книги из ГПНТБ / Павлов, А. В. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей

проводили через 3—5 суток. На всех площадках периодически через 5—20 дней механическим щупом или шурфовкой изме­ ряли глубину протаивания. На площадках 1—3 установили микроиспарители (площадь 120 см2, а высота 25 см).

Основные разновидности покрывающих на площадках по­ род: влажные (w—13%) и переувлажненные (ш=22—24%) галеч­ ники, влажные (w=25—36%) и переувлажненные (w = 70— 100%) суглинки.

3.Теплообмен протаивающих мерзлых пород

сатмосферой в естественных условиях

Впроцессе освоения Куларского золотоносного района было нарушено естественное термомеханическое равновесие в мерзлых горных породах, проявлением которого служат термокарст и солпфлюкция.

При снятии растительного покрова на склонах происходит интенсивное обрушение сравнительно устойчивого в естествен­ ных условиях поверхностного слоя пород. В результате глубина сезонного протаивания увеличивается, что приводит к вытаи­ ванию жильных льдов и оттаиванию сильнольдистых много­ летнемерзлых пород. Уже через один-два года осадка поверх­ ности вследствие вытаивания льдов п стока избыточной влаги (а частично и грунтовой суспензии) составляет 1,0—1,5 м. Ско­ рость движения фронта обрушения достигает нескольких

десятков метров в год. Со временем условия стока ухудшаются н процесс обрушения постепенно затухает. На участках с переотложенными породами мох с редким кустарником сменяет луговая растительность.

На поверхности площадки 1 между отдельными кочками наблюдались выходы суглинистых пород, что свидетельствует о некотором смещении пород вниз по склону, хотя горные рабо­

91

Т а б л и ц а 26

баланса в этот период (51 % от потока суммарной радиации) объясняется низким альбедо поверхности и малой величиной эффективного излучения, которые со временем (июль—август) возрастают. В соответствии с изменением во времени отноше­ ния RIQC уменьшается и величина qJQc . Площадка 1 была расположена на склоне южной экспозиции, а площадка 2 — северной. Цель теплобалансовых наблюдений на них — вы­ явить влияние ориентации склонов на тепловой режим пород.

Актинометрические приборы при наблюдениях устанавли­ вали на стационарных стойках параллельно преимуществен­ ному уклону поверхности. Такое расположение датчиков дает наилучшую информацию об условиях радиационного обмена склона с атмосферой.

Поток прямой радиации на поверхность склона определялся

гДе (?пр — поток прямой радиации на поверхность, перпендику­ лярную лучам Солнца, h© — высота Солнца в момент наблю­ дений.

Высота Солнца для горизонтальной поверхности рассчиты­ валась по формуле (Кондратьев, 1956)

где ф — широта, град; 6© — склонение Солнца, град; т — часо­ вой угол Солнца, г; т=т© — 12 ч; т© — истинное солнечное время.

92

Величина т определяется зависимостью

Высота Солнца относительно поверхности склона рассчиты­ валась по формулам (III.2) и (III.3), в которые вводилась ши­ ротная поправка на угол наклона склона (аск). Для склона южной экспозиции (р = фг—аск> Для склона северной экспози­ ции ф=фг + а ск, для горизонтальной поверхности ф = фг. При расчетах использовались номограммы Набокова.

Результаты наблюдений на склонах различной ориентации {табл. 27) показывают, что измеренные величины потоков сум-

марной радиации на склон северной экспозиции хорошо соот­ ветствуют рассчитанным по формуле К. Я. Кондратьева (умень­ шение пропорционально cos а). В июне поток суммарной ради­ ации на склон северной экспозиции был на 6, а в июле на 5% меньше, чем на горизонтальную поверхность.

На склоне южной экспозиции поток суммарной радиации в июне на 9, а в июле на 3% превышал поток на горизонтальную поверхность.

С изменением Qc меняются также потоки прямой и рассе­ янной радиации на склоны разной экспозиции.

