ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И СОЛЕВЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ОТТАИВАНИЯ

Первые попытки управления микроклиматом почвы при помощи искусственных мульчирующих слоев были вызваны задачами растениеводства (Федоров, 1935; Александров, Куртенер, 1937). В. П. Бакакин (1955) провел комплекс наблюдений за «внешним» теплообменом оттаивающих пород в различных условиях и установил, что обработка поверхности вяжущими материалами (смолами) позволяет повысить скорость оттаивания. В. П. Бакакиным сделан вывод о перспективности этого метода для повышения эффективности открытых горных работ в районах Сибири и Крайнего Севера. Применение мульчирующих покровов для разработки россыпных месторождений в области распространения многолетнемерзлых пород стало возможным после освоения отечественной химической промышленностью производства недорогих светопрозрачных синтетических пленок.

С начала 60-х гг. в больших масштабах выполнялись опытные и опытно-промышленные работы по оттаиванию мерзлых пород под пленочными покровами. Исследования в этом направлении как экспериментального, так и теоретического характера проводили Институт мерзлотоведения СО АН СССР, ВНИИ-I и Иргиредмет.

Применение пленочных покровов вызывает изменение всех составляющих радиационно-теплового баланса поверхности горных пород. Особенности лучистого теплообмена под пленками определяются их оптическими свойствами, наибольший практический интерес представляет коэффициент пропускания. Он зависит от образования конденсата на нижней поверхности пленки, старения полимера, загрязнения и т. и. Отмечается снижение пропускной способности пленок при уменьшении угла падения солнечных лучей. Самой высокой пропускной способностью обладают полиэтиленовые пленки. Согласно наблюдениям А. В. Павлова (1975), коэффициент пропускания полиэтиленовой пленки толщиной 0,06 мм в течение лета меняется от 0,72 до 0,86, а пропускная способность полиамидной пленки такой же толщины на 8% меньше. Таким образом, оба вида пленочных покрытии сокращают поступление лучистой энергии в коротковолновой части спектра.

Пленочные покровы не вполне прозрачны и по отношению к длинноволновой радиации, причем наилучшими спектральными характеристиками отличается полиамидная пленка (перфоль ПК-4). Ее применение сокращает па 30% тепловые потери за счет эффективного излучения (Рашкин, Шувалов, 1968). Уменьшение эффективного излучения под действием полиэтиленовых пленок составляет от 2 до 14% (Павлов, 1975). Следует отметить, что устойчивость полиэтиленовой пленки к внешним воздействиям па ее оптические свойства значительно выше, чем у нестабилизированной полиамидной.

Несмотря на определенное снижение эффективного излучения, сумма остаточной радиации (радиационный баланс) под пленочными покровами на 5— 15 % меньше, чем па открытых площадках. Таким образом, аккумуляция тепла под пленками обусловлена в первую очередь изменением нерадиационных составляющих внешнего теплообмена.

Многочисленными наблюдениями установлено, что в результате укладки пленки испарение уменьшается на 25—70%, причем испаряется главным образом дождевая вода, скапливающаяся в понижениях поверхности. Испарение можно почти полностью исключить путем закрепления пленочных полотнищ па дуговых опорах и тщательной засыпки их краев грунтом. Другой возможный способ снижения испарения — применение перфорированных пленок, сквозь отверстия которых вода будет просачиваться в оттаявшую породу.

Пленочные покровы существенно уменьшают потери на конвективный теплообмен поверхности горных пород с атмосферой. Если в естественных условиях происходит непосредственная теплоотдача от контактного слоя в воздух, то в случае применения пленочных покровов возникает более сложная система теплопередачи: поверхность горных пород — воздушный прослой — пленка — наружный воздух. При этом коэффициенты конвективного теплообмена по обе стороны пленки уменьшаются: снизу из-за отсутствия ветра, а снаружи из-за уменьшения шероховатости.

