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

Теплобалансовые исследования в области распространения многолетнемерзлых пород охватывали большей частью только летний период. Получение таких данных было вызвано потреб­ ностями горного дела, строительства, сельского хозяйства. В. П. Бакакин, И. Т. Рейнюк, В. Т. Балобаев, А. И. Мамаев изучили закономерности формирования составляющих теплово­ го баланса вскрываемых и разрабатываемых пород на россып­ ных месторождениях полезных ископаемых. В работах М.К. Гав­

21

риловой исследован тепловой баланс многих видов естествен­ ной поверхности в Якутии за летний сезон. А. В. Павловым проведены наблюдения за составляющими теплового баланса пород при некоторых видах инженерной мелиорации поверх­ ности в Воркуте.

Эти работы в сочетании с исследованиями Гидрометеослуж­ бы позволяют оценить возможности управления процессами тепло- и влагообмена пород с атмосферой.

Поскольку управлять поступлением солнечной энергии в до­ статочных для практики масштабах человек пока еще не в со­ стоянии, результирующая лучистого теплообмена R может быть повышена только при увеличении альбедо поверхности

Аили понижении ее эффективного излучения / эф. Эффективное излучение зависит главным образом от тем­

пературы и влажности воздуха, температуры поверхности по­ роды, а также облачности. Между эффективным излучением и отмеченными факторами М. Е. Берлянд нашел определенную зависимость:

где 6 — степень черноты излучающей поверхности; о — йостоянная Стефана—Больцмана (4,9•10~8ккал/м2-ч- град 4); е — абсо­ лютная влажность, мм; п — облачность; С — эмпирический коэффициент; Тп и Тъз— абсолютные температуры поверхно­ сти и воздуха.

Эта формула показывает, что эффективное излучение можно уменьшить, повысив влажность воздуха путем введения в атмо­ сферу поглотителей длинноволновой радиации — дыма, тума­ на. Такие приемы, широко используемые для защиты сельско­ хозяйственных растений от заморозков, не нашли применения в горном деле. Лучшим, практически единственным средством, эффективно уменьшающим длинноволновое излучение, являют­ ся теплопоглощающие пленки (Федоров, 1935).

Альбедо поверхности в естественных условиях может изме­ няться в широких пределах—от 5—6 (глубокий водоем) до 80—85% (свежевыпавший снег). Оно зависит от влажности и плотности поверхностного слоя породы, вида, высоты и сомк­ нутости растительного покрова, высоты солнца, облачности и других факторов. Обычно при тепловых расчетах принимают средние суточные значения альбедо. Данные о таких величинах альбедо различных поверхностных покровов в области рас­ пространения многолетнемерзлых пород приводятся в работах В. П. Бакакина (1955), Е. П. Барашковой и др. (1961), А. В. Пав­ лова (1965),М. К. Гавриловой (1961, 1969). При расчетах тепло­

22

вого взаимодействия пород с атмосферой при различных видах поверхности можно принимать следующие величины альбедо

При расчистке снежного покрова весной альбедо понижает­ ся с 40—60 до 20—25%, а радиационный баланс увеличивается почти вдвое. При затоплении полигона на летний сезон неглу­ боким слоем воды альбедо понижается с 18—20 до 9—12%, что повышает радиационный баланс примерно на 15%. При других видах тепловой мелиорации — обнажение пород от мохо-торфяного покрова, зачернение поверхности (при исполь­ зовании дегтя, угольного порошка и др.) — радиационный ба­ ланс также увеличивается, но не более чем на 10—15%.'

Таким образом, путем искусственного изменения поверх­ ностного покрова можно изменить радиационный баланс поверх­ ности весной на 150—200, а летом всего на 20—25%. Макси­ мальное поглощение солнечной энергии в весенне-летний сезон можно обеспечить расчисткой снежного покрова и затоплением полигонов. Поглощение лучей происходит особенно интенсивно при зачерненип поверхности полигона перед затоплением не­ смываемым красителем, но этот метод, получивший название солнечных тепловых ванн и рекомендованный В. П. Бакакиным для разового оттаивания мелкодисперсных покровных отло­ жений, в производственных условиях пока не испытывался.

