинами, паровыми, водяными или электрическими тепловыми резаками. Также к механическим способам можно отнести ручную резку льда. Данный способ в большинстве случаев носит вспомогательный характер. Обычно применение ручных работ связано с уборкой наледей на черпаковой раме, свайном аппарате или других узлах драги. В некоторых случаях применяют комбинированные способы. Однако практика показывает, что все вышеперечисленные способы не получили широкого применения из-за высоких экономических и энергетических затрат, трудоемкости работ и экологического ущерба окружающей среде.
Наиболее перспективным способом продления добычного сезона является изолирование дражного забоя от воздействия отрицательных температур [6–7]. Данный способ имеет ряд преимуществ, таких как возможность бесперебойной работы при наступлении устойчивых отрицательных температур, отсутствие необходимости ежегодных капиталовложений в создание конструкции, простота эксплуатации, снижение простоев в зимний период на ремонтные работы. Так как этот способ не применялся на предприятиях, то был проведен эксперимент для подтверждения эффективности изолирования дражного разреза. Для этого выполнена установка в виде ангара, схема которой приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – ангар; 2 – экран из фольги; 3 – модель драги; 4 – емкость с водой; 5 – основание; 6 – термодатчики; 7 – инфракрасная камера
Установка выполнена для драги 250Д в масштабе 1:100 и имеет следующие размеры: высота – 270 мм, ширина – 520 мм и длина – 1250 мм. Стенки ангара изготовлены из сотового поликарбоната. Поликарбонат выбран в качестве изолирующего материала благодаря ряду преимуществ перед аналогичными материалами (стекло, полиметилметакрилат и др.). К достоинствам поликарбоната можно отнести малый удельный вес, низкую теплопроводность, устойчивость к резким температурным перепадам, долговечность, высокую светопропускную способность. Толщина выбранного для эксперимента поликарбоната составила 3,5 мм, а коэффициент светопропускания 0,92. Ангар устанавливается на твердое основание, и все зазоры герметизируются таким образом, чтобы исключить свободную циркуляцию воздуха из установки. С торцевой части выполняется отверстие для установки инфракрасной камеры модели IR928+. Камера предназначена для съемки данных движения и распределения температурных полей, с помощью которых возможно определить среднюю температуру внутри изолированного пространства. Температурный диапазон измерения камеры составляет от –20 до 500 °С с погрешностью 2 °С.
В центральной части ангара устанавливают экран из фольги для съемки распределения тепловых полей. Экран устанавливают над водой посередине ангара, причем таким образом, чтобы его нижняя часть не соприкасалась с установкой, в результате чего сохраняется свободная циркуляция потоков воздуха внутри установки. В емкость с водой, а также снаружи ангара устанавливаются термодатчики, позволяющие производить замеры температуры как воды, так и воздуха.
Эксперимент проводили в три этапа: при температуре окружающего воздуха –7, –5, –3 °С. В ходе каждого этапа в изолированное пространство устанавливают емкость с водой. Начальная температура воды, при которой происходит съемка тепловых полей в ангаре, принята 20 °С. Далее съемку производят, когда температура воды составит 18, 16, 14 и 12 °С.
Для визуализации снимков инфракрасной камеры использовалось программное обеспечение GuideIr Analyser. Распределения температурных полей в экспериментальной установке представлены на рис. 3.
Рис. 3. Пример распределения температурных полей в изолированном пространстве
Рис. 4. Тепловые поля, разделенные изотермами
Для определения средней температуры в изолированном пространстве снимки распределения тепловых полей в программной среде Guide IrAnalyser разбивают изотермами, ограничивающими поля с одинаковой температурой (рис. 4).
Рис. 5. Зависимость температуры воздуха в ангаре от температуры воды и окружающего воздуха
Количество участков определялось из максимального перепада температур в изолированном пространстве. Так, для снимков с перепадами температур в 18 °С было выделено 6–7 тепловых участков, а для снимков с перепадами в 5 °С это значение снижалась до 3–4.
Далее снимки с нанесенными на них изотермами экспортируют в программную среду AutoCAD. С помощью данного программного обеспечения тепловые снимки оцифровывали и определяли площади температурных полей. Тепловые поля, расположенные за пределами ангара, не учитывались. По полученным данным рассчитывали средневзвешенную температуру воздуха внутри ангара по формуле
°С, (1)
где Ti – температура i-го теплового поля, °С; Si – площадь i-го теплового участка, см2.
Результаты расчета средней температуры воздуха в изолированном пространстве дражного разреза в зависимости от температуры воды и температуры окружающего воздуха представлены в таблице.
Средняя температура воздуха в изолированном пространстве
|
№ п/п |
Тво Tвод |
–7 |
–5 |
–3 |
|
1 |
+20 |
–1,98 |
3,92 |
8,08 |
|
2 |
+18 |
–2,2 |
3,2 |
7,44 |
|
3 |
+16 |
–2,44 |
2,8 |
7 |
|
4 |
+14 |
–2,61 |
2,58 |
6,37 |
|
5 |
+12 |
–2,81 |
2,35 |
6,02 |
По полученным данным строится график зависимости температуры воздуха в ангаре от температуры воды и от температуры окружающего воздуха (рис. 5).
Полученные уравнения (рис. 5) имеют линейный вид:
°С, (2)
где Твод – температура воды, °С; а и b – эмпирические коэффициенты.
По полученным зависимостям методом множественной корреляции была получена математическая модель, позволяющая, с погрешностью до 10 %, определить температуру воздуха внутри ангара в зависимости от температуры воды и окружающего воздуха:
°С, (3)
где Тво – температура окружающего воздуха, °С.
В результате проведенного эксперимента было установлено, что температура внутри ангара значительно выше температуры окружающего воздуха, что позволяет продлить добычной сезон. Так, например, при использовании данной технологии на россыпных месторождениях, расположенных на 63 ° с.ш., добычной сезон увеличится от 180 дней до 240. В случае с отрабатываемыми месторождениями, расположенными ниже 59 ° с. ш., их отработку возможно производить круглогодично за счет поддержания забоя в незамерзающем состоянии.
Также были визуализированы движения температурных полей в изолированном пространстве дражного разреза. По полученным снимкам выявлено, что воздух с наибольшей температурой концентрируется в верхней части ангара. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены способы равномерного распределения температуры в изолированном пространстве дражного разреза.