Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Основы водно-тепловой мелиорации мерзлых пород (на примере россыпных месторождений Северо-Востока СССР)

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Основы водно-тепловой мелиорации мерзлых пород (на примере россыпных месторождений Северо-Востока СССР)"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Специализированный совет Д.053.05.27 по инженерной геологии, гидрогеологии и мерзлотоведению

На правах рукописи

ПЕРЛЬШТЕЙН Георгий Захарович

ОСНОВЫ ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ МЕЛИОРАЦИИ МЕРЗЛЫХ ПОРОД (НА ПРИМЕРЕ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРО-ВОСТОКА СССР|

Специальность 04.00.07 — инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Москва — 198 Г

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте золота и редких металлов (ВНИИ-1) МЦМ СССР.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

Доктор технических наук, профессор С. С. Вялов

Доктор геолого-минералогических наук, профессор Э. Д. Ершов

Доктор геолого-минералогических наук, профессор

А. И. Калабин

Ведущая организация —

Институт мерзлотоведения СО АН СССР

Защита состоится «.5!» МС1РП1С1 . 19?2г. в . "/3 часов на заседании специализированного совета по инженерной геологии, гидрогеологии и мерзлотоведению Д.053.05.27 при МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 117234, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, аудитория № .Ц15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.

Автореферат разослан «. . ян&арз . \q8.2t.

Ученый секретарь специализированного совета профессор

В. И. ОСИПОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рассматриваемой проблямц. Ускоренное освоение северных и восточных районов Советского Союза, предусмотренное решениями партии и правительства, обусловило колоссальней размах земляных работ в горном дело, строительстве и других отраслях народного хозяйства области вечной мерзлоты. Ввиду высокой механической прочности мерзлые горные породы не могут эффективно разрабатываться современной землеройной техникой без предварительной подготовки. Особенно остро эта проблема стоит для Северо-Востока нашей страны, где в ходе эксплуатации россыпных цесторондений необходимо ежегодно перерабатывать многие десятки миллионов кубометров мерзлых пород, из них значительную часть в морозный период. При этом на приисках иа-гаданской области и Якутской АССР себестоимость подготовки массивов мерзлых отложений к векрьшным работам зачастую оказывает рещавдее влияние на экономику горного производства в целом.

Среди известных в настоящее время видов подготовки мерзлых пород к разработке наибольшим распространением пользуются методы водно-тепловой мелиорации (ВТЦ). Видная роль принадлежит им и в деле обеспечения устойчивости инженерных сооружений, возводимых на мерзлых грунтах. В связи с этим исследования, направленные на изыскание и совершенствование способов ВШ, следует отнести к числу наиболее ваяных и актуальных разделов современного мерзлотоведения.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы заключалась в изучении закономерностей тепломассообмена в оттаива-юмх-промерзающих грунтах и разработке на этой основе комплекса практических и методических приемов ВТМ, позволяющих максимально использовать благоприятные и нейтрализовать нежелательные факторы природной среды.

В соответствии с поставленной целью потребовалось решить следующие главные задачи:

1) разработать основы теории и технологии управления прочностью оттаивающих-промерзающих пород (преимущественно крупнообломочных) в массивах;

2) углубить теоретические представления о процессах тепломассообмена в рыхлых отложениях и выявить особенности фор-

инрования некоторых их свойств;

3) опираясь на установленные закономерности к анализ природных особенностей объектов ВТМ, разработать новые и усовершенствовать известные способы подготовки мерзлых пород к шеи-ко;

4) проанализировать мерзлотно-геологические условия россыпных иесторохдшшй Северо-Востока СССР и разработать для них рекомендации по применению комплекса методов ВТМ.

