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

прекращение ощутимого дальнейшего протаивания вне зави­ симости от количества раствора над поверхностью площадки.

Для крупнодисперсных пород, даже полностью насыщенных

в крупнодисперсных породах диффузия соли в поровом раст­ воре, очевидно, происходит практически так же, как в свобод­ ном растворе. Кроме того, имеется возможность проникновения раствора в глубь мерзлого массива по трещинам и крупным порам, что в итоге способствует убыстрению протаивания. Из результатов описанных опытов вытекает также, что из двух способов воздействия солью на мерзлую породу предпочте­ ние, по-видимому, следует отдать использованию растворов, чем сухой или увлажненной соли.

Изучая процессы тепло- и массообмена предварительно засо­ ленных тонкодисперсных пород при промерзании, основное внимание уделено выяснению характера перераспределения соли, а также влиянию засоления на миграцию влаги при про­ мерзании. Для этого были проведены опыты с песчаной породой фракции 0,10—0,25 мм, увлажненной растворами смеси солей хлористого магния и кальция с концентрациями, равными 4, 7 и 15%. Это соответствовало засоленности ^грунта около 0,5; 1,0 и 2,4 г на 100 г сухого грунта. Не останавливаясь на методике проведения опытов, отметим основные результаты.

При промерзании засоленных тонкодисперсных грунтов одновременно с миграцией и перераспределением воды проис­ ходит перераспределение соли. Как и влажность, количество соли в мерзлой зоне увеличивается. Особенно много ее содер­ жится в самых верхних, наиболее холодных участках мерзлых пород. С увеличением засоленности породы уменьшается общее количество мигрирующей влаги, а вместе с ней и солей. Так, при засоленности 2,4 г на 100 г сухой породы перераспределение воды и соли при промерзании практически полностью отсут­ ствует.

В проведенных опытах было хорошо заметно снижение твердости и возрастание пластичности мерзлой части песчаных образцов по мере увеличения засоленности. Самый верхний слой мерзлой части, температура которого в среднем была равна—19° С, т. е. на 5° ниже температуры замерзания, было трудно отличить по внешнему виду от талых слоев. При неболь­ ших усилиях он легко деформировался и разрушался.

Анализ литературных данных показывает, что для предва­ рительного засоления талых пород с целью предотвращения их смерзаемости лучше проводить засыпку поверхности породы сухой или слегка увлажненной солью. В среднем ее норма составляет около 10 кг/м2. Это обеспечивает сохранение поро­ дой пластичных свойств до глубины приблизительно 1 м. При влажности породы 20% такая норма соли при равномерном ее

168

распределении в объеме породы образует поровый раствор с концентрацией около 3—3,5%, температура замерзания кото­ рого около—2° С. В этом случае можно ожидать сохра­ нения пластичных свойств породы вплоть до температур минус 4—5° С.

Метод, при котором раствор разливали по поверхности, оказался менее эффективным. Однако внедрение раствора через скважины способствует быстрейшему его проникновению в по­ роду и увеличению зоны засоления.

При промерзании засоленной породы большая часть солей в результате миграции влаги может концентрироваться в верх­ них слоях. Это благоприятно может сказаться на сохранении пластичности породы зимой даже при очень низких темпера­ турах (минус 10—20°) и более раннем весеннем протаивапии ее. С увеличением степени засоления эффект перераспределения соли при промерзании уменьшается.

В заключение, исходя из результатов проведенных экспе­ риментальных исследований и анализа литературных данных, можно высказать следующие общие соображения об исполь­ зовании засоления для уменьшения смерзаемости пород.

Использование растворов солей для оттаивания и предохра­ нения от промерзания пород при низких температурах огра­ ничивается их эвтектической температурой (табл. 58). Из всех испытывавшихся на практике солей и их смесей как наиболее дешевые, сравнительно быстро проникающие в грунт, хорошо растворимые, имеющие низкие эвтектические температуры, чаще всего используются хлористый натрий и кальций. Пер­ вый быстрее проникает в породу; последний же имеет значи­ тельно более низкую температуру эвтектики. Расчеты показы­ вают, что для сохранения пластичных свойств породы при температурах, близких к эвтектической, расход соли увеличи­ вается в 8—10 раз по сравнению с расходом соли при темпера­ турах около минус 2—3° С.

