Способ проходки шурфов в криолитозоне

Изобретение относится к геологии, а более конкретно к способам проходки разведочных шурфов в породах зоны многолетней мерзлоты (криолитозоне) при разведке россыпных месторождений. Технической задачей изобретения является увеличение скорости проходки шурфов без уменьшения извлекаемого объема пробы полезного ископаемого из продуктивного пласта. Новым в способе является проходка шурфа разными поперечными сечениями по вскрышным породам и продуктивному пласту, причем выбор формы сечения определяется из математического выражения, минимизирующего объем проходки по вскрышным породам. 1 табл.

 

Изобретение относится к геологии, а более конкретно, к проходке горно-разведочных шурфов в многолетнемерзлых породах (криолитозоне) на россыпных месторождениях алмазов.

Известен способ проходки шурфов путем бурения самоходными и передвижными установками (Бурение шурфов и скважин самоходными и передвижными установками. / С.А.Брылов, Л.Г.Гробчак, Г.В.Добровольский и др. - М.: Недра, 1979. с.6-10).

Недостатком известного способа является ограничение на объем извлекаемой пробы, который определяется диаметром бурящейся скважины. Кроме того, при отсутствии дорог в зоне многолетней мерзлоты, в труднодоступных районах, где расположены месторождения, применение такого способа практически невозможно.

Известен способ проходки шурфов в криолитозоне с помощью буровзрывных работ (Проведение горно-разведочных выработок: Справочник. / В.А.Хорев, В.Н.Гусев, Л.А.Сокольников и др.; под ред. В.А.Хорева - М.: Недра, 1990. с.277).

Недостатком данного способа является невозможность изменения сечения при проходке шурфов по вскрышным породам и продуктивному пласту при небольшой мощности последнего. Кроме того, данный способ требует квалифицированных специалистов, имеющих допуск к ведению взрывных работ, и экономически малоэффективен ввиду больших затрат на завоз взрывчатки на отдаленные месторождения.

Техническим эффектом изобретения является уменьшение объемов проходческих работ при сохранении объемов полезной пробы (объема песков из продуктивного пласта), извлекаемой из шурфа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе проходки шурфов, включающем проходку постоянным прямоугольным сечением по вскрышным породам и продуктивному пласту, согласно изобретению по вскрышным породам и продуктивному пласту шурф проходят с помощью отбойного молотка разными сечениями, причем по вскрышным породам проходят сечением в виде вписанного в прямоугольник эллипса или многоугольника, при этом сечение в виде многоугольника выбирают, если выполняется следующее математическое выражение

где а - длина шурфа, м; в - ширина шурфа, м; к - эргономический коэффициент, изменяющийся в интервале 1,4-2,0; l - длина отбойного молотка, м.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На россыпном месторождении алмазов в криолитозоне осуществляют разведку с помощью шурфов прямоугольной формы размером 2×1,2 метра и 2×2 метра. Мощность продуктивного пласта 0,5 метра. Мощность вскрышных пород 1,5 метра. Шурфы проходят с помощью электрических отбойных молотков в зимний период, чтобы избежать оттаивания пород, которые в мерзлом состоянии абсолютно устойчивы и не требуют крепления. Длина отбойного молотка 0,5 метра. Эргономический коэффициент равен 1,8. Проходку осуществляют разным сечением по вскрышным породам и продуктивному пласту, чтобы повысить производительность труда и снизить объем извлекаемых вскрышных пород. По формуле (1) для шурфов сечением 2×1,2 метра находим: а>1,9. Поскольку длина шурфа 2 метра - условие (1) выполняется. Следовательно, по вскрышным породам целесообразно проходить шурф сечением вписанного в прямоугольное сечение 2×1,2 многогранника, в данном случае восьмигранника. При этом скосы делаем с четырех углов, причем по ширине на расстоянии половины длины молотка с каждой стороны (0,25 м), а по длине на расстоянии (к·l)=1,8·0,5=0,9 м. Таким образом, получаем сечение в виде восьмигранника.

Площадь уменьшения сечения составит 4·(0,9·0,25/2)=0,45 м². Общий объем снижения проходки шурфа по вскрышным породам составит 0,45·1,5=0,675 м³ или 18,7%. Таким образом, по вскрышным породам шурф проходим сечением в виде восьмигранника, а по продуктивному пласту прямоугольным 2×1,2 метра, расширяя сечение восьмигранника по углам, что легко осуществить с помощью отбойного молотка.

Для шурфов размером 2×2 метра по формуле (1) находим: а>2,5. Поскольку условие (1) не выполняется, выбираем сечение в виде вписанного эллипса, в данном случае круга. Здесь принято общеизвестное, что круг это частный случай эллипса, а квадрат - прямоугольника. Расчеты показывают, что снижение объемов при проходке по вскрышным породам составит 21,5%. А если бы мы выбрали сечение в виде восьмигранника, то снижение по объемам составило бы всего 11,2%. Таким образом, очевидно, что правильный выбор сечения позволяет увеличить эффект изобретения. В данном случае по вскрышным породам шурф проходим круговым сечением с диаметром 2 м, а по продуктивному пласту квадратным 2×2, расширяя круговое сечение шурфа до необходимых размеров. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение необходимого объема пробы из продуктивного пласта при снижении общего объема проходческих работ.

