О ПОДРАЗДЕЛЕНИИ МЕТОДОВ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ МЕЛИОРАЦИИ
Методы водно-тепловой мелиорации, применяемые на открытых разработках, но направленности воздействия на горные породы разделяются на два типа:
1) разупрочнение мерзлых пород путем уничтожения или значительного ослабления льдоцементационных связей;
2) предотвращение смерзаемости составных компонентов талых пород.
Методы 1-го типа представляют собой те или иные разновидности оттаивания. Это относится и к «химическому размораживанию» мерзлых пород, которое по своей теплофизической сущности отличается от обычного оттаивания лишь понижением точки плавления льда, благодаря чему более полно используются тепловые ресурсы окружающей среды.
Методы водно-тепловой мелиорации, применяемые на открытых разработках, но направленности воздействия на горные породы разделяются на два типа:
1) разупрочнение мерзлых пород путем уничтожения или значительного ослабления льдоцементационных связей;
2) предотвращение смерзаемости составных компонентов талых пород.
Методы 1-го типа представляют собой те или иные разновидности оттаивания. Это относится и к «химическому размораживанию» мерзлых пород, которое по своей теплофизической сущности отличается от обычного оттаивания лишь понижением точки плавления льда, благодаря чему более полно используются тепловые ресурсы окружающей среды.
Большое количество известных технических средств и технологических схем оттаивания, в различной степени соответствующих многообразию природных условий и производственных ситуаций, привело ряд исследователей к попыткам классифицировать способы оттаивания мерзлых пород.
В. П. Бакакин (1958) различал оттаивание с поверхности и глубинное, относя к первому поверхностную водно-тепловую мелиорацию как один из перспективных способов подготовки вечномерзлых россыпей.
В основу классификации В. М. Старкова (1958) положен характер используемой тепловой энергии: 1) искусственно-аккумулированной (пар, электрический ток, подогретая вода и др.); 2) естественной, аккумулированной речной водой; 3) естественной, непосредственно поступающей в горные породы.
В обеих классификациях видное место отводилось послойному оттаиванию с периодическим удалением слоя талых пород.
B. Г. Гольдтман (1964), считая основным отличительным признаком способа оттаивания «физический процесс переноса или выделения тепла в толще горных пород», различал три большие группы: 1) оттаивание посредством переноса тепла кондукцией; 2) оттаивание посредством конвективного переноса тепла в породах; 3) оттаивание посредством электрического тока как внутреннего источника тепла в проводящих горных породах. В каждой группе В. Г. Гольдтман выделяет две подгруппы в зависимости от естественного или искусственного источника тепловой энергии. Разделение внутри подгруппы на способы проводится на основании различий в технических средствах и приемах оттаивания.
C. М. Шорохов (1973) по производственным признакам объединяет способы оттаивания в три группы:
1) с использованием речной воды (водооттайка); 2) с использованием солнечного тепла (естественная оттайка); 3) вспомогательные способы (оттайка паром, электричеством).
На наш взгляд, классификация В. Г. Гольдтмана наиболее полно отражает существо известных способов оттаивания, помогая увидеть зависимость технологического процесса от вещественного состава и физических свойств горных пород. Хочется подчеркнуть правомочность выделения трех (а не двух) самостоятельных групп, хотя в его основу положены формально разные признаки — механизм переноса энергии и действие внутренних источников. Действительно, при электрическом оттаивании нередко основная часть Джоулева тепла поглощается в месте выделения, не успевая перераспределиться вследствие теплопроводности.
Вместе с тем вид источника используемой тепловой энергии, оказывающий главное влияние на себестоимость оттаивания, очевидно, следует считать не менее существенным признаком, чем характер теплообмена в горных породах. В настоящее время источниками энергии для оттаивания мерзлых пород могут служить: 1) тепло солнечной радиации, атмосферного воздуха и поверхностных вод; 2) так называемые искусственные источники тепла (различные виды топлива, электроэнергия, тепло недр Земли, энергия ядерных превращений).
Энергия солнечной радиации, атмосферного воздуха и поверхностных вод в условиях Северо-Востока СССР может использоваться для оттаивания ограниченное время. Тем не менее благодаря своей доступности, отсутствию материальных и трудовых затрат на создание она является основным источником тепла при промышленном оттаивании мерзлых пород на россыпных месторождениях. Эффективность использования природных тепловых ресурсов обеспечивается при помощи определенных технологических приемов и технических средств (периодического удаления талого слоя, пленочных покровов, оборудования гидроиглового оттаивания и т. д.). Электроэнергия и различные виды топлива по экономическим соображениям применяются в небольших масштабах, преимущественно в весенний и осенний периоды.
На объектах промышленного и гражданского строительства, где оттаивание мерзлых пород проводится в относительно малых объемах, искусственные источники тепла применяются достаточно широко. Проблема использования для оттаивания атомной энергии и тепла недр Земли пока еще только прорабатывается теоретически и конструктивно. Однако успехи смежных областей науки и техники, промышленное освоение технологии оттаивания подогретой водой в морозный период и другие факторы позволяют рассчитывать в ближайшие годы па использование этих источников энергии для подготовки россыпных месторождений к открытой разработке.
С учетом изложенного можно классифицировать способы оттаивания (табл. 11.5), положив в основу их подразделение по двум равноценным признакам — источнику энергии и преобладающему механизму распространения тепла. Если говорить о распространении (а не только о переносе) тепла в горных породах, то действие распределенных источников может рассматриваться в качестве одного из ведущих механизмов. С этих позиций парооттаивание целесообразно отделить от конвективных способов оттаивания, поскольку тепловой эффект конденсации оказывает на температурный режим пород не меньшое влияние, чем движение теплоносителя.
Во многих позициях схема условна. Например, применение синтетических покрытий можно не выделять в самостоятельную подгруппу, а рассматривать как один из приемов поверхностной тепловой мелиорации. При паровом и электрическом оттаивании пород на разных стадиях процесса могут преобладать различные механизмы распространения тепла. По мере развития техники схема будет уточняться и дополняться. Уже сейчас в нее включены также источники энергии, к применению которых еще только ведется подготовка (тепло недр Земли, атомная энергия). Систематизация известных способов оттаивания помогает увидеть «узкие» места и определить перспективные направления поиска новых методов. Так, содержанием незаполненной графы во втором горизонтальном ряду третьего вертикального столбца могут быть способы оттаивания, основанные на конвективном теплообмене фильтрующихся солевых растворов. Кроме того, табличное представление материала позволяет практикам производить быструю приблизительную оценку возможностей современной технологии оттаивания применительно к конкретным природным условиям и запросам производства.
Таблица 11.5
Схема классификации способов оттаивания
Что касается сравнительно немногочисленных методов водно-тепловой мелиорации 2-го типа, то они направлены па борьбу с нежелательными последствиями промерзания талых пород и разделяются на три группы: 1) тепловая защита промерзающих пород, заключающаяся в сокращении или компенсации тепловых потерь в атмосферу; 2) физико-химические методы уменьшения смерзаемости норового раствора и минерального скелета грунта; 3) уменьшение прочности промерзающих пород за счет сокращения их влажности (подготовка искусственных сушенцов).
Область применения того или иного способа водно-тепловой мелиорации определяется степенью соответствия его технологических возможностей природным мерзлотно-геологическим условиям месторождений, требованиям производства к объемам и темпам подготовки талых пород, а также технической оснащенностью предприятий.
About Author
