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

Идея получения пористого льда путем нагнетания в замерзшую воду сжатого воздуха предложена М. М. Крыловым. К сожа­ лению, технические возможности осуществления такого приема в широких масштабах до сих пор не нашли эксперименталь­ ного подтверждения.

Кроме снега и льда из термопокрытий минерального проис­ хождения в практике строительства применялись также шла­ ковата, стекловолокно и другие материалы, которые еще не испытывались для защиты полигонов от промерзания. В горно­ технической литературе (Харченко, 1957; Пешков, 1965) часто описываются результаты применения дешевых термопокрытий органического происхождения (древесные опилки, хвоя, мох, опавшие листья, ветви кустарника). Практика показала, что в большинстве своем они не предохраняют породу от глубоко­ го промерзания, а в некоторых случаях даже дают отрица­ тельный результат.

В последнее время по инициативе ВНИИ-1 проводятся опытные работы по защите полигонов от промерзания высоко­ пористыми синтетическими материалами, теплопроводность ко­ торых лишь ненамного выше теплопроводности воздуха: поли­ стироловый пенопласт, мипора (мочевинно-формальдегидный пенопласт) и др.

Основной недостаток миноры, затрудняющий ее внедре­ ние, — низкая механическая прочность, высокое вла^опоглощение. Полистироловый пенопласт лишен этих недостатков. Он имеет замкнутые поры, достаточно прочен и долговечен. Опыты показали существенное уменьшение толщины льда под пенопластовыми щитами (Приймак, 1966). Скорость промерза­ ния водонасыщенных пород под пенопластовыми щитами ста­ новится меньше скорости понижения уровня грунтовых вод, поэтому пески и галечники успевают просохнуть и промерзают в обезвоженном состоянии. Это приводит к некоторому повы­ шению интенсивности промерзания, но все равно под пенопла­ стом оно заметно меньше, чем без него.

Применение пенопласта будет более эффективным, если его поверхность дополнительно покрывать синтетическими плен­ ками, задерживающими длинноволновое излучение. Для сни­ жения до минимума передачи тепла путем свободной конвек­ ции весьма перспективными для защиты от промерзания пород могут быть также многослойные пленочные покрытия, в кото­ рых толщина зазора между пленками не превышает нескольких миллиметров.

Большую пористость и меньшую теплопроводность, чем пленочные покрытия, имеет пенолед, с помошью которого гор­ ный инженер К. В. Беломестнов в 1960 г. провел первые успеш­ ные опыты по защите полигонов от промерзания. Для получе­ ния пенольда в водный поток через брандспойт вводят пенооб­ разующий состав. При низких температурах воздуха такой

30

состав замерзает, образуя ячеистую ледяную массу. Стой­ кость пены повышают стабилизирующими добавками, увели­ чивающими ее вязкость и дающими возможность получить слой необходимой толщины (казеиновый клей, смола и др.). Способы получения пенольда описаны в литературе (Лед и снег, 1966).

Способы искусственного оттаивания мерзлых горных пород и их теплофизическая эффективность. Искусственное оттаива­ ние мерзлых пород на россыпных месторождениях проводят методами тепловой и водно-тепловой мелиорации. При тепловой мелиорации преследуют цель — увеличить кондуктивный теп­ ловой поток в породу летом и уменьшить потери тепла зимой путем искусственного воздействия на составляющие теплового баланса н на процессы кондуктивного теплообмена в поверх­ ностном слое. При водно-тепловой мелиорации для интенсивно­ го оттаивания мерзлых крупнодисперсных отложений в качест­ ве теплоносителя применяют воду.

На основе обобщения богатейшего опыта отечественной гор­ нодобывающей промышленности Восточной Сибири, СевероВостока, Забайкалья, Амурской области, а также промышлен­ ности США (Аляска) и Канады и их теоретических исследова­ ний было разработано несколько способов искусственного отта­ ивания горных пород при разработке россыпных месторожде­

♦Находится в стадии разработки.