Вывод математической формулы. Рассмотрим шурф прямоугольного сечения «а»×«в». Площадь эллипса, вписанного в данный прямоугольник, будет равна:

где а - длина шурфа, м; в - ширина шурфа, м.

Площадь прямоугольного шурфа будет равна:

Объем пород, вынимаемых при глубине слоя вскрышных пород "Н", будет равен:

а) для эллипсоидного сечения

в) для прямоугольного сечения

Снижение объема вынимаемой породы при изменении сечения подсчитывается по формуле

Для частного случая прямоугольника - квадратного сечения имеем «а»=«в» и соответственно

Для многоугольного шурфа (многоугольника, вписанного в прямоугольник) имеем следующие соотношения

где l - длина отбойного молотка, м; к - эргономический коэффициент, определяемый опытным путем, равный 1,4-2,0.

Эргономический коэффициент выбирается исходя из удобства работы проходчика в шурфе и зависит от роста проходчика, типа отбойного молотка, мощности продуктивного пласта. Из практики проходки шурфов на россыпных месторождениях в среднем значение «к» изменяется от 1,4 до 2,0. Например, для условий месторождений ОАО «Нижне-Ленское» значение «к», в среднем, равно 1,8.

При выводе выражения (8) принималось, что по ширине шурфа срезаются углы на расстоянии, равном 0,5-1 с каждой стороны, а по длине на расстоянии, равном к·l с каждой стороны. Т.е. катеты четырех треугольников, на которые уменьшается сечение шурфа, имеют размеры «0,5·l» и «к·l». Соответственно общая площадь, на которую сокращается сечение, будет равна 4·0,5·l·к·l/2=к·l².

Объем вынимаемых вскрышных пород равен:

Степень снижения объема при изменения сечения подсчитывается по формуле:

Для определения случая, когда эффективность проходки сечением многоугольника выше, чем сечением эллипса, составим целевую функцию вида:

Т.е. после некоторой точки, характеризующей отношение длины шурфа к его ширине, значение Э_м будет больше Э_э, что означает более эффективную проходку шурфа по вскрышным породам сечением многоугольника, а не эллипса.

Введем обозначение а=n·в и подставим его в формулы (6) и (10). После этого выражение (11) примет вид:

Исследуем данную целевую функцию на минимум, для чего возьмем производную и приравняем ее нулю. Получим следующее соотношение:

Отсюда, после несложных преобразований, найдем

или

Из формулы (15) вытекает важное следствие, что для шурфов квадратного сечения всегда следует по вскрышным породам проходку вести сечением вписанного круга. Действительно, если в формуле (15) сделать замену (в=а), что соответствует квадрату, то, поскольку второй член в (15) всегда больше нуля, условие (15) не будет выполнено никогда. Переход на сечение многогранника для шурфов квадратного сечения нецелесообразен. Для прямоугольных шурфов следует вид сечения определять по полученной формуле.

В таблице приведены результаты расчетов эффективности (степени снижения объема проходческих работ, выраженных в процентах - результаты умножены на 100%) по формулам (6) и (10).

Таблица.
Размер шурфа
по пласту	2×2	2×1,8	2×1,6	2×1,4	2×1,2	2×1
продуктивному
	к=1,5	9,3	10,4	11,7	13,4	15,6	18,8
Эм	к-1,8	11,2	12,5	14,1	16,1	18,7	22,5
	к=2,0	12,5	13,9	15,8	17,8	20,8	24,5
Ээ	21,5	21,3	20,5	19,0	16,0	11,7

Как видно из таблицы, при значении к=1,8, например, и размере шурфа по продуктивному пласту 2×1,2 выгоднее с экономических позиций проходить шурф по вскрышным породам сечением в виде многогранника. А при размере шурфа 2×1,8 сечением в виде вписанного эллипса. Формула (15) позволяет однозначно определить, при каких размерах шурфа в продуктивном пласте целесообразно использовать тот или иной вид сечения шурфа при проходке по вскрышным породам. Главными особенностями изобретения являются:

1) Проходка шурфа осуществляется отбойным молотком разным сечением по вскрышным породам и продуктивному пласту.

2) Проходку по вскрышным породам осуществляют сечением в виде вписанного в прямоугольник эллипса или многогранника.

3) Вид сечения шурфа при проходке по вскрышным породам, которое дает максимальный положительный эффект, определяют из математической формулы.

Указанные особенности изобретения представляют его отличия от прототипа и обуславливают новизну предложения. Эти отличия являются существенными, поскольку именно они обеспечивают создание положительного эффекта, отраженного в цели предложения, и отсутствуют известные технические решения с таким эффектом.

Способ проходки шурфов в криолитозоне, включающий проходку шурфа по вскрышным породам и продуктивному пласту, отличающийся тем, что по вскрышным породам и продуктивному пласту шурф проходят с помощью отбойного молотка разными сечениями, причем по вскрышным породам проходят сечением в виде вписанного в прямоугольник эллипса или многоугольника, при этом сечение в виде многоугольника выбирают, если выполняется следующее математическое выражение:

a>(в²+16·к·l²/π)^0,5, м,

где а - длина шурфа, м;

в - ширина шурфа, м;

к - эргономический коэффициент, изменяющийся в интервале 1,4-2,0;

l - длина отбойного молотка, м.