Интересные данные были получены в Забайкалье Π. Ф. Стафеевым (1974), который для повышения сохранности пленки в производственных условиях присыпал ее слоем песка толщиной 2—3 см. Оказалось, что породы под пленкой с защитным слоем песка имели температуру на 2—4° ниже, чем просто под пленочным покрытием (опыты проводились в июне — июле 1967 г.).

В результате изменившихся условий тепло- и влагообмена с атмосферой под пленочными покрытиями возникает особый микроклимат, характеризующийся повышенной температурой и влажностью. По сравнению с оголенными участками в дневные часы весной температура пород нередко повышается более чем на 20°. К концу лета эта разница обычно составляет 2— 3°. Относительная влажность воздуха · под пленкой близка к 100%, поэтому влажность пород по уменьшается, как это обычно бывает в природе, и коэффициент теплопроводности верхнего 5-сантиметрового слоя возрастает на 30% (Рашкин, Шувалов, 1968), что способствует увеличению плотности теплового потока в горные породы. Оттаивание начинается на 20— 30 дней раньше обычного.

Рис. III.6. Соотношение между тепловыми потоками в оттаивающие породы под пленкой и на открытой поверхности (по А. В. Павлову, 1975)).

1 — полиэтиленовая пленка; 2 — полиамидная пленка.

А. В. Павлов (1975) совершенно справедливо считает, что наиболее полное представление о результирующем теплофизическом аффекте пленочных покрытий дает сопоставление тепловых потоков в оттаивающую породу под пленкой qпл) и в естественных условиях (qест). Полученные им графики (рис. ΙΠ.6) свидетельствуют о высокой эффективности применения пленок в начальный период оттаивания и резком ее снижении во второй половине лета.

Методы расчета глубины оттаивания мерзлых пород под пленочными покрытиями разрабатывались Ю. М. Ведяевым и другими (1973) и Б. А. Оловиным (Павлов, Оловин, 1974). Основу этих методов составляет рассмотрение условий теплообмена: 1) между атмосферой и пленкой; 2) между пленкой и контактным слоем пород; 3) между контактным слоем и подстилающими породами. Решение полученных систем уравнений громоздко, а экспериментальное определение некоторых параметров затруднительно. В связи с этим А. В. Павлов (1975) для оценки глубины оттаивания под пленкой (|пл) рекомендует элементарную формулу

где ξест — глубина оттаивания пород в аналогичных условиях без пленки. Значения поправочного коэффициента kп установлены им экспериментально (табл. III.5).

На горнодобывающих предприятиях Восточной Сибири и Северо-Востока для ускорения оттаивания мерзлых пород применяют два типа пленок: полиамидную (ПК-4) и полиэтиленовую (табл. III.6). С ростом влажности полиамидная пленка увеличивается в размерах, а при снижении уменьшается, испытывая микронатяжение. При нагревании она уменьшается до 13% в длину и до 7% в ширину. Полиэтиленовая пленка, наоборот, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Оба типа пленок при длительной эксплуатации заметно утрачивают свои первоначальные оптические и физико-механические свойства. Особенно быстро стареет нестабилизированная полиамидная пленка. В связи с этим срок службы пленок обычно один сезон.

Таблица III.5

Поправочный множитель kп к формуле (III.22)

Укладывают пленочные покрытия на поверхность полигона обычно вручную. Наиболее удобны для настилки полотнища размером 6X20 м. Поскольку промышленность выпускает пленку рулонами (полиэтиленовую шириной 1,5 м, полиамидную — 1,24—1,32 м), для изготовления полотнищ пленку необходимо склеить, сварить или сшить. Проведение этой операции непосредственно на полигоне возможно при относительно безветренной погоде. Лучше всего сваривать пленку в полустационарных условиях, в отапливаемом помещении.

