Оттаивание мерзлых грунтов

Значительная часть территории России расположена в области вечной мерзлоты. В большинстве же остальных регионов грунт промерзает несколько месяцев в году. Прочность мерзлых грунтов очень высока и растет с понижением температуры, приближаясь к прочности минералов (рис.). При динамических нагрузках и температуре минус 30оС сопротивление сжатию мерзлого песка достигает 15 МПа, а мерзлой глины - 75 МПа, что выше, чем у многих горных пород и минералов. Поэтому разработка мерзлых пород в зимнее время обычной землеройной техникой оказывается малоэффективной или вообще невозможной, и ее проводят с предварительным оттаиванием.

Наиболее эффективно оттаивание производится при помощи воздействия мощным электромагнитным полем СВЧ.

В условиях нашей страны, где поиск и добыча полезных ископаемых сосредоточены в основном на северо-востоке, в условиях вечной мерзлоты, наиболее актуальной оказалась задача разупрочнения полем СВЧ мерзлых грунтов.

Еще в 1978-1982 гг. в Ленинградском горном институте создано оборудование для разупрочнения мерзлого грунта при рытье траншей в условиях сезонного промерзания, состоящее из СВЧ -установки (магнетрон М-111 частотой 915 МГц) и землеройной машины. Глубина разработки за

один проход составляет 0,3-0,5 м при энергозатратах в 5-6 кВт.ч/м3. Там же был создан первый рабочий орган для расширения скважин в мерзлых породах, который разупрочняет породу в стенке скважины направленным потоком СВЧ - поля с последующей отбойкой резцовым инструментом.

Источником СВЧ - энергии служил магнетрон М -81 частотой 2,45 ГГц и мощностью 5 кВт.

При разработке пород типа мерзлой супеси рабочий орган машины обеспечивал прохождение скважины диаметром 800 мм со скоростью 4-10 м/ч, что на порядок выше обычных установок (0,5 м/ч).

В Якутске была создана СВЧ - установка для послойной проходки котлованов в мерзлых грунтах глубиной до 1 м на основе магнетрона М - 93 производительностью 0,85 м³/ч с энергозатратами 30 кВт.ч/м³, а также установка для экстренного вскрытия подземных коммуникаций с более мощным магнетроном М - 116, обеспечивавшая производительность при ручной выемке оттаявшей породы 0,86 -1,57 м³/ч в интервале температур от минус 5 до минус 30^о С с энергозатратами 12 - 30 кВт.ч/м³. Последняя установка, позволявшая в 2-3 раза снизить себестоимость работ и значительно сократить время ликвидации аварий, прошла приемочные испытания в 1985 г.

Сравнение СВЧ - оттаивания с другими способами подготовки мерзлых пород к экскавации позволило сделать вывод о перспективности этого способа в тех случаях, где требуется скоростное проведение работ: проходка шурфов, экстренное вскрытие при авариях, забивка свай и т.п.

Сплошное оттаивание породы в забое из-за высокой энергоемкости может применяться только в случае ограниченного объема выемки или в особых случаях, например, при разведке месторождений. Для снижения удельных энергозатрат при разработке новых землеройных и шурфопроходческих машин следует использовать генераторы метрового диапазона с выходной мощностью 100 кВт и выше, которые сегодня реально имеются.