Крупицы истории

Еще задолго до того, как гигантские плотины перегородили русла великих рек, заставив укрощенную водную стихию щедро одаривать человека теплом и светом, людей разных отраслей знаний и производств занимала мысль — как подчинить себе силу движущейся воды, как «подобрать ключи» к этому неиссякаемому источнику энергии? Думали об этом и пионеры золотого промысла.

Истоки гидравлического способа добычи золота уходят в глубь веков. Так, уже в I в. до н. э. римляне добывали золото, используя энергию водного потока.

В России гидравлический способ разработки золотоносных россыпей впервые применили на Урале в 30-х годах прошлого столетия — значительно раньше, чем в других странах. Интересно отметить, что в Америке способ добычи золота, основанный на применении водного потока и напорной струи, получил название «русского способа». И не случайно. Именно русский инженер В. Пакуль внедрил на Калифорнийских приисках уральскую технику гидродобычи.

В 1884 г. гидравлическим способом была произведена выемка мерзлых торфов в Ленском районе, по р. Ныгри. Работы велись при малом напоре воды; трубопровод был изготовлен из парусиновых труб; гидромонитором служил обычный ручной брандспойт. Двумя годами позднее, в 1886 г. гидравлический способ был применен при разработке золотосодержащих пород на Куджертайском прииске в Забайкалье. Для создания водохранилищ, питавших установку водой, были сооружены три плотины. Воду подводили к установке по пятикилометровому каналу. На этой установке впервые в России был использован гидроэлеватор для транспортирования пульпы. В 1890 г. на уже упомянутой р. Ныгри была пущена крупная гидроустановка. Работы велись следующим образом. Вода из р. Ныгри по каналу длиной около 12 км, имевшему пропускную способность 600 л!сек, подводилась к месту работ. Превышение уровня воды в канале над горизонтом разработки составляло около 100 м. Магистральный трубопровод разветвлялся на две распределительные линии диаметром 375 мм каждая. Для подъема пульпы и откачивания воды из разреза служили гидроэлеваторы, работавшие в две ступени.

Гидроустановкой вначале разрабатывали мерзлые илистые торфа. Струя, с огромной силой вылетавшая из насадки гидромонитора, подрезала около основания высокий уступ породы, который обрушался. Объем такого «обвала» достигал 700 м3. Обрушенную породу оставляли оттаивать естественным путем, смывая, по мере оттаивания, верхние слои.

В 1899 г. в Западной Сибири на р. Чебалсук (в бассейне р. Абакан) Е. А. Черкасовым был успешно применен гидравлический способ для разработки россыпного месторождения золота. Канал для подвода воды к установке, сооруженной Е. А. Черкасовым, включал всего 500 м деревянных лотков (сплоток). Водоподводящий стальной трубопровод имел длину около 400 м и диаметр 45 см; напор воды у гидромонитора составлял 21,0 м, а ее расход — 150 л/сек.

Несмотря на то, что мощность установки Е. А. Черкасова была значительно ниже, чем мощность гидроустановки, примененной в 1890 г. на р. Ныгри, достигнутые показатели были достаточно высокими для того времени. Установкой добывалось 300–500 м3 породы в сутки, производительность труда одного забойного рабочего составляла 20–30 м3 в 10-часовую смену.

Следует отметить, что Е. А. Черкасов ввел такие усовершенствования в процесс гидравлической добычи золота, которые применяются и в настоящее время (использование вспомогательной воды на самотечных гидроустановках, устройство предохранительных клапанов и др.).

Хорошие результаты, полученные Е. А. Черкасовым, способствовали внедрению гидравлического способа добычи золота на россыпных месторождениях Красноярского края, Забайкалья, Баргузинской тайги и других районов Сибири. Однако в целом гидравлический способ не получил в царской России должного распространения. Годовая добыча золотосодержащих пород всеми действовавшими гидроустановками составляла менее 0,5 млн. м3.

Трубопровод прошлого века.

Во время первой мировой войны в Сибири и на Дальнем Востоке гидроустановки почти не эксплуатировались, приходя постепенно в негодность.

