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

101

«

го увеличения потерь тепла при турбулентном теплообмене, которые возрастают в 1,57 раза (с 25,8 до 40,5% от величины потока суммарной радиации). Меньшее воздействие оказывает засоление на радиационный теплообмен поверхности пород с атмосферой. Так, отражение засоленной поверхности всего на 26% выше, чем с естественной (альбедо площадки 14 соста­ вило 13%, площадки 16—10%), излучение же практически одинаково на обеих площадках.

В период отсутствия дождей (первая половина июня), не­ смотря на значительную разницу в величине составляющих внешнего теплообмена на различных площадках, засоление не оказало заметного отепляющего воздействия — тепловые по­ токи в породу практически совпадали. В это время очень вели­ ка эффективность пленочных покрытий — под пленкой тепло­ вой поток в почву увеличился в 2,23 раза по сравнению с естест­ венными условиями.

Изменение составляющих теплового баланса поверхности, покрытой пленкой, сказалось, с одной стороны, на увеличении расхода тепла за счет отражения — в 2,85 раза (с 8,0 до 22,8%) и конвективного теплообмена — 1,18 раза (с 27,9 до 32,6%). С другой стороны, расход тепла на испарение влаги с поверх­ ности снизился в 5 раз (с 26,3 до 5,3% от потока суммарной ра­ диации), эффективное излучение уменьшилось в 1,5 раза.

С середины июня и до конца наблюдений засоление поверх­ ности дало небольшой положительный эффект —тепловой поток в породу оказался на 18% выше, чем в естественных условиях. Увеличение потока было вызвано значительным сокращением испарения с засоленной поверхности. На засоленной площадке 14 расход тепла на испарение влаги составил всего 22,3 по срав­ нению с 37,7% в естественных условиях, т. е. в 1,69 раза мень­ ше. Остальные составляющие теплообмена поверхности площа­ док 14, 16 различались незначительно.

104

Под полихлорвиниловой пленкой тепловой поток в породу в этот же период был выше на 47%. За исключением отражения (альбедо покрытой пленкой площадки в 1,68 раза больше), все расходные части теплового баланса поверхности, покрытой пленкой, значительно ниже (по сравнению с открытой поверх­ ностью). В частности, затраты тепла на испарение на ней были ниже в 1,76 (доля этих затрат уменьшалась с 37,7 до 21,4% от Qc), на излучение — в 1,2 (с 24,1 до 20,0% от Qc), на турбулент­ ный обмен — в 1,17 раза (с 35,3 до 30,1% от Qc).

Хорошо согласуются с данными теплобалансовых измере­ ний результаты замеров глубины оттаивания (рис. 21) на пло­ щадках 16, 17. На площадках 14, 15 зафиксированная глубина протаивания несколько превышает рассчитанную по результа­ там измерений тепловых потоков.

Увеличение тепловых потоков в породу под пленкой не мо­ жет быть объяснено одним только увеличением температуры по­ верхности, хотя влияние этого фактора и велико. Изменяя усло­ вия тепло- и влагообмеиа почвы с атмосферой, пленочные по­ крытия в значительной мере определяют физические свойства оттаиваемых пород. Так, в исследуемых слабовлажных крупно­ скелетных породах (w = 13%) в естественных условиях поверх­ ностный слой быстро иссушается, при этом снижается коэффи­ циент теплопроводности пород.

Приведенные результаты исследований показывают, что эф­ фективность тепловой мелиорации крупноскелетных пород при помощи пленок и поверхностного засоления довольно высока. Относительное увеличение теплового потока в породу сохраня­ ется на протяжении всего летнего периода. Следовательно, при­

105

сезон лишь 1,5—2,5 м покрывающих пород (при мощности торфов, достигающей 5—6 м).

Увеличить опережение горноподготовительных работ перед очистными до 2 —3 лет в условиях прииска оказывается невоз­ можным, так как отвалы торфов при интенсивном обрушении бортов разреза, которое наблюдается даже при углах заложе­ ния откосов, равных 5 —10°, разместить очень трудно. В сущест­ вующей практике опережение таких работ составляет менее одного года и значительный объем торфов складируется во внут­ ренние отвалы. В последнее время на прииске все больше начи­ нают применять зимнюю вскрышу с рыхлением пород буровзрыв­ ным способом и транспортировкой их при помощи бульдозеров. Несмотря на некоторые достоинства этого способа (выравнива­ ние потребности в рабочей силе в течение года, высокая скорость окупаемости вложений, возможно короткие сроки проведения горноподготовительных работ в любых горно-геологических условиях), рекомендовать его к широкому внедрению нельзя из-за высокой себестоимости буровзрывных работ. Себестои­ мость зимней вскрыши на 1970 г. на прииске составила 4,3 руб/м3,

алетней —0,5.

Всвязи с вышеизложенным исследование путей увеличения скорости оттаивания суглинистых пород в условиях прииска представляет большой практический интерес.

Исследования проводились на площадках 6 —8 (август —сен­ тябрь 1968 г.), 9 —13 (май—июнь 1969 г.), 28—29 (июнь—июль

1970 г.). Экспериментальные площадки 9 —13 были оборудова­

ны на суглинистых сильнольдистых породах—«торфах» ( w = = 94%) и располагались на слабонаклонной с югу поверхности крутизной около 2°. Растительно-торфяной покров на всю мощ­ ность сезоннопротаивающего (в естественных условиях) слоя снят заблаговременно — осенью 1968 г.