Научная новизна работы. Исследуя количественные закономерности ВТМ, автор исходил из определяющего влияния состава, строения и свойств горных пород на интенсивность протекающих в них процессов теплоиабсообмена. Такой подход позволил найти новые решения ряда научных вопросов общего и инзонарного мерзлотоведения, которые выносятся на защиту:

впервые разработан'« теоретически обоснован кетод енике-ния прочности промерзающих песчаных к крупнооблоыочных пород в каосивах, открывший новое перспективное направление ВТМ;

теоретически найдена зависимость температуры поверхности протаивавши пород от их состава, свойств и условий внешнего теплообмена, что дало возмокность существенно повысить точность расчетов скоростей протаивания пород при использовании тепла солнечной радиации и атмосферного воздуха;

разработана количественная теория поперечного переноса тепла в фильтрующих однороднозерпистых материалах и естественных крупнооблоыочных породах;

выявлен особый случай конвективного теплообмена (в проницаемом для фильтрационного потока мерзлом массиве) и предложена его математическая модель;

разработана методика определения коэффициентов переноса тепла и влаги в крупнообломочных породах;

теоретически и экспериментально изучены некоторые особенности гидравлического оттаивания мерзлых отложений и предлояе-ны пути его интенсификации;

для россыпных месторождений Северо-Востока СССР проведен анализ мерзлотно-геологических условий, выделены типы мерзлых Грунтовых толщ и для каждого из них розработаны рекомендации по применению наиболее эффективных и экономичных способов ВТП.,

Значение и реализация пззулыатоз исследований» В диссертации разработаны теоретические основы, комплекс практических приемов ВТМ п методика их применения при подготовке россыпных иесторокдений Северо-Востока к круглогодовой разработке. Гашение данной проблемы имеет важное народнохозяйственное значение'. ■

Результаты исследовании, вопедсие в дзз монографии и одну инструкцию, внедрены в практику проектных институтов ц горнодобывающих предприятий ВПО "Союззолото". Пси проектировании горноподготовительных работ с их помощью решается ваз-пейдая практическая задача выбора наиболее экономичных (применительно к конкретным производственник н природным условиям) способов и технологических параметров ВТ!.:. драме того, научные положения диссертации позволяют о нових позиций и более обоснованно подойти к проблема перспективного планирования открытых горных работ, связав главные направления технического прогресса горнодобывающей пришалзнности Северо-Востока СССР с мерзлотно-геологической характеристикой сырьевой базы.

Значительная часть выводов автора налла свое выражение ъ совершенствовании известных технологических схем и создании новых способов ВИ. Многие из разработанных рекомендаций си-роко применяются на практике с Сольет социально-экономическим эффектен. Например, внедрение технологии подготовки искусственных суиенцов и рациональных параметров фнльтрационно-дренанного оттаивания обеспечило за годы десятой пятилетки только на приисках Магаданской области фактическую экономию более 7 млн.рублей, дало возмокность повысить безопасность и сгладить сезонность горньгх работ. Решением Всесоюзного совещания по разработка россыпэй (1978 г.) и планами технического перевооружения золотодобывающей подотрасли МЦМ СССР намечен значительный рост объемов подготовки искусственных суиенцов, что позволит к концу одиннадцатой пятилетки довести годовой экономический эффект до 30-40 или.рублей.

Ряд полученных результатов включен в учебные курсы "Оттаивание горных пород при разработке россыпных иесторохдениН" (ЛП1 им. Г.В. Плеханова) и "Оттайка мерзлых пород" (ИГРЛ ни. Г.К. Ордаоникидзе).

Исходные материалы и личный вклад автора. Диссертация написана по материалам теоретических исследований, целевых

наблюдений, лабораторных, натурных и промышленных экспериментов, проведенных автором с 1968 по 1979 гг. во В1ГЛИ-1, а танке в 1964-1967 гг. на кафедра мерзлотоведения МГУ. Основные расчетные схемы аналитические решения, принципиальные методические полоноиия и рекомендации разработаны автором лично. Б диссертацию включены результаты работ, выполненных автором совместно с руководимыми им аспирантами (поперечный перенос таила в фильтрационных потоках - совместно с В.Е. Капрановыи, прочность слабольдистых пород - совместно с А.Ф. Курильщиком). Кроне собственных фактических данных, в диссертации использованы фондовые ватериалы ВНШ5-1 и многочисленные публикации научно-методического и справочного характера.

