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

обусловливает передачу тепла в поперечном направлений пу­ тем кондукции и вынужденной конвекции (фильтрации). Зна­ чительную роль вынужденной конвекции в передаче тепла в направлении, ортогональном скорости конвекции, отмечалась в

ского строительства на мерзлых породах искусственного протаивания россыпных месторождений убедительно показал, что при расчетах теплообмена в пористых средах, в которых тепло­ носителем служит вода, нельзя пренебрегать поперечным кон­ вективным переносом тепла.

В горнотехнической практике расчеты поперечной тепло­ проводности основываются на решении, полученном В. Г. Бахуровым и Г. К. Боресковым (1947) для установившегося ре­ жима течения газа в неограниченной зернистой среде. Согласно

вен сумме кондуктивной.(Кц) и конвективной составляющих:

B. Г. Гольдман (1958), выполнив большое количество опы­ тов, впервые исследовал величину D при фильтрации воды в водонасыщенных галечно-гравелистых породах с коэффици­ ентом фильтрации 14,5 м/ч и установил, что ее значение из­ меняется от 6,73 до 7,35 ккал/м2 • град (в среднем 7 ккал/м2• град).

C. Д. Чистопольский и Г. Л. Беркутова (1965) из опытов на цилиндрической модели получили другие значения коэффи­ циента теплового рассеяния:

при Хф= 1,3—1,6 м/ч и ^ = 1 ,0 7 ккал/м-ч-град

D =2,41 ккал/м2 • град;

I

при Хф= 71,2 м/ч и Хт= 1 ,35 ккал/м-ч-град

77= 1,08 ккал/м2-град.

С. Д. Чистопольский и Г. Л. Беркутова, как и В. Г. Гольдтман, при интерпретации опытных данных для математического

36

описания распространения тепла в модели воспользовались законом Фурье. В этом случае эффективный коэффициент по­ перечной теплопроводности должен зависеть также от гради­ ента температуры, что авторами не учитывалось. Несовер­ шенство расчетной схемы и методики проведения опытов вы­ звало болырой разброс экспериментальных точек.

Строго говоря, схема Бахурова и Борескова применима для определения коэффициента конвективной теплопровод­ ности только в удаленных от границы протаивания слоях, где максимально возможны поперечные к направлению потока перемещения струек фильтрующейся воды. Поперечная тепло­ проводность фильтрующейся жидкости вблизи границы протаи­ вания меньше, чем в удаленных от нее слоях, так как по мере приближения к границе возможность хаотических поперечных движений частиц воды уменьшается, а следовательно, умень­ шается и коэффициент поперечной теплопроводности. Таким образом, величина D является функцией координаты. Приме­ нение схемы Бахурова и Борескова ведет к завышению расчет­ ных глубин искусственного протаивания.

Несмотря на то, что попытки опытного определения конвек­ тивной теплопроводности пока не привели к успешным резуль­ татам, вода широко используется в практике искусственного оттаивания мерзлых пород и выполняет роль емкого теплоно­ сителя. Оттаивание водой основано на том, что при ее фильтра­ ции в слое, граничащем с мерзлой породой, происходит протаивапие породы в направлении, поперечном направлению фильт­ рации. Возможность применения гидрооттайки в первую оче­ редь зависит от величины коэффициента фильтрации пород после оттаивания и содержания льда в породе в состоянии их естественного сложения. Оттаивание с помощью фильтрую­ щейся воды наиболее целесообразно применять для слабо­ льдистых галечных, гравелистых и песчаных аллювиальных пород, хорошо проницаемых в талом состоянии. Скорость про­ таивания аллювиальных пород снижается с уменьшением их водопроницаемости, зависящей от содержания мелкопесчаных и пылеватых частиц, и особенно с возрастанием их льдонасыщенности. Льдистые торфяные и торфяно-илистые отложения пойменной фации аллювия, в которых содержание льда может превышать 500 кг/м3, практически не подаются гидрооттайке, так как водопроницаемость их в талом состоянии ничтожна (Гольдтман, 1960). Медленно оттаивают и делювиальные отло­ жения (щебенистые породы с супесью, суглинки).

Речная вода, используемая для оттаивания, имеет низкую температуру. Поэтому ее предварительно подают в прудыотстойники, где ее температура повышается на 2—5° и к тому же осаждаются илистые примеси. Сочетая различные приемы по усилению аккумуляции солнечной энергии, температуру воды в прудах-отстойниках можно повысить до 40° (Чистопольский,

37

1965). С повышением температуры воды возрастает не только скорость оттаивания, но и коэффициент использования тепла фильтрационного потока (отношение температуры воды в дренадщцц кциаве к температуре воды в оросителе).

