Файл: Павлов, А. В. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей.pdf

О втором способе следует сказать, что засоление мерзлых средне- и крупноскелетных пород используется пока не так инроко, хотя возможности его применения имеются. В немного­ численной литературе, посвященной этому способу, есть сведе­ ния лишь о технических приемах. Так, А. И. Пантелеевым (1964) показана целесообразность использования концентриро­ ванных растворов с температурой 60—70° С непосредственно перед разработкой небольших объемов мерзлых гравелистых, гравийно-песчаных, песчаных и супесчаных пород, если тем­ пература их на глубине 20 см не ниже — 10°, глубина промер­ зания не более 2 м, а в легких суглинках независимо от влаж­ ности пород 0,8 м. В табл. 57 приведены нормы засоления,

Т а б л и ц а 57

Расход раствора соли, концентрация и сроки выдержки пород при их засолении (Пантелеев, 1964)

предложенные А. Н. Пантелеевым (1964). При увеличении объемов разработки мерзлых пород внимание практиков может привлечь блочный способ, рекомендованный У. Г. Емельяновым: концентрированные растворы соли заливают не по всей поверх­ ности пород, а в специально прорезанные на определенном расстоянии борозды. В результате порода как бы «разрезается» на блоки, которые затем можно захватить ковшом экскаватора. При этом способе разработку пород можно производить быстрее, к тому же соли требуется примерно в два раза меньше, чем при сплошном засолении.

В литературе плохо освещены следующие вопросы, которые необходимо решить для оценки воздействия засоления на ослабление смерзания пород:

1) истинная скорость растворения (таяния) и скрытая теп­ лота перехода льда в жидкую фазу в растворе соли хлористого

натрпя (как наиболее часто употребляемой на практике) в за­ висимости от концентрации и температуры раствора;

2)скорость оттаивания мерзлых образцов породы (песок, смесь гравия с песком) при засолении в отсутствие внешнего теплового воздействия;

3)процессы тепле- и массопереноса предварительно засо­ ленных пород при промерзании.

Следует отметить, что скорость растворения льда в растворе соли в отсутствие внешнего темпе­ ратурного воздействия характеризу­ ет потенциальные возможности искус­ ственного засоления при оттаивании мерзлых пород.

При таянии льда в неперемешиваемом растворе у поверхности его

Изучение скорости растворения льда в условиях интенсив­ ного перемешивания раствора хлористого натрия в зависимости от его концентрации проводилось калориметрическим методом. На рис. 33 приведены скорости растворения льда, полученные в наших опытах и рассчитанные по формуле А. И. Пеховича и И. Н. Шаталиной (1968), предложенной им на основании экспериментального изучения таяния ледяных пластин в спо­ койном растворе хлористого натрия:

м( Т — Гт \1 ,7(1+0,9с)

v = 0,95 -104

где v — линейная скорость таяния льда, см/сутки; Т3— абсо­ лютная температура замерзания раствора, ° К; Т р— абсолют­ ная температура раствора, в котором проходило таяние льда, 0 К; с — весовая концентрация раствора, отн. ед.

164

Приведем также результаты расчетов, выполненных авто­ рами па основе опытных данных А. С. Невского и А. И. Малы­ шевой (1968) по изучению скорости таяния цилиндрических образцов льда в условиях вынужденного движения раствора хлористого натрия с концентрацией 16,8% вдоль их боковой поверхности при разных температурах раствора:

Анализ этих данных показывает, что скорость таяния льда в растворе хлористого натрия сильно зависит от температуры раствора и его концентрации. Общий характер этих зависимо­ стей принципиально одинаков как для условий интенсивного перемешивания, так и спокойного раствора. С повышением температуры раствора скорость таяния льда увеличивается. Возрастает она и с ростом концентрации, однако до определен­ ного предела — эвтектической концентрации, после чего по­ степенно уменьшается. Основной же результат заключается в том, что скорость таяния льда в растворах при прочих одина­ ковых условиях в значительной степени определяется характе­ ром тепло- и массообмена в пограничном слое плавления. Оче­ видно, что скорость таяния льда в условиях интенсивно­ го перемешивания раствора наибольшая. В отсутствие вынужденного перемешивания она заметно уменьшается. Тем не менее все эти данные показывают довольно значительную (до нескольких десятков сантиметров в сутки) линейную ско­ рость растворения льда в растворах хлористого натрия. Сле­ довательно, метод засоления перспективен для практического использования при оттаивании мерзлых пород.

Опытные работы по изучению скорости оттаивания песчаных пород при их искусственном засолении хлористым натрием проводились на площадках в подземной лаборатории Института мерзлотоведения, где естественная отрицательная температура постоянна, и на образцах в термостатированных условиях. Лабораторные опыты проводились с небольшими цилиндриче­ скими образцами высотой 6 см, диаметром 10 см, влажностью 13—15%, при температурах —3, —6, —10° С, концентрациях растворов соли 14—16, 20 и 26%. Размер опытных площадок составлял 1 м2, влажность естественного грунта около 28%, температура —2,9° С. Количество соли или заливаемого раст­ вора и его концентрация были следующими: на первой пло­ щадке — 46 л раствора с концентрацией 75 г/л, на второй — 30 л при 175 г/л, на третьей — 30 л при 300 г/л, на четвертой —

11кг/м3 соли, увлажненной 5 л раствора слабой концентрации. Кроме того, в подземной лаборатории были поставлены

опыты с мерзлыми образцами смеси гравия с песком, состав­ ленной в соотношении 4 : 1 по объему влажностью 25%.