Определяющим фактором при выборе способов засоления является дисперсность породы. Предварительное засоление целесообразнее применять в тонкодисперсных породах. В этом случае обработку талой породы рекомендуется проводить за один — три месяца (тем раньше, чем дисперснее порода и больше необходимая глубина засоления) до наступления устой­ чивых морозов. Однако слишком раннее засоление может при­ вести к более глубокому проникновению соли в породу, чем это необходимо, и к снижению эффекта засоления. Крупно­

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная часть разрабатываемых россыпных месторождений полезных ископаемых находится в области распространения многолетнемерзлых пород, наличие которых неблагоприятно сказывается на работе горнодобывающих предприятий. Боль­ шие затруднения при обработке россыпей возникают вследствие недостаточной эффективности, оперативности и экономичности существующих способов оттаивания мерзлых пород, а также слабой разработки способов предохранения подготовленной горной массы от промерзания.

Методы защиты талых пород от промерзания основываются на создании на их поверхности слоя термоизоляции — промер­ зающего слоя воды, пенольда, ледовоздушного покрытия, щитов из пенопласта, снега. В зимний сезон эффективное излу­ чение в несколько раз превосходит поглощенную радиацию и является главной расходной составляющей теплового ба­ ланса. Однако способы управления в производственных масш­ табах эффективным излучением поверхности пород без приме­ нения мощной и дорогостоящей теплоизоляции еще не разра­ ботаны.

Большинство методов искусственного оттаивания основано на непосредственном или косвенном использовании солнечной энергии. Даже в районах с самыми суровыми климатическими условиями (полярная Якутия, Чукотка) годовой приток сол­ нечной энергии, составляющий 60—80 ккал/см2-год, достаточен для оттаивания мерзлых пород радиационным способом на глубину 12—30 м. Однако большая часть солнечной энергии расходуется на отражение, излучение, турбулентный тепло­ обмен и испарение. За летний сезон в горные породы поступает не более 10% притока солнечной энергии. Значительные ре­ зервы в повышении эффективности радиационного способа оттаивания заключаются в снижении расхода энергии на отра­ жение, излучение и испарение, в ускорении его распростра­ нения в протаивающих породах.

Применение в весенне-летний сезон сравнительно простых приемов тепловой мелиорации позволяет увеличить поступление тепла в мерзлые породы. Наиболее полное использование тепла солнечной радиации отмечается при периодическом удалении

а в некоторых условиях даже излучение и конденсация водя­ ных паров из атмосферы. Тепловой поток на протаивание пород в первые сутки после обнажения сравним с величиной радиа­ ционного баланса. Вследствие чрезвычайно высокой тепло­ физической эффективности послойная разработка пород при­ меняется при отработке мерзлых пород повсеместно.

При других способах тепловой мелиорации также удается значительно изменить некоторые составляющие теплообмена протаивающих пород (например, при применении пленок аль­ бедо поверхности увеличивается примерно в 2 раза). Однако воздействие на одну из составляющих теплового баланса на­ рушает установившееся в природе тепловое равновесие и вызы­ вает нежелательные изменения других составляющих. Поэтому направленное изменение любой из составляющих в очень широких пределах приводит к не столь уж большому увеличе­ нию теплового потока в породу. Этим объясняется меньшая эффективность всех других методов тепловой мелиорации по сравнению с послойным удалением талого слоя. Однако при­ менение и этих методов, в частности пленочных покровов, позволяет в некоторых конкретных условиях улучшить тех­ нико-экономические показатели работы горных предприятий.

В количественной оценке методов тепловой мелиорации различные авторы нередко получают противоречивые резуль­ таты. Это отчасти объясняется разнообразием природных усло­ вий, в которых проводились опыты, но в большей мере несо­ вершенством методики исследований. Чаще всего эффективность методов оценивается по результатам определения глубин протаивания (которые имеют большие вариации даже в пределах одного участка), иногда дополненным измерением температур поверхности. Исследования иоказали, что необходимо распо­ лагать хотя бы еще одним параметром — тепловым потоком в породу. Однако для разработки методов прогноза важно было изучить всю совокупность различных по физической природе процессов, происходящих в приземном слое воздуха, естествен­ ном или искусственном покрове, протаивающих и мерзлых породах. Такие комплексные наблюдения проводились Инсти­ тутом мерзлотоведения в условиях Северной-Якутии (прииск Кулар) и Центральной Якутии (окрестности г. Якутска).

В результате; натурных исследований детально изучены составляющие, теплового баланса горизонтальной поверхности

172