После Великой Октябрьской социалистической революции, в период 1923–1927 гг., наиболее рентабельные гидроустановки были восстановлены, а с 1928 г. началось широкое строительство новых гидроустановок. В 1930 г. в г. Иркутске были созданы специальные курсы по подготовке инженеров и техников для внедрения гидромеханизации при разработке золотосодержащих россыпей. Строительство и ввод в эксплуатацию новых гидроустановок определили значительный рост добычи золота гидравлическим способом, дореволюционный уровень которой уже к 1932 г. был значительно превзойден.

Большое внимание в эти и последующие годы было уделено созданию землесосных снарядов, успешно применявшихся в России еще в XIX в. при углублении фарватеров рек и строительстве портов. Для изучения возможности разработки золотосодержащих россыпей плавучими земснарядами под руководством Б. Э. Фридмана в 1940–1942 гг. был спроектирован, построен и испытан опытный плавучий земснаряд.

Водяной нож

Основной механизм при гидравлическом способе разработки — гидромонитор, выбрасывающий с большой скоростью плотную, компактную струю воды, которая обладает значительной энергией и используется для разрушения, размыва и перемещения горных пород, слагающих россыпи.

Специальное приспособление в виде большого деревянного брандспойта, примененное в 30-х годах прошлого века на Урале для размыва золотосодержащих песков, и было прототипом современного гидромонитора.

В нашей стране создано много различных конструкций гидромониторов, однако все они в основном схожи между собой. Гидромонитор состоит из четырех основных частей: неподвижного нижнего колена, вращающегося верхнего колена, ствола и насадки. Ствол-труба имеет форму усеченного конуса, оканчивающегося насадкой из стального литья. В стволе сделаны прорези, в которые вставлены струенаправляющие ребра. Гидромонитор устроен таким образом, что его можно легко поворачивать в горизонтальной плоскости кругом — на 360°.

В зависимости от расстояния гидромонитора от забоя во время работы различают гидромониторы ближнего и дальнего боя.

По конструкции гидромониторы делятся на два основных типа: с центральным, или «королевским», болтом и на шарикоподшипниках. Гидромониторы с королевским болтом имеют большой вес (от 680 до 1100 кг), недостаточную плотность соединения подвижных частей, сложны в управлении; применение их связано с большими потерями напора (при расходе воды 180200 л/сек). Гидромониторами на шарикоподшипниках управлять проще, в остальном же им свойственны те же недостатки, что и гидромониторам с королевским болтом.

Управление гидромонитором с помощью водила.

В последнее десятилетие создан более совершенный гидромонитор ГМН, который широко применяется при разработке золотосодержащих россыпей. Разработана и испытана конструкция уравновешенного гидромонитора ГМЦ-150-ДУ с дистанционным управлением. Пульт дистанционного управления рассчитан на одновременную работу двух гидромониторов. При разработке мерзлых россыпей, когда оттаивание пород происходит за счет солнечной радиации, применяют гидромониторы на гусеничном ходу, так как гидромониторную установку приходится часто перемещать.

Советские ученые внесли большой вклад в изучение гидромеханизации добычи полезных ископаемых и, в частности, в разработку вопросов создания гидромониторных струй и управления ими.

Еще в 1836 г. в Петербурге вышла в свет книга П. П. Мельникова, в которой впервые в мировой литературе были детально рассмотрены вопросы, касающиеся работы струи, вылетающей из гидромонитора.

Для наиболее эффективного использования энергии напорной струи воды гидромонитор нужно располагать как можно ближе к забою. При этом, в целях безопасности, расстояние от забоя до гидромонитора не должно превышать высоты размываемого уступа, вследствие чего гидромонитор приходится часто передвигать к забою, на что тратится много времени. Чтобы избежать перерывов в размыве грунта, применяют два спаренных гидромонитора: один размывает породу, другой в это время передвигается к забою.

Гидравлический способ разработки включает три основные операции: размыв горной породы, транспортировку размытой породы при помощи воды и укладку ее в отвал.

Вода к гидромонитору подается по трубам под напором 5—40 ат. Струя воды, направленная на рыхлые отложения, превращает их в разжиженную массу, называемую пульпой. Пульпа транспортируется самотеком по желобам гидроэлеваторными или землесосными установками. В отвале из пульпы осаждается порода, а осветленная вода поступает в водохранилище для повторного использования.