165

Размеры образцов: высота 35—40 см, диаметр 28 см. Оттаивание проводили увлажненной солью с нормой около 11 кг/м3 и 26/о-ным раствором соли. Количество соли и раствора для опытов брали из такого расчета, чтобы равновесная концентра­ ция норового раствора установилась но всему объемуобразцов по­

установлено, что наибольшая скорость оттаивания песчаных образцов наблюдалась в течение первых 5—10 часов; состави­ ло 0,1—0,2 от общего времени опыта. За этот срок оттаи­ вало 0,5—0,7 всей глубины протаивания. В дальнейшем про­ цесс оттаивания существенно замедлялся. Это связано с тем, что, во-первых, при оттаивании происходит общее постоянное разбавление первоначальной концентрации раствора в порах пород и на его поверхности; во-вторых, этот процесс в сильной степени ограничивается скоростью диффузии ионов соли в но­ ровом растворе пород, за счет которой должно происходить выравнивание концентрации по глубине и восстановление ее дефицита на границе оттаивания.

В целом динамика оттаивания образцов мерзлых пород под воздействием растворов хлористого натрия по характеру зави­ симости от температуры и концентрации принципиально одина­ кова с динамикой таяния льда в спокойном растворе. Однако количественные характеристики, в частности средняя скорость оттаивания мерзлых пород, приблизительно на порядок меньше, чем скорость таяния льда в растворе, и составляют всего 1 —3 см/сутки. И только в первые моменты, когда условия оттаи­ вания образцов мерзлых пород и таяния льда в растворе при­ близительно одинаковы, скорости этих процессов примерно равны. В дальнейшем в результате общего разбавления исход­ ного раствора и осложнений за счет снижения интенсивности диффузии ионов соли в породах по сравнению с диффузией в объеме раствора скорость оттаивания мерзлых пород значи­ тельно снижается.

Еще медленнее шло оттаивание на естественных площадках, где скорость их протаивания в среднем составляла 0,17; 0,16; 0,22 и 0,31 см/сутки. Очевидно, большая монолитность и ненарушенность структуры мерзлых пород в естественном сложении, его более высокая влажность зна­ чительно ухудшают условия проникновения соли в породу, замедляют протаивание.

Из сравнения относительного протаивания на этих площад­ ках получалась такая закономерность: чем больше соли вводили в породу, тем более интенсивно шло протаивание. Однако, абсолютная скорость оттаивания возрастает

16G

яе пропорционально количеству вводимой соли в породу (т. е. не пропорционально увеличению нормы расхода соли), а значи­ тельномедленнее. Из этих опытов можно сделать вывод, что наи­ более рациональный расход соли, при котором достигается чаилучшее ее использование, приблизительно составляет около 2,5—5 кг/м2 при концентрации раствора 170—250 г/л.

Объяснение этому, по-видимому, следует искать в том, что происходящие при засолении процессы обменной адсорбции, агрегирования и диспергирования могут изменять фильтра­ ционные и диффузионные свойства пород. Поэтому наиболее подходящими для искусственного размораживания связанных ■город считают хлористый кальций и магний (Бойко, 1970). Двухвалентные катионы кальция вызывают коагуляцию кол­ лоидных минеральных частиц, препятствуют набуханию от­ таявшей породы, способствуют сохранению высоких фильтра­ ционных свойств. Еще более сильным коагулирующим дейст­ вием обладают трехвалентные ионы, например, железа. Поэтому в состав солевых растворов для оттаивания мерзлых связанных пород рекомендуют вводить наибольшие добавки хлорного железа.

С уменьшением дисперсности пород скорость оттаивания значительно возрастает. Так, протаивание образцов мерзлой смеси гравия с песком быстро достигло расчетной глубины: применяя 26%-ный раствор, весь образец высотой 40 см оттаял за 4 суток, а под воздействием увлажненной соли (высота образца 35 см) — за 8 суток. Средние скорости оттаивания составили соответственно 10 и 4,4 см/сутки. Как видим, оттаи­ вание смеси гравия с песком с использованием увлажненной соли шло медленнее, чем под воздействием раствора, так как увлажненная соль медленнее, чем соль в растворе, проникает в породу. Для крупнодисперсных пород следует ожидать, что наилучших результатов можно достигнуть, применяя солевые растворы с концентрацией 20—25%. При этом раствор соли быстрее проникает по крупным порам в глубь массива пород, что способствует увеличению поверхности контакта раствора с мерзлой породой и ускорению ее оттаивания.

Таким образом, протаивание мерзлой породы под воздей­ ствием соли зависит в значительной степени от дисперсности. Для мелкодисперсных однородных пород протаивание сильно осложняется зависимостью от диффузионных и физико-хими­ ческих процессов. В этом случае увеличение расхода соли не всегда может быть рациональным. По данным Ю. М. Ведяева и др. (1969), на слабофильтрующихся илистых отложениях

167