Таблица III.6

Физико-механические характеристики пленок

Иргиредметом разработана установка для сварки полиэтиленовой пленки, состоящая из стола с укрепленной на нем зажимной рамкой и двух козел, на которых размещаются рулоны пленки и приемный барабан (см. приложение 3). На подающие козлы устанавливают два рулона. Свариваемые края пленки помещают между планками зажимной рамки. Верхний свободный край пленки отгибают, а нижний направляют в зазор между краем стола и подложкой (нижней планкой) зажимной рамки. Шов нагревают через прорезь зажимной рамки, используя обычную паяльную лампу или трубчатый электронагреватель (например, ТЭН-21), закрепленный на верхней планке зажимной рамки. Для повышения качества сварного шва подложку обивают поролоном или губчатой резиной. Готовые полотнища наматывают па бобину приемного барабана с помощью съемной рукоятки. Установку обслуживают 2—3 человека. Ее производительность 1100—1500 йог. м сварного шва в смену. Полиэтиленовые полотнища изготовляют из четырех полос общей шириной 5,9 м. Полиамидную пленку склеивают клеем «нерфоль», после чего шов прогревают при температуре 150—180°С. Полотнища полиамидной пленки состоят из пяти полос, их общая ширина 0,2 м.

Перед началом застилки полигона пленочными полотнищами с его поверхности необходимо удалить снежный, растительный и почвенно-моховой покровы, а при возможности — и слой гумусированного мелкозема. Оптимальные сроки укладки пленочных покрытий полностью зависят от климатических условий. Во внутриконтинентальных районах Северо-Востока (третий и четвертый мерзлотные районы) укладку пленки лучше начинать в середине апреля, а на побережье Северного Ледовитого океана — в начале мая.

Полотнища можно укладывать непосредственно па распланированную поверхность полигона или на заранее подготовленные грунтовые валики высотой 20— 30 см. Иногда пленку укрепляют на дуговых металлических опорах или деревянных переносных каркасах арочного типа. При оттаивании многолетнемерзлых супесей на прииске им. Гастелло (долина р. Омчак в верховьях Колымы) наблюдалось увеличение скорости оттаивания по мере роста высоты закрепления пленки. Глубина оттаивания на контрольной площадке составила 1,1 м, под пленкой на грунтовых валиках —1,19 м, под пленкой па дуговых опорах высотой 0,3—1,38 и под пленкой на полуметровых дуговых опорах —1,51 м (Мамаев, Ушаков, 1966). В опытах, проводившихся в долине р. Вача (Бодайбинский район), расположение пленки па большой высоте не обеспечивало повышения скорости оттаивания (Водяев и др., 1967). Теоретические оценки, выполненные Б. Λ. Оловиным, свидетельствуют о нецелесообразности подвески пленок выше 10 см над поверхностью пород (Павлов, Оловин, 1974).

При любом способе укладки пленки (на поверхность пород, па грунтовые валики или на дуговые опоры) края полотнища по всему периметру пригружают породой. Работу но настилке пленок выполняет бригада из четырех человек. Кроме того, на каждый гектар полигона с пленочным покрытием выделяется один рабочий-наблюдатель.

Во всех экспериментальных, опытно-промышленных и промышленных работах но оттаиванию мерзлых пород с помощью пленочных покрытий отмечается существенное увеличение скорости оттаивания в начало сезона и крайне незначительный теплотехнический эффект во второй половине лета. В связи с этим пленки как ускорители оттаивания должны применяться на горных предприятиях главным образом для подготовки талых пород к разработке в самом начале летнего периода.

Данный способ имеет недостатки: 1) крайне низкий уровень механизации и большая трудоемкость работ; 2) быстрое старение пленок, проявляющееся в ухудшении физико-механических и оптических характеристик; 3) недолговечность службы пленок (как правило, но больше одного сезона). Несмотря на это, оттаивание мерзлых пород с применением пленочных покрытий по себестоимости относится к числу наиболее экономичных способов водно-тепловой мелиорации.

Рис. I 11.7. Зависимость температуры замерзания (Τκр) растворов от их концентрации (М).