Апробащтс работы. Основные результаты исследований докладывались на УШ Всесоюзном межведомственном совещании по геокриологии (Якутск, 1966), научном семинаре кафедры мерзло-товедетш МГУ^1968), Всесоюзном совещании по мерзлотоведению (•Москва, 1970)Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1973), П и И Международных конференциях по мерзлотоведению (Якутск, 1973 и Эдмонтон, 1978), научно-практической конференции по техническому прогроооу горнодобываоцой промышленности Северо-Востока СССР (Магадан, 1976), 1У Всесоюзном научно-техническом совещании ло разрОотке россыпей .(Магадан, 1978), а также на ежегодных координационных совещаниях "Союззолото" (Иркутск, 1977-1981) и отраслевых пколах передового опыта, проводившихся на приисках Магаданской области в 1969-1У77 гг. Технологические разработки (подготовка искусственных сушенцов и гидравлическое оттаивание) зкопонировавшиеся ня ВДНХ СССР, удостоены диплома I степени, золотой и бронзовой медалей. и

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 40 работ (в том числе две монографии и одна инструкция) и получено 5 авторских свидетельств.

Структура и об'ьом работы. Дисоартацин, обцкм объемом 311 страниц, состоит из введения, пяти глав, заключения а опнокя литературы (свыше трехсот наименований). В работе приведено ■16 таблиц и 55 рисунков.

Автор от дупи благодарит за полсодновную номоль и иод-

С

дерхку своих товарищей по работе, сотрудников лаборатории мерзлотоведения ВНИИ-1, и особенно В.В.Знаменского, В.Н.Тай-башева, В.Е.Капранова, А.Ф. Курильщика и Е.Е.Панкратову. За последние пятнадцать лет были получены консультации и обсув-дены различные аспекты проводимых исследований на кафедрах мерзлотоведения и гидрогеологии МГУ, в Институте мерзлотоведения, ИШО, ВСЕГОЮМО, АФИ, Иргиретмете, проблемной лаборатории горной теплофизики ЛШ, СевНИИГиМ и др. Выраааю искреннюю признательность ведущим специалистам этих организаций за ценные советы и благожелательную критику. Пользуюсь случаем, чтобы отметить большой вклад инаенерно-технических руководителей объединении "Северовостокзолото" и его предприятий в организацию промышленных экспериментов и внедрение результатов законченных исследований.

СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

Эксплуатация россыпных ыестороадений Сибири и Северо-Востока СССР вызвала к еизни колоссальный размах работ по оттаивании мерзлых отложений, защите искусственных и естественных таликов от глубокого сезонного промерзания. Кроме горного дела, ВШ широко применяется с строительстве и сельском хозяйстве. Задачи, методы и даже само понятие мелиорации грунтов и почв трактуются по-разному в зависимости от области применения. В настоящей работе под ВТМ сезонно- и много-летнемерзлых горных пород (грунтов) понимается направленное изменение их прочности и других свойств за счет регулирования температуры, агрегатного состояния порового раотвора и смерзаемости породообразующих компонентов.

Практика показывает, что изыскание экономичных методов ВТМ и их эффективное использование немыслимы без глубокого всестороннего учета определяющих факторов природной среды, из которых наибольшее значение обычно имеют литологические особенности и физические свойства пород. В диссертации эти вопросы рассмотрены применительно к условиям разработки россыпей Северо-Востока СССР. Однако основные научные выводы и рекомендации имеют общий характер и могут быть распространены на горные полигоны и строительные площадки большинства районов области.вечной мерзлоты.

.Парная глада содержи краткий анализ состояния теории и практики ВТМ на момент начала собственных исследований автора.

Физическую основу ВЯ! состикаяет ряд активных процессов перекоса энергии и вещества, характер которих определяется свойствами грунтов. В разрезе роесипей Северо-Востока преобладают крупнооблоиочныэ отложеиия. Физические свойства таких пород в тепам состоянии зависят главным образом от гранулометрического' состаза п пространственного взаиморасположения скелета и заполнителя (В.В.Охошн, В.Н.Тайбаиюв, Н.А.Цытович и А.Я.Кроник, В.Т.Балобаев в Р.й.Гаврильев и другие).