Данные, приведенные в табл. 36, показывают, что засоление суглинков не оказывает сколько-нибудь заметного отепляющего влияния. Некоторое увеличение теплового потока в породу (на 28%) отмечается лишь в течение первой недели после засо­ ления. В среднем за весь период наблюдений отклонение заме­

пород, покрытых пленкой. Доля длинноволнового излучения в тепловом балансе поверхности снижается с 41,3 до 24,9%.

Эффективность применения полиамидной пленки ПК-4 не-

106

сколько ниже, чем полихлорвиниловой, — в среднем тепловой ноток в породу возрастал лишь в 1,19 раза по сравнению с эта­ лонной площадкой, что связано с повышенными потерями тепла на длинноволновое излучение относительно площадки 10. Излу­ чение на площадке И составило 34,1% от потока суммарной радиации, т. е.' было лишь в 1,2 раза меньше, чем на эталонной, меньше были потери тепла и на турбулентный теплообмен (на 8% по сравнению с эталонной). Покрытие поверхности почвы полиамидной пленкой приводило к увеличению отражательной способности поверхности почти в 2 раза (с 8,3 до 16,2%).

С 15 по 31 мая непрозрачная полихлорвиниловая пленка НМА давала положительные результаты — тепловой поток в породу на площадке 13 по сравнению с эталонной был выше в 1,2 раза. В среднем же за весь период наблюдений на этих пло­ щадках он был одинаковым. Влияние пленочного покрытия ска­ залось лишь на перераспределении отдельных составляющих теплового баланса поверхности — затраты тепла на отражение увеличились в 2,2 раза (с 8,3 до 18,2%) и конвективные потери уменьшились в 1,33 раза (с 38,3 до 28,9% от Qc).

Следует отметить, что различие в отепляющем эффекте пле­ нок частично объясняется неодинаковым прилеганием их к по­ верхности разжиженных при оттаивании суглинков. Так, эла­ стичная пленка БМА настолько плотно прилегала к земной по­ верхности, что ее не удалось впоследствии снять. Площадь кон­ такта с породой сравнительно тонкой полиамидной пленки со­ ставляла примерно 50%, а довольно грубой полихлорвинило­ вой — лишь 30% площади покрытия.

При протаиванни происходило разжижение пород, сток из­ быточной влаги и их осадка. Так, влажность в оттаявшем слое 13 июня по результатам обработки 39 проб, взятых в различных

108

Осадкой пород можно объяснить и более значительную ве­ личину теплового потока в протаивающий слой суглинков. Если на площадке 12 тепловой поток был равен 12% от суммар­ ной радиации, то на непросадочных породах (площадка 16) он составил всего лишь 7,9%.

Кратковременные наблюдения на площадках 9 —13 были связапы с тем, что с 13 июня на площадках 2 —3 сформировался солифлюкционный поток из оттаявших пород, который двигался со скоростью 2 —4 м/сутки. Скорость сплыва не превышала не­ скольких сантиметров в час, за исключением периода с 15 до 18 часов, когда смещение пород за час достигало нескольких метров.

Уборка растительно-мохового покрова на всю мощность та­ лого слоя на площадках 28, 29 и их полное оборудование было

1,72 раза больше. Специфична и структура теплового баланса в этот период. Так. потери тепла на турбулентный теплообмен и испарение на площадке 29 снизились в 4,53 раза по сравнению с открытой, радиационные же потери, наоборот, повысились — отраженная радиация в 1,8, излучение в 1,56 раза. С 20—30 июня потери тепла на турбулентный теплообмен и испарение с поверх­ ности пленки были основными в тепловом балансе площадки 29 и составили 35% от величины суммарной радиации. Альбедо на этой площадке в 1,7, излучение в 1,52 раза больше, чем на открытой площадке, потери тепла на турбулентный теплообмен в 1,62 раза ниже. Температура поверхности на 2 —4° превыша­ ла температуру площадки 28 (табл. 38).

Экспериментальные площадки 6 —8 были оборудованы в 1968 г. на участке вскрыши 1966 г. Их поверхность была хоро­ шо спланирована. Породы слоя сезонного протаивания нару­ шены морозобойными трещинами шириной 5 —10 см, образую­ щими полигональную сетку со сторонами 5 —10 см. Вновь сфор­ мировавшийся мохо-торфяной покров толщиной около 1 см на­ рушен более мелкими трещинами — шириной менее 1 эм. Раз­ меры сторон микрополигонов изменяются в пределах 0,1 — —1,0 м.

Эффективность применения пленочных покрытий оказалась довольно высокой: вплоть до резкого похолодания, наблюдаю­ щегося после 5 сентября, тепловой поток в породу под пленкой

109

Т а б л и ц а 37

Составляющие теплового баланса поверхности на площадках 29

БМА был на 9 %, а под пленкой В-118 на 47 % больше, чем на эта­ лонной площадке (табл. 39).

Основная расходная часть в тепловом балансе поверхности всех площадок — потери тепла на длинноволновое излучение. Наибольшие значения его отмечались на площадке 7, что сви­ детельствует о более высокой температуре пленки БМА по срав­ нению с В-118. Это легко объяснимо, так как пленка БМА за­ держивает все виды излучения почти полностью. Некоторое снижение потерь тепла на турбулентный теплообмен с поверх­ ности по сравнению с пленкой В-118 можно объяснить наилуч-

Т а б л и ц а 38

Температура поверхности пород на площадках 28 (эталонная) и 29

110