Важнейшая теплофизическая особенность применения пленочных покрытий состоит в том, что повышение температуры поверхности не вызывает, как обычно, увеличения тепловых потерь па эффективное излучение, испарение и конвективный теплообмен. Благодаря этому возрастает плотность теплового потока в оттаивающие горные породы. Иной путь управления теплообменом открывает использование солей.

Общеизвестна зависимость температуры замерзания растворов от их концентрации (рис. III.7). Равновесие между твердой и жидкой фазами имеет динамический характер, поэтому при соприкосновении пресного льда с раствором устанавливается новая температура плавления, соответствующая концентрации в пограничном слое. Это явление используют для борьбы с гололедом, посыпая обледеневшие дороги и тротуары солями. Особенно сильно «сдвигает» температуру фазовых переходов хлористый кальций, раствор которого в точке эвтектики имеет концентрацию около 30% и температуру замерзания — 55°С.

При введении раствора в оттаивающую породу в талой зоне начинается диффузия солей. Если скорость ее достаточно велика, то через некоторое время температура пород на границе раздела жидкой и твердой фаз смещается в область отрицательных значений, т. о. лед начинает плавиться при температуре ниже 0°С. Вследствие этого температурный градиент и плотность потока тепла с поверхности увеличиваются без повышения значения .Тц, а .значит, и без роста расходных составляющих «внешнего» теплообмена контактного слоя. При определенных условиях температура на границе раздела может в течение длительного времени оставаться более низкой, чем начальная температура мерзлых пород. В этом случае тепловой ноток направлен из мерзлой зоны к граничной поверхности, и фазовые переходы частично осуществляются в результате охлаждения мерзлых пород. Оттаивание может происходить как при положительной, так и при отрицательной температуре поверхности. Таким образом, применение солей не только увеличивает скорость оттаивания, но и как’ бы повышает потенциал природных тепловых ресурсов и удлиняет продолжительность их возможного использования для целей водно-тепловой мелиорации.

Математическое описание процесса оттаивания мерзлых пород при взаимодействии с солевыми растворами в одномерном случае сведется к системе уравнений

с краевыми условиями

]’де Т — температура, °С; t — время, ч; х — расстояние, м; с — объемная теплоемкость пород, Вт*ч/(м³-°С); λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м³ °С); М — концентрация солей, кг/м³; ε—коэффициент диффузии, м²/ч; ξ — граница раздела фаз, м, x — нижняя граница исследуемой области; Mпр — растворимость соли при данной температуре, кг/м³; индексы «т» и «м» относятся соответственной к талой (с жидкой фазой) н мерзлой зонам. Уравнения (III.23), (III.24) описывают динамику температурного поля, а (III.25) — изменение концентрации раствора во времени и пространстве.

Из приведенных краевых условий только (III.29), (III.30) и (III.33) выражают общие физические закономерности. Условие (1ΊΙ.33) означает отсутствие диффузии солей в мерзлую зону, т. е. непроницаемость границы раздела. Выражения (III.29) и (III.ЗО) аналогичны условиям Стефана, но отличаются тем, что температура на границе раздела фаз не постоянная, а зависит от переменной концентрации раствора на данной поверхности. Графики этой зависимости для растворов NaCl п СаСl₂ приведены на рис. III.7.

Решить задачу — значит найти закон движения границы раздела двух фаз, распределение температуры пород и концентрации раствора в любой момент времени. В приведенной постановке рассматривается процесс оттаивания (размораживания) с образованием непроницаемого фронта фазовых переходов. Задачу легко обобщить на случай зоны фазовых переходов, доступной для диффузионного потока.

В опубликованной литературе автору не приходилось встречать ни решения подобных задач, ни подробного теоретического анализа процесса. Возможно, его недостаточной изученностью следует объяснить различия в результатах лабораторных и промышленных экспериментов, проводившихся исследователями.