Возможность использования гидравлического способа зависит главным образом от трех факторов: наличия источников водоснабжения, размываемости пород и интенсивности их водоотдачи при укладке отвалов. Если имеются обильные источники водоснабжения, породы хорошо размываются и легко «отдают» воду, — в этом случае гидромеханизация обеспечивает высокую производительность труда.

К достоинствам гидромеханизации относятся небольшие габариты применяемого оборудования и простота его эксплуатации. Недостатки гидравлического способа — большая энергоемкость при создании искусственного напора воды, а также сезонность работ.

Гидравлические работы в зависимости от горных и гидрогеологических условий ведут с применением безнапорной и напорной воды при естественном и искусственном напорах.

Дистанционное управление работой гидромониторов.

Безнапорной водой (буторный способ) размывают породу с целью ее обогащения. Таким образом разрабатывают многие золотоносные россыпи при содержании металла во всей толще рыхлых отложений. При достаточном количестве воды, свободной площади для бесперебойного размещения хвостов, при необходимом уклоне поверхности и плотика (не менее 0,025—0,03), а также правильной организации работ буторно-смывной способ характеризуется высокими экономическими показателями.

Мощность россыпей, на которых целесообразен смыв торфов и размыв песков, обычно не превышает 5–6 м. Сущность работ заключается в том, что вся масса торфов смывается, а золотосодержащие породы непрерывно размываются («перебуториваются») безнапорной водой. При этом происходит обогащение породы — пустой материал выносится, а тяжелые частицы, содержащие золото, осаждаются. После окончания «буторки» полученный концентрат обрабатывают на обогатительных (промывочных) установках. Для смывных и буторных работ проводят капитальную, водопитательную и буторные канавы. Канавам часто придают зигзагообразную форму, с тем чтобы усилить разрушительное действие воды.

Вторая разновидность способа гидравлической разработки россыпей связана с использованием естественного или искусственного напора. При естественном напоре вода из водохранилища поступает в водонапорный бак по канавам, сплоткам или желобам, реже по трубам. Сплотки строят при пересечении оврагов, балок и на участках со слабыми грунтами; если овраг узкий, то устраивают дюкеры (трубопроводы). Из бака напорная вода подается по трубам, сделанным из листовой стали, иногда из дерева. Напор создается за счет разности геодезических отметок водохранилища и полотна забоев. Потери воды на испарение принимают в зависимости от площади зеркала воды и климатических условий, но не более 5 %.

Искусственный напор на гидравлических установках создается насосами, которые, смотря по местным условиям, могут быть установлены вблизи разрабатываемой россыпи или на некотором расстоянии от нее. В первом случае длина водопровода минимальна и надобность в канавах или сплотках для подвода воды отпадает; во втором напорную воду от насосной установки подводят по трубам, канавам или сплоткам.

Наибольшее распространение получили гидроустановки с естественным напором воды при применении шлюзового и элеваторного способов разработки.

При использовании естественного напора, кроме необходимости обеспечения водой основных операций в забое (разрушение, размыв и перемещение породы, подъем ее на шлюзы), следует учитывать потребность в воде и для вспомогательных операций, например таких, как оттаивание пойнтами, подача безнапорной воды на шлюз и др.

Некоторые гидравлические установки работают на комбинированном напоре, который создается повышением естественного напора с помощью насосов.

Самоходный гидромонитор.

При благоприятном рельефе поверхности искусственный напор часто является первой ступенью, а естественный — второй.

Для разработки вечномерзлых россыпей гидравлические установки с искусственным напором, а также и комбинированные применяются редко из-за большой энергоемкости.

Преимущество гидравлических установок, работающих на естественном напоре, заключается в том, что им не нужна электроэнергия. К недостаткам таких установок относится необходимость строительства и поддержания длинных водоподводящих канав, сплоток и других гидротехнических сооружений, невозможность регулирования напора, а также использования оборотной воды и, следовательно, — зависимость установки от источника водоснабжения.

При работе гидравлических установок с искусственным напором не требуется водоподводящих канав, возможно регулировать напор и использовать оборотную воду. Производительность этих установок, как правило, выше производительности установок с естественным напором. Недостаток гидроустановок, работающих на искусственном напоре, — большой расход электроэнергии. Поэтому общие эксплуатационные расходы, в значительной мере зависящие от стоимости электроэнергии, на установках с искусственным напором выше, чем на установках с естественным напором.