При промервании-оттоивании свойства влагосодерззцих пород резко изменяются.- Наибольшее практическое значение имеет повышенная прочность мерзлых пород,, обусловленная возникновением нового зида межчастичных связей - цементацией льдом (по С.С. Вялову).- Исследовании влияния на прочность мерзлых грунтов таких факторов, как температура, общая влахность,засоленность, гранулометрический состав, текстурные особенности, длительность прилоления нагрузок и т.п., посвящены работы К.Ф.Войткобского, И.Н.Вптякова, С.С.Вялова, С.Э.Городецкого, С.Е.Гречищева, Б.И.Далмптовь,, Л.К.Зарецкого, А.Н,Зеленина, Н.К.ПекарокоИ, В.Н.'Гайбалева:, Л.Д.Фролова, Н.А.Цытови-ча, Е.П.йушериной и другах. Следует отметить.крайнюю скудость фактических данных пс прочности мерзлых пород при влажности ыеныае половины полной влагоемкости.

В процессах ВТМ исключительно важную роль играет движение воды в порах и пуототах оттаивающие-промерзающих пород. Проблеме количественного описания фильтрации насыщающей жидкости посвящена обширнейшая литература, из которой большой известностью пользуются обобщающие работы З.И.Аравина и С.Н.Нунерога, Ф.М.Бочевера и др., Я.Бара и др., Г.И.Камзно-кого, Н.Н.Кочина и др., И.Ыаскота, Ф.Б.Нсльсон-Скорнякова, П.Я.Полубариновой-Ксчииой, И.А.Черного и другие. Процосоы фильтрации воды в грунтах в случае превышения некоторых критических значений напорного градиента (кок ато имеет место, например, при гидроигловом оттаивании) сопровождаются явлениями суффозии и выпора (К.Терцаги, В.С.Истомипа).

В зона неполного насыщения в качестве источника движения влаги выступает разьооть полных термодинамических потек-

циалов, которые варадаи? суммарное т?оздействиь- на веду все:; внутренних и внешних сил (сорбциенних, капиллярных, осхошче скшс, гравитационных и других). Различные стороны учеш'п оо энергетической изоднородаоста, движении и равновесна зздкзехь в поле ¡Еврцодскаалчезкого потенциала ссвз^зш: в трудах 1*.дилера, А.А.Ананяна, Л.Андерсона, П.Li. ¿«дресва, У.Гарднера.

A.К.Глобуса, Б.В.Дерягипа, Б.Н.Достовалоча, Э.Д.Ерсоза, Да.Холли'с-Дкордт.са, З.Г.Коркеза, &.Ф.Лебодзвз, А.'.Ликова, Ц.К.аельнкковой, 3.Ii.Мичурина, С.Б.Нерпзна, В.О.Орлегз.П.л, Раблндера, А.А.Родо, Б.А.Сазельева, ВЛ.Саргеззэ, Й.И.Судни-цынз, Д.*. Фила па, Э.ЧаПльдса, Л.В.'&сгстскова, Н.Б.Чураева, Л.:'.Цербакоза и других. Известные методы экспертов!»алыгого определения потенциала почвенно-грунтовой влаги нельзя без изменений переносить на крупнооблоуочнио отлохенНл.

В теории BTLi язабояыовв вниканвв уделается. изучявнв закономерностей теплообмена пгн слагвотаи-прсиорзашю пород. В главе приводятся краткое описание згзвсхзих. ыехаяазяов распространения тепла, отмечена высокая интенсивность ьынувдои-ной конвекции в хорошо фильтрующих отдогеклгс. Вахкая особенность тепловЬх процессов прл двизепаа кидкостей а газов в зернистых материалам состоит в увеличении ко?$$яцзззга аффективной теплопроводности по нормали и обмену направлении потока (М.Э.Аэроз, H.H.Умник, В.Г.Бахуроз и ГЛ.Бореиноз н другие) . Применительно к .гвлоьяяи фяльгрзшк води в горных породах теория этого явления и методике его экспериментального изучения разработаны недостаточно полно.