Теория расчета искусственного протаивания пород с применеаиёМ фильтрующейся воды мало разработана. Этот вопрос подробно обсуждается лишь в немногочисленных изданиях (Гольдтман, 1958; Чистопольский, 1955; Гольдтман, Знамен­ ский, Чистопольский, 1970). Поэтому эффективность и воз^ можности различных вариантов способа оцениваются в настоящее время преимущественно опытным путем.

Дождевально-инфильтрационное оттаивание мерзлых гор­ ных пород основано на том, что с помощью дождевальной уста­ новки в талом слое создают безнапорный фильтрационный по­ ток воды, стекающий по поверхности мерзлых пород в дренаж­ ную канаву или дренирующие колодцы. Инфильтрационная вода переносит содержащееся в ней тепло, а также тепло, ак­ кумулированное поверхностным слоем вследствие притока ра­ диации, в глубже лежащие слои и к границе протаивания.

Испытания этого метода впервые проводились на Аляске

(Journal construction methods, 1948). В Советском Союзе он был впервые применен в 1955 г. на прииске им. Гастелло (Мага­ данская область), где дождевание оборотной водой привело К протапванию горных пород за три летних месяца на »глубину 3,2 м, в то время как на контрольном участке без дождевания — на 1,8 м. Особенно успешные результаты по искусственному протапванию с помощью дождевания были получены на прииске «40 лет Октября», где за восемь дней талая толща увеличилась с 0,35 до 3,5 м, а за 26 дней песчано-галечные породы протаяли на глубину 8 м. Хорошие результаты получены также на при­ иске им. Тимошенко, где весовая льдистость пород равнялась 19%, а их коэффициент фильтрации после оттаивания составил примерно 200 м/сутки. Но некоторые опыты по эксперименталь­ ному опробованию этого способа, например в Восточном За­ байкалье сотрудниками «Нигризолото», не дали положительных результатов.

Таким образом, дождевально-инфильтрационный способ в разнообразных условиях может приводить к различным ре­ зультатам. Практика показала, что наиболее выгодно приме­ нять этот способ для оттаивания россыпей, сложенных крупно­ дисперсными породами.

При дождевании россыпей существенно изменяются усло­ вия тепло- и влагообмена пород с атмосферой и ускоряется теплообмен в протаивающем слое.

Дождевание всегда сопровождается повышением влажности воздуха, а также уменьшением разности температур воздуха и поверхности породы. Это приводит к понижению эффектив­ ного излучения / эф (1.17). В связи с тем, что уменьшается и

38

альбедо поверхности, радиационный баланс при дождевании повышается. В дневные часы, когда наблюдается интенсивный приток солнечной радиации, температура поверхности при дождевании становится часто ниже температуры воздуха. По­ этому турбулентный теплообмен направлен к поверхности и обусловливает дополнительный приток тепла. Несмотря на увеличение радиационного баланса, повышение влажности воздуха обусловливает сокращение затрат тепла на испарение, а при определенных условиях испарение может даже смениться конденсацией.

Дождевание в теплофизическом отношении можно рассмат­ ривать как появление новых источников или стоков тепла:

I — tn), (1.28)

где i — интенсивность дождевания.

Температура воды tB, падающей на поверхность породы, не равна температуре воды в оросительном канале. Распыление способствует понижению температуры воды, поэтому мелкое распыление капель нецелесообразно. При полете капель в воз­ духе в дневные часы происходит нагревание воды. Эксперимен­ тальные исследования, выполненные Л. М. Демидюк (1961), позволили оценить повышение температуры капель At при различной интенсивности дождевания:

При инфильтрации воды в верхней части талого слоя про­ исходит ее нагрев, превышающий на глубине 20 см в 2—2,5 раза нагрев в воздухе (Демидюк, 1961). Таким образом, в самом верхнем слое пород происходят процессы теплообмена между водой и скелетом. Закономерности переноса тепла при таких процессах мало изучены.

При дождевании пород в талом слое формируются две зоны: зоны инфильтрации и безнапорной фильтрации.Теоретическое рассмотрение протаивания пород путем дождевания сильно осложняется тем, что процесс кондуктивного теплообмена в та­ лом слое усиливается вследствие фильтрации и инфильтрации воды. Приближенно считают, что в обеих зонах закономер­ ности тепла приближенно описываются дифференциальным уравнением Фурье — Кирхгофа. Разница заключается в том, что в зоне инфильтрации перенос тепла в направлении границы протаивания определяется выражением (1.8)

Г9