Высокая эффективность размораживания сезонно-мерзлых грунтов была достигнута при помощи растворов поваренной соли на строительных площадках г. Ангарска (Пантелеев, 1964). Несмотря на то, что работы проводились в феврале — марте при отрицательной температуре воздуха, грунты различного состава весовой влажностью 12—18% были оттаяны и успешно разработаны на глубину до 2 м. Продолжительность размораживания для гравелистых грунтов 3— 4 для, для песков — 7—10 и для супесей — 12—18 дней. Раствор заливали па поверхность площадки, но границам которой предварительно выкладывали валик из талого грунта. В ряде случаев для повышения скорости проникновения раствора в толщу пород его подачу вели через скважины диаметром 150—200 мм и глубиной 0,6—0,8 м. Перед заливом раствор подогревали до 60—70°, что способствовало его быстрому впитыванию. Однако в общем балансе тепла этот подогрев не играл сколько-нибудь заметной роли. Максимальный расход раствора NaCl концентрацией 200— 300 кг/м³ равнялся 80 л/м². Себестоимость размораживания пород оказалась близкой к 0,3 руб./м³, причем стоимость соли составила 72%.

Группа Иргиредмета (Ведяев и др., 1969) провела опыты на двух площадках, сложенных различными грунтами: гравийно-галечниковым материалом и суглинком. Наблюдалось значительное увеличение глубины оттаивания под действием раствора поваренной соли на гравийно-галечниковом участке, где льдистость пород составляла 120—150 кг/м³:. За 9 дней эксперимента во второй половине мая глубина оттаивания достигла 1,3 м, в то время как на контрольной площадке — в два раза меньше. На скорость оттаивания суглинков засоление практически не оказало никакого влияния. При мощности талого слоя 0,6—0,63 м соль проникла лишь на глубину 15 см.

В Институте мерзлотоведения СО АП СССР проводились лабораторные эксперименты по оттаиванию образцов льдонасыщенного песка при температуре от —3 до —10° растворами хлористого натрия концентрацией от 14 до 20% (Чистотинов, Роговская, 1974)’. Максимальная скорость оттаивания отмечена в первые 5—10 ч, что составляло 10—20% продолжительности опыта. За это время глубина оттаивания достигала 50—70% своего максимума. Средняя скорость оттаивания менялась от 1 до 3 см/сут.

Во ВНИИ-I опыты по размораживанию грунтов с помощью растворов поваренной соли выполнены на льдонасыщенных дресвяно-щебнистых породах с песчаным заполнителем. Температурные условия опытов были примерно такими же, как в упомянутой работе Л. В. Чистотинова и Л. Г. Роговской. Здесь также отмечалось заметное уменьшение скорости оттаивания с глубиной, хотя средняя скорость проникновения растворов в оттаивающую породу была достаточно высокой (1—1,5 см/ч).

В 1069 г. проведен натурный эксперимент по использованию раствора СаCl2 для ускорения оттаивания отвалов шахтных песков на прииске «Экспериментальный». Время проведения работ — начало июня, температура воздуха 5—7°. Породы отвала, представленные дресвой и щебнем с суглинистым заполнителем, находились в немонолитном состоянии и сохраняли водопроницаемость. За четыре дня на участке, обработанном .27%-ным раствором CaCI2 из расчета 7—7,5 л/м², глубина оттаивания достигла .1,3— 1,5, а па контрольной площадке — 0,5— 0,7 м.

Применение хлористого кальция дает лучшие результаты, что объясняется как значительно более низкой температурой эвтектики, так и коагулирующим действием катиона Са⁺⁺ (Бойко, 1070). Коагуляция коллоидов способствует увеличению водопроницаемости породы и повышению скорости диффузии. В связи с этим для оттаивания мелкодисперсных пород рекомендуется вводить в растворы добавку треххлорного железа Fe⁺⁺⁺—иoн которого обладает весьма высоким коагулирующим воздействием.

Приведенные факты свидетельствуют о перспективности применения солевых растворов для ускорения и увеличения сезона оттаивания па горных предприятиях Северо-Востока СССР. Однако исследования необходимо продолжать.

Источник: Перльштейн Г. 3. Водно-тепловая мелиорации мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. Новосибирск: Наука, 1979,— 304 с.