Математическое списание процесса пргтаивапия (промерзания) пород сводится к известной проблеме Стефана, рассмотренной в,,многочисленных исследованиях, анализ которых выполнен

B.С.Лукьяновым и М.Д.Головко, В.Г.УсламеДом, А.В,Павловым, Л.И.Рубинштейном, А.Ф.Чудновсним п другими. Исследования особенностей радиационно-теплозсго баланса на поверхности еезонноталого слоя помогли оценить роль различных природных источников энергии в формировании скорости оттаивания, наметить пути ее регулирования (З.П.Бакакнн, В.Т.Балобаев, ¡D.M. Бедяев, З.Д.Ериов, П.II.Колосков, М.;.1.Крылов, В.С.Лукьянов, Л.Л.Цаксипова, Е.И.Несмелова, Б.А.Оловпн, А.В.Павлов, A.B. Раикин, й.Т.Роинек и другие). Однаки дс последнего времени

отсутствовала теория, устанавливающая надежную количественную связь температуры поверхности пород с их составом, свойствами, длительностью оттаивания и определяющими факторами внешнего теплообмен.

Сравнительно небольшое число работ посвящено конвективному теплообмену в оттаивающих породах (В.Т.Балобаев, П.А. Богословский, В.Г.Гольдтман, В.В.Знаменский, А.И.Пеховит,-Г.В.Порхаев и Р.М.Саркисян, А.И. Приймак, Г.М. .Фельдман, H.A. Цуканов, С.Д.Чистопольский). Расчеты простейших'случаев гидравлического оттаивания основаны па ряде физически оправданных допущений,ic помощью которых удается свести описание теи-пературного поля талой зоны к классическому уравнению Фурье и по его известным решениям вычислить теплоотдачу фильтрационного потока.

Упомянутые теоретические положения лежат в основе цело- . го ряда направлений смеаньк научных диоциплин: грунтоведения, инженерной геологии, мерзлотоведения, теплофизики, почвоведения, гидрогеологии и т.д. Исследованиями проблем собственно ВТМ плодотворно занимались представители Института мерзлотоведения, йргиредмета, Агрофизического института, НИИ оснований и подземных сооружений, МГУ, ЦШГН1, ЛШ и других организаций. Как крупный раздел мерзлотоведения, ВТМ мерзлых пород наиболее полно представлена в работах ВНИИ-I, которые были развернуты в конце 40-х годов под руководством А ".Ка-лабина, а в 60-е - начале 70-х годов продолзсалиоь под руководством В.Г. Гольдтмана. Большой вклад в разработку способов оттаивания и утепления грунтов внесен строителями, гидротехниками, горняками и другими специалистами-практиками, осваивавший районы о суровыми климатическими условиями.

Среди практических методов ВТМ наибольшим распространением пользуется радиационное (по А.В.Павлову и Б.А.Оловину) оттаивание, при котором тепло солнечной радиации и атмосферного воздуха передается от дневной поверхности к подошве талого слоя преимущественно за счет кондукции. Из числа известных приемов повышения скорости радиационного оттаивания для россыпей Северо-Востока высокоэффективным можно признать только периодическое обнажение поверхности мерзлых пород.

На рассыпных месторождениях Аляокл, Северо-Востока СССР

IÜ

и других райоьов широкое применение нашли гпдроиглово/., филь-трационно-дренааный и доздезалъный способы оттаивания. Все они основаны на конвективном переносе тепла искусственно питаемыми фильтрационными потоками И предъявляют сравнительно высокие требования к водопроницаемости пород. В теории и технологии гидравлического оттаивания имеются нерешенные йоироей сникающие его эффективность и масштабы продымленного внедрения. Недостатки определенного метода юютда могут быть устранены или ослаблены с пиаощь'о призмов подготовки и управления процессом, заимствованных из других технологических ехзм. Именно гак были разрзботаны комбинированные способы гидравлического оттаивания: ззриво-гидравлйческий, игло-фильтрацпон-ный, дождевание под пленкой к другие.