Разница альбедо поверхностей площадок была довольно значительной. Так, на площадке 2 она составила в среднем 13%, площадке 1 — 16% и площадке 3 — 21%.

Величина радиационного баланса поверхности хорошо коррелируется с потоком суммарной радиации и альбедо поверх­

93

ности. При сравнении тесноты связи наблюденных значений R —Qc и /эф —Qc оказалось, что эффективное излучение лучше коррелирует с суммарной радиацией, чем радиационный ба­ ланс. При обработке пар значений / Эф —Qc , полученных в ре­ зультате экспериментальных наблюдений на площадках 1—4,6 методом наименьших квадратов, выяснилось, что угловой мно­ житель а в формуле / Эф = «QC— b существенно зависит от высоты Солнца в момент наблюдения. Поэтому разбивка была сделана с последующей обработкой пар / Эф —Qc по пятпградусным ин­ тервалам высоты Солнца (Tig).

Считая, что а + 1 —А = а ъ получим

R = a 1Qc—b.

Для Кулара

для Верхоянска

94

для Якутска

Зависимости (III.4) и (III.10) были получены для теплого

периода года.

На рис. 18 видно, что параметр а уменьшается пропорцио­ нально широте местности. Это может быть объяснено тем, что толщина атмосферы (в пределах которой поглощается радиация и формируется поток противоизлучения) существенно умень­ шается с широтой — если на экваторе она достигает 17 км, то на полюсах уменьшается до 8 км. Также в направлении к северу

а

Рис. 18. Зависимость параметра а от высоты Солнца /г@.

1 — Кулар; 2 — Верхоянск; 3 — Якутск.

уменьшаются и температура, и влажность воздуха, определя­ ющие величину противоизлучения атмосферы, а следовательно,

иэффективного излучения.

4.Применение пленочных покрытий

и поверхностного засоления для искусственного оттаивания мерзлых пород

Оттаивание крупноскелетных пород. Исследования прово дплись на 11 экспериментальных площадках с влажностью пород от 12,9 до 22,6%. Оценивалось влияние покрытий из полиэтиленовой (толщиной 0,06 и 0,12 мм) и полихлорвиниловой пленки В-118, а также поверхностного засоления хлористым натрием на тепловой режим пород.

До начала наблюдений на всех площадках был убран снег и сделана планировка поверхности. Полотнища пленки свари­ вали между собой паяльной лампой. Во время сварки полот­ нища плотно прижимали между собой специальным зажимным устройством. После застилки всей площадки пленку придавли­ вали по краям брусьями, камнями и присыпали землей. Каче­ ственно сваренная и хорошо присыпанная по краям пленка да-

95

96

Т а б л и ц а 29

Составляющие теплового баланса на площадках 21, 22 (с полиэти­

7 Л. В. Царлов, Б. А. Одовин

Оттаивание сублимационного льда на нижней поверхности пленки сопровождалось значительной интенсификацией теп­ ловых процессов. После 18 мая среднесуточный тепловой поток в породу на площадке под одинарной пленкой в 2,2 раза, а под двойной в 2,8 раза больше, чем на открытой. Отепляющее воз­ действие пленок наибольшим было в дневное время — с 12 до 21 часа. В 12 часов тепловые потоки под пленкой достигали очень больших значений, в 3—5 раз превышающих потоки на открытой площадке.

При отрицательных температурах воздуха (5—18 мая) ос­ новной расходной частью теплового баланса поверхности пород являются затраты тепла на отражение (табл. 29): 48,7% на открытой и 42,5% на поверхности, покрытой пленкой. Потери тепла на эффективное излучение на всех площадках примерно одинаковы — 18,9—24,6% от потока суммарной радиации. Поток в почву на открытых площадках составлял 3—5% от величины Qc, на площадках, покрытых пленкой, он увеличи­ вался в 1,1—1,3 раза, что объясняется снижением потерь тепла поверхностью пород под пленкой на конвективный тепло­ обмен и испарение.