Уравнение (1.16) показывает, что повысить тепловой поток в горные породы можно не только путем увеличения результирую­ щей лучистого притока тепла, но и сокращением расходных со­

23

ставляющих теплового баланса — турбулентного теплообмена, затрат тепла на испарение и таяние снежного покрова.

Температура и влажность воздуха на уровне деятельной поверхности и в атмосфере обычно не равны, поэтому в призем­ ном слое возникают процессы вертикального турбулентного тепло- и влагообмена. При математическом описании этих процессов пользуются тремя схемами, предполагающими изве­ стными следующие элементы температуры и влажности в при­ земном слое:

а) вертикальные градиенты (Будыко, 1956; Лайхтман, 1961); б) вертикальные микронеоднородности (Монин и Обухов,

1954);

в) вертикальные и горизонтальные микронеоднородности (Константинов, 1960).

Наиболее употребительна первая схема, в которой при расчете турбулентного теплообмена Р и испарения Е к при­ земному слою применяют уравнение молекулярной диффузии

И

температура и удельная влажность воздуха на уровне zo (zo — параметр шероховатости, равный высоте, на которой скорость ветра обращается в нуль); ( и д - температура и удельная влажность воздуха на уровне z.

Полученные выражения аналогичны широко используемым в теории теплообмена формулам:

ср

24

Формулы (1.22) и (1.23) представляют собой аналогию формул (1.18) и (1.19), однако они удобнее для расчетов, так как К существенно изменяется с высотой, а ат и ам от высоты практически не зависят.

Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от скоро­ сти ветра, физических характеристик воздуха и пород, а также от гидродинамической шероховатости, формы и размеров дан­ ной поверхности и поверхности окружающих участков (Ми­ хеев, 1956; Кудрявцев и др., 1961). Он увеличивается с возра­ станием скорости ветра но линейному (Будыко, 1956; Монин и Обухов, 1954; Константинов, 1960) или степенному (Мачинский, 1949; Павлов, 1965) закону п с возрастанием шерохова­ тости и перепада температур в приземном слое.

Поскольку снижать температуру поверхности при горно­ технической мелиорации нецелесообразно, единственно воз­ можные пути управления турбулентным теплообменом заклю­ чаются в уменьшении шероховатости поверхности или скорости ветра. Однако известные из литературы методы, при которых возможно снижение величины Р (устройство ветрозащитных щитов ц нр.), малоэффективны. Как показывают данные табл. 6, при удалении травяного покрова турбулентный теплообмен воз­ растает примерно па 30%. Несмотря на это, тепловой поток в породу возрастает, так как затраты тепла на испарение сни­ жаются значительнее, чем увеличивается турбулентный тепло­ обмен.

Затраты тепла на испарение — наиболее энергоемкая сос­ тавляющая теплового баланса, но которую можно регулиро­ вать в широких пределах сравнительно несложными приемами тепловой мелиорации. В частности, в Якутии затраты тепла на испарение в естественных условиях (луг) составляют летом 30—40% от радиационного баланса (15—25% от суммарной радиации). Испарение с поверхности непродуктивных вскры­ ваемых «торфов» нередко даже превосходит испарение с луга. По данным В. П. Бакакина (1955), величина LE в естественных условиях невскрытого дражного полигона р. Нижний Куранах (Южная Якутия) изменялась летом от 70 до 75% от К, а осенью снижалась до 53% от К.

Наиболее целесообразными приемами управления испаре­ нием в летний сезон и, следовательно, влажностью пород при разработке россыпных месторождений можно считать сле­ дующие:

1)удаление древесной и кустарниковой растительности, мохо-торфяного покрова и слоя торфов;

2)удаление снежного покрова весной;

3)применение пленочных покрытий;

4)изменение структуры поверхностного слоя;

5)устройство открытого дренажа для перехвата поверхно­ стного стока.

25