Способ естественного оттаивания основан на том, что летом производят вскрышу до продуктивных отложений и тем самым усиливают аккумуляцию солнечного тепла. В некоторых южных районах криолитозоны, где мощный снежный покров препят­ ствует глубокому промерзанию пород, удаление только влаго-

31

емкого мохо-торфяного слоя приводит к тому, что глубина протаивания становится больше глубины промерзания. За несколько лет россыпь полностью оттаивает. Например, в Бо­ дайбинском районе (Иркутская область) вскрытыекрупно­ дисперсные отложения мощностью 3—3,5 м оттаивают заЗ—4 го­ да, (Гарагуля, Чернядьев, 1966), а мощностью 10 м—за 16 лет (Крашин, 1966). Летнее дренирование талого слоя сокра­ щает сроки протаивания на 20—25 %. В более северных районах промерзание пород предотвращают путем затопления их на зиму. Глубина затопления должна превышать глубину промерзания в данных природных условиях. Температура воды осенью перед затоплением выше 0°. Поэтому россыпь под водой дополни­ тельно оттаивает на некоторую глубину и составляет, по данным комбината «Алданзолото», от нескольких до десятков сан­ тиметров. Таким способом в Алданском районе оттаивают россыпи мощностью 6—7 м за 3—4 года.

При послойном снятии оттаявшего слоя пород бульдозера­ ми, скреперами или другими механизмами мерзлые породы периодически обнажают, после чего они непосредственно взаимодействуют с атмосферой и подвергаются облучению сол­ нечной радиацией. Самый верхний слой мерзлых пород быстро оттаивает и в дальнейшем служит как бы теплоизолятором, затрудняющим поступление тепла из атмосферы.

В момент обнажения температура пород близка к СС или даже ниже, тогда как в естественных условиях она обычно выше температуры воздуха. Поэтому характер теплообмена и вытекающие из него закономерности протаивания периодиче­ ски. обнажаемых пород совершенно не соответствуют естествен­ ным условиям. Чем глубже оттаивает порода после обнажения, тем больше характер теплообмена приближается к естествен­ ным условиям.

Изучение теплообмена на поверхности пород при периоди­ ческом обнажении начал И. Т. Рейнюк (1958) в Магаданской области и продолжил В. Т. Балобаев (1963) в Якутии.

При обнажении мерзлой породы прежде всего изменяется альбедо поверхности. Так как отражательная способность кри­ сталлов льда, содержащегося в породах, выше, чем воды, то и альбедо супесей в мерзлом состоянии составляло 18—20%, а после их оттаивания—12—16%, в среднемоно возрастало после обнажения на 3%, что соответствовало уменьшению радиацион­ ного баланса на 2—3% . Однако ухудшение поглощательной спо­ собности поверхности с избытком компенсировалось резким сни­ жением эффективного излучения. В первый день после обнаже­ ния оно даже было отрицательным, на второй — составляло всего 2—3% от поглощенной коротковолновой радиации, а на шестой-седьмой—12—20%. В целом радиационный баланс зна­ чительно повысился (Балобаев, 1963). Если период между очередными обнажениями не превышает трех-четырех суток,

32

нечная радиация, но и воздух более нагретой атмосферы, а в не­ которых условиях даже излучение и конденсация водяных паров из атмосферы. В отличие от других методов тепловой мелиора­ ции, периодическое обнажение пород дает возможность изменить не только величину, но и направление составляющих лучис­ того и. конвективного теплообмена. Поэтому при послойной разработке удается за один сезон оттаять россыпь мощностью до 10—15 м, а при тепловой мелиорации потребовалось бы несколько сезонов. Следовательно, глубина искусственного

Скорость оттаивания при послойной разработке пород изу­ чалась Л. Н. Морозовыми Н. К. Клюкиным (1942), К. В. Кошлаковым (1958) и многими другими исследователями. На осно­ вании производственного опыта принято, что в условиях Мага­ данской области скорость послойного протаивания составляет в среднем за теплый сезон:

Скорость послойного протаивания мелкодисперсных пород при неизменных климатических условиях зависит главным образом от литологического состава и влажности.

Методику прогнозирования протаивания при послойной раз­ работке впервые предложил И. Т. Рейнюк (1958), который рекомендовал следующую формулу, отличающуюся от форму­ лы Стефана коэффициентом п

гп=0,5 tB3. Поэтому в уточненной формуле Стефана вместо двух появляется коэффициент п = 1.

В реальных природных условиях ход температуры поверх­ ности в период между обнажениями имеет более сложный вид. Так, измерения В. Т. Балобаева в районе г. Мирного дали следующие результаты (табл. 7).

34