Системы разработки

До начала разработки золотоносной россыпи проводятся дренажные работы для отвода поверхностных вод и стока излишней воды из рабочего забоя в капитальную канаву, размер которой определяется расчетом в каждом отдельном случае по максимальному расходу. Отработка россыпи начинается с зарезки первоначального забоя.

В зависимости от направления фронта очистных работ и транспортировки пульпы на промывочные приборы различают системы разработки попутными, встречными и боковыми забоями. При системах разработки попутными и боковыми забоями гидромониторы устанавливают на плотике или на поверхности россыпи, а при системе разработки встречными забоями — на плотике.

В зависимости от направления очистных работ относительно простирания россыпи каждая из трех названных систем разработки может быть продольной или поперечной.

При системе разработки попутными забоями вдоль и поперек россыпи проводят канавы для подачи пульпы к промывочному прибору. Их «роют» гидромониторами или же механическими средствами — канавокопателями, экскаваторами, бульдозерами.

При проведении канавы с помощью гидромониторов совпадение направления движения пульпы с направлением струи напорной воды при отбойке породы создает благоприятные условия для подгонки песков в канаву или зумпф, поэтому искусственная обводненность разреза при системе разработки попутными забоями меньше, чем при других системах.

Система разработки встречными забоями хороша только при уклоне плотика, достаточном для самотечного перемещения пульпы. Направление движения пульпы противоположно направлению струи гидромонитора. Применение для перекачки пульпы при недостаточном уклоне плотика гидроэлеваторов или землесосов нецелесообразно, так как это снижает производительность гидроустановки, осложняет работы и лишает систему встречных забоев ее основного преимущества — самотечного перемещения пульпы. Обводненность разреза, особенно при отсутствии необходимого уклона, больше, чем при системе разработки попутными забоями.

При системе разработки встречными забоями нет необходимости в нарезных канавах.

Систему разработки боковыми забоями применяют при разработке широких долинных россыпей отдельными разрезами. Работы ведут с опережающими встречными забоями, что способствует большой производительности гидромониторов.

Независимо от системы разработки верхний торфянорастительный слой грунта снимают бульдозерами, чтобы использовать для оттайки солнечное тепло.

Систему разработки выбирают в каждом случае в зависимости от типа россыпи, а также от геологических и горнотехнических условий.

Россыпи, сложенные каменистыми и глинистыми породами, плохо поддаются размыву напорной водой, поэтому использование гидроустановок в таких условиях малоэффективно. Тяжелые породы разрабатывают комбинированными способами, при которых, наряду с гидромониторами, применяют рыхлители или вспомогательные землеройные машины. В качестве примера можно назвать совместную работу гидромониторов и бульдозеров. Бульдозер «подбирает» и собирает в кучи добытую породу, а гидромонитор измельчает и транспортирует ее к промывочному прибору.

В вечной мерзлоте

В северных и восточных районах нашей страны — на Лене, в Магаданской области, в Забайкалье, на Амуре, где россыпи, как правило, находятся в вечномерзлом состоянии, гидравлический способ разработки с естественным напором был впервые применен сравнительно недавно.

В 1942 г. на прииске Ат-Урях Ягоднинского района Магаданской области была построена плотина. Из созданного водохранилища по сплоткам протяженностью 15 км воду стали подавать к водонапорному баку, а оттуда к гидромониторам, с помощью которых разрабатывались пески. Напор воды составлял 5 ат, что позволяло размывать пески, транспортировать их и обогащать. Вследствие ограниченности запасов воды в первый год эксплуатации работало всего пять гидромониторов, из них три на размыве и два на хвостах.

Несмотря на сравнительно высокую производительность труда, достигаемую при разработке россыпей способом гидромеханизации, стоимость переработки 1 м3 горной массы этим способом за последние годы повысилась почти в полтора раза. Это объясняется ростом числа установок с искусственным напором при относительно высокой стоимости электроэнергии. Расходы на переработку 1 м3 вечномерзлой горной массы при естественном напоре воды в 3–4 раза меньше, чем при искусственном.