После 18 мая, когда средняя суточная температура воздуха нередко была положительной, происходило интенсивное отта­ ивание снега и льда на полигонах, затронутых горными рабо­ тами. В этот период резко возрастала эффективность пленочных покрытий — тепловой поток на площадке 21 стал в 1,76, а на 22 в 2 раза больше, чем на открытой площадке 23. Основная расходная часть теплового баланса — затраты тепла на конвек­ тивный теплообмен (с учетом испарения), которые на площад­ ках,покрытых пленкой, в 1,1—1,15 раза ниже, чем на контроль­ ной. Отраженная радиация на площадках, покрытых пленкой, примерно в 1,5 раза выше.

Пятого июня поднялся уровень воды на полигоне, в резуль­ тате чего площадки 21, 23 и частично 22 оказались затопленны­ ми. С 5 по 15 июня тепловой поток в почву на всех площадках был примерно одинаковым и составлял 8—10% от потока сум­ марной радиации.

Начиная с 16 мая аналогичные наблюдения проведены на площадках 24—25, которые также подтвердили высокую эф­ фективность пленочных покрытий (табл. 30). В период с 10 по 20 июня основным фактором, способствующим формированию большого потока тепла в почву, явилось снижение эффектив­ ного излучения в 2,5—3,2 раза на площадках, покрытых плен­ кой. Расход тепла на конвективный теплообмен и испарение на обеих площадках примерно одинаков. По-видимому, это связа­ но с частым выпадением осадков в период с 10 по 20 июня.

Увеличение теплового потока в почву во всех случаях сопро­ вождалось повышением температуры поверхности пород

(табл. 31).

98

Температура поверхности пород на площадках 21, 22, 25 (с пленкой)

и 23, 24 (эталонные) в 1970 г ., °С

В среднем за период наблюдений на площадках 21, 22, 25 температура поверхности пород была выше по сравнению с пло­ щадкой 23 соответственно на 4,4; 3,6 и 3,9°.

Протаивание мерзлых пород на площадках, покрытых плен­ кой, началось на 5—8 дней раньше (табл. 32).

Непрерывное нарастание мощности талого слоя-в начале сезона разработки отмечается лишь на участках, покрытых пленкой, и на площадке 23, затопленной слоем воды. На пло­ щадках 24, 27 протаивание прекратилось 25 мая в период рез­ кого похолодания. На отдельных участках полигонов с 25 мая по 5 июня наблюдалось почти полное промерзание протаявшего ранее слоя.

На основании измеренных глубин протаивания рассчитан график обеспеченности готовыми к выемке запасами (рис. 19), из которого следует, что при условии применения пленочных покрытий можно осуществлять пуск промывочных приборов 20—25 мая. Этот период совпадает с появлением в водотоках воды в количествах, достаточных для работы промывочных при­ боров, которые в условиях прииска обычно ■запускают

9—15 июня.

Из-за повышенной трудоемкости разработки пород в мае (даже с применением пленочных покрытий), по-видимому, наи­ более целесообразный срок пуска приборов 1 июня (рис. 20). К этому времени мощность оттаявших пород под пленкой со­ ставит 35—45 см, что позволит начать горные работы при резер­ ве готовых к выемке запасов на 7—9 суток. Это гарантирует выполнение графика горных работ от влияния погодных усло­ вий*.

Без применения пленочных покрытий достаточное количе­ ство резервных запасов на полигонах имеется лишь после 15 июня. Таким образом, разовое применение пленки обеспечи­ вает пуск промывочных приборов на 15 суток раньше по срав­ нению с обычной технологией.

Следует отметить, что недостаточное количество оттаявшей горной массы нередко сдерживает производительность земле­ ройных машин, а следовательно, и промывочного прибора в те­

* Для прииска Кулар типичны резкие похолодания в |течение лета длительностью 3—5 суток, когда средняя суточная температура воздуха понижается до 0°.

100