Однако при снижении стоимости электроэнергии и благоприятных гидрогеологических условиях возможности разработки вечномерзлых россыпных месторождений способом гидромеханизации будут значительно расширены, особенно в тех районах, где достаточно источников водоснабжения и экономически невыгодно применять дражный способ разработки.

Транспорт без рельсов и дорог

Вода служит также средством транспорта породы от забоя. При безнапорном гидротранспорте пески перемещают от забоя к шлюзам, зумпфам или пульпоподъемникам самотеком — по канавам, лоткам или трубам.

По грунтовым канавам, ввиду их значительных сопротивлений, пульпу транспортируют только при больших уклонах. Обычно в канавы укладывают желоба из дерева или листовой стали. При отсутствии необходимого уклона для самотечной транспортировки пульпы по лоткам и канаве породу «подгоняют» струей гидромонитора. При этом, однако, происходит чрезмерное разжижение пульпы. Кроме того, сильно возрастает расход напорной воды — это не всегда приемлемо при ограниченных водных ресурсах.

При напорном гидротранспорте до недавнего времени пульпу из разреза на шлюзы, установленные на его борту, поднимали гидроэлеваторами.

Двигатель — вода

Уже в самом термине «гидроэлеватор» расшифровано назначение этой установки — подъем водой. В основу работы гидроэлеватора положен принцип непосредственной передачи энергии одного потока другому.

Рабочей жидкостью в гидроэлеваторе служит вода, а транспортируемой — либо только вода, либо вода с твердыми частицами измельченной породы — пульпа.

Принцип действия гидроэлеватора весьма прост. Рабочая жидкость подается в трубу, оканчивающуюся насадкой. Вытекая из насадки под давлением в виде компактной струи, вода поступает в специальную камеру и, протекая по ней, увлекает за собой воздух, вследствие чего в камере создается вакуум. Благодаря вакууму, по другой трубе происходит засасывание транспортируемой жидкости в камеру, где она перемешивается с рабочей жидкостью.

Еще в 1886 г. горный инженер М. А. Шостак впервые применил гидроэлеватор при разработке золотосодержащих пород Куджертайского прииска. В. А. Ячевский писал об этом: «20 сентября 1886 г., т. е. тот день, когда впервые нам пришлось увидеть совместную работу элеватора и брызгала, бесспорно, должен быть записан блестящими буквами в историю сибирской золотопромышленности».

Конструкции гидроэлеваторов непрерывно совершенствуются. Применение этих устройств при разработке золотосодержащих россыпных месторождений очень разнообразно. Их используют для гидротранспорта, для разгрузки отсадочных машин и съемки концентратов со шлюзов, для транспортировки эфелей из-под грохотов на отсадочные машины, для водоотлива и т. п. В зависимости от условий работы гидроэлеватор устанавливают в горизонтальном, вертикальном или наклонном положении.

При всех неоспоримых достоинствах гидроэлеваторы имеют и существенный недостаток — очень низкий коэффициент полезного действия (не более 0,2). Именно это обстоятельство вызвало необходимость создания более экономичных механизмов. В настоящее время гидроэлеваторы применяются, как правило, только при избытке напорной воды. На смену гидроэлеваторам приходят более производительные машины — землесосы.

1000 литров в секунду

Землесос — наиболее совершенная из машин, применяемых для транспортирования пульпы от забоя к обогатительным установкам. Основное преимущество землесоса по сравнению с гидроэлеватором — более высокий коэффициент полезного действия, достигающий 0,55—0,72.

Однако землесос в условиях разработки россыпей имеет и недостатки по сравнению с гидроэлеватором: при равной производительности вес землесоса в 2–3 раза превышает вес гидроэлеватора. Стоимость землесоса, а также стоимость его транспорта в отдаленные районы в несколько раз выше аналогичных расходов для гидроэлеватора. Землесос более сложен в обслуживании.

Землесос в конструктивном отношении представляет собой одноступенчатый центробежный насос, но рабочее колесо его, в отличие от колеса центробежного насоса, имеет увеличенные размеры межлопастного пространства для пропуска камней и крупных кусков породы. Корпус и рабочее колесо землесоса изготовляют, во избежание быстрого износа, из отбеленного чугуна или стали специальных сортов.

Пульпа засасывается землесосом из зумпфа, объем которого определяется наибольшей производительностью гидравлической установки. Если для подачи пульпы на промывочный прибор напора одного землесоса недостаточно, устанавливают два землесоса (последовательно). При разработке россыпей применяют преимущественно землесосы марок 6НЗ, 8НЗ и ЗГМ-2.

Землесосный снаряд в работе.

Обычно гидравлическая установка включает один землесос и несколько гидромониторов. Для удобства передвижения землесосы устанавливают на платформах, снабженных салазками, или на тракторных тележках, имеющих гусеничный ход; существуют также самоходные конструкции, на базе гусеничных тракторов. Наиболее часто применяют землесосные установки, смонтированные на платформах с салазками, которые передвигают с помощью трактора.

Большой интерес представляют плавучие землесосные снаряды с механическими разрыхлителями. В России первые опыты по применению земснарядов для добычи золота проводились в 1884 г. на р. Илиткан (приток р. Зеи).

Позднее, в 1909 г. землесосный снаряд был установлен на р. Сакраменто (Калифорния, США). Всасывающая труба помещалась в специальном зумпфе и ее направлял водолаз. Если встречались большие камни, водолаз откатывал их.

Плавучие землесосные снаряды, независимо от конструкции, состоят из стального, реже деревянного понтона, верхней надстройки — палубы, на которой размещены лебедки для передвижения снаряда, землесосы и их двигатели, насосы для заливки землесосов, обогатительное оборудование, пульпопроводы и др.

В качестве привода землесосных снарядов могут применяться дизельные и электрические двигатели. Всасывающую трубу землесоса, подвешенную одним концом к передней мачте, поднимают и опускают с помощью лебедки и полиспаста.

Землесосные снаряды, как и драги, работают в искусственных и естественных водоемах. Пески обогащают либо на приборах, установленных непосредственно на понтоне снаряда, либо на плавучих и береговых фабриках.

Для рыхления плотных пород землесосные снаряды имеют специальные приспособления — разрыхлители различной конструкции. Одна из таких конструкций применялась, в частности, на строительстве Куйбышевской ГЭС для рыхления плотных грунтов.

Трубы плавучего пульпопровода соединяют между собой гибкими резиновыми рукавами или с помощью фланцев с болтовым креплением. Для соединения труб диаметром до 300 мм применяют резиновые рукава, армированные проволочной спиралью, для труб больших диаметров — резиновые рукава с наружной предохранительной оплеткой. Пульпопроводы между земснарядом и береговыми пульпопроводами соединяют также резиновыми рукавами, поддерживаемыми на плаву металлическими поплавками из труб.

Землесосный снаряд работает следующим образом. Рама с разрыхлителем и всасывающей трубой опускается на забой, после чего насос нагнетает воду и включается эжектор. Одновременно начинает работать разрыхлитель. Разрыхленная порода с водой всасывается землесосом и нагнетается в пульповод, к которому присоединены обогатительные трубы.

Россыпь разрабатывают послойно. Когда вырабатывается слой породы, равный по высоте диаметру разрыхлителя, рама с разрыхлителем и всасывающей трубой опускается и отрабатывает новый слой. Таким образом россыпь обрабатывается на всю мощность.

В настоящее время для разработки глинистых пород применяются головки разрыхлителей с ножами в виде сверл, а для разработки каменистых пород — с ножами, на которые насажены зубья из хромоникелевой стали.

Землесосные снаряды разрабатывают долинные и русловые россыпи аллювиального происхождения.

Широкое применение гидромеханизации для разработки золотосодержащих россыпей Сибири и Дальнего Востока долгие годы ограничивалось двумя факторами — потребностью в электроэнергии и необходимостью иметь воду с естественным напором.

В настоящее время созданы возможности для самого широкого внедрения гидромеханизации, что обусловлено, в первую очередь, строительством на Востоке нашей страны мощных электростанций, которые «насытят» районы золотоносных россыпей дешевой электроэнергией. Для расширения области применения гидромеханизации при добыче золота важно помимо этого, оснащение приисков универсальными машинами для вскрыши торфов, а также использование для оттаивания мерзлых пород солнечной радиации.