Ряд известных способов оттаивания основан на использовании искусственных источников энергии. По экономическим сооб-ракзниям, обусловленные высокой удельной энергоемкость« спаивания (обычно 25-50 кВТ'ч/м3), их применяют в сравнительно небольших масштабах, чаче всего на строительных объектах. В овйзи с перспективой получения дешевой электроэнергии строящихся ГЭС большой практический интерес представляет оттаивание пород под действием прохождения в них электрического тока и выделения дяоулева тепла.

Суровые климатические условия северных и восточных районов нааей страны способствуют глубокому сезонному промерзанию естественных таликоз а оттаянпых пород. Такие популярные способы защиты талых пород от промерзания, как снегозадержание, засоление и затопление, могут успзггао применяться главным образом в условиях умеренного климатического.понсэ. В последние годы все вира внедряются искусственные теплоизоляционные покрытия из водно-воздусных и полимерных пен (СЛ.!. Дружинин, Б.В.Левинский, В.Г.Пятаков н другие). Однако с помощью этих методов не удается решив вахнейпув проблему круглогодовой разработки пород.

Во второй главе описаны основы теории и технологии управления прочностью промерзающих пород в ьассиЕб. Разработанный метод подготовки крупнообломочных грунтов к круглогодовой выемке принципиально отличен от традиционной тепловой защиты. Известно, что среди монолитных льдонасыщенных пород в разпо-

вовраствшс отделениях русловой фации аллювии иногда валегаюТ суиэици, т.е. порода, сидерка^че весьма незначительное количество порового льда и но этой причине легкораэборные в мерзлой состоянии. Анализ условий формирования природных оушонцовых зон привел к выводу о возможности их массового искусственного воспроизведения путем предварительного оттаивания и уменьшения предзимней влаиности отложений. Сходный идеи прямо или косвенно выоказывались В.П.Бакакивым и А.Н.Зелениным, H.A.Антиловым-и другими.

Трудность разработки промерзших после осушения пород дол-яна в порву» очередь определяться их остаточной льдистоетыа. В слязй о &ТИМ в лабораторных условиях кослэдовалисЕ. зокономе-ркости изменения прочности мерзлых рород при уменьшении их суммарной влажности от 10 до 2 %.

Сопротивление быстрому сдвигу определяли при постоянной скорости загрухопия образцов и при мгновенном (менее I с) приложении разрушающих усилий. Цатериалои испытаний олукила грунтовая смсь, близкая по составу к заполнителю крупнооблсточного аллювия р. Чай-Урьи. По результатам опытов найдена зависимость мгновенного сцепления ( ¿¡Сц), морзлого грунта от влазно-сти ( W )• При влажности меньшо 3 % ÓCít веоьыа мало (кон-еиотенция грунта сыпучая), резкий рост сцепления происходит в интервала влажности 3-5 %, а, при W> 7 % кривая 6СЦ ( W) заметно вьшолакивьетсп (рио. X, а). Проведенные испытания по-кизали, что песчаио-гразиИные породы влажностью около 3,5 которую мы ннзовем критической, оотаются в морзлом состоянии легкоразборный! к могут разрабатываться землеройной техникой доке во время сильных морозов.

Для изучения влияния состава заполнитолп но прочность слабольдистых: круштоблоиочных пород проведены две серии разрывных испытаний со стандартной скоростью загружения образцов. Исоледуомаь оыесь состояла из 70 % гравийного скелета и 30 )с заполнителя, представленного в первой оории среднезерпистим песком, а во второй ~ тшсслой супесью. Опыты проводились при температуре - 5 °С. Характер зависимости разрывной прочности ( Ópj ) от влааности мерзлых пород оказался в целом примерно таким se, как в предыдущих экспоримоитах. Результаты опытов обоих оерпй одинаково отклоняются от обобценпоИ кривой (рис.

20

10

s

/ t - у

.V к

2 4 6 в W,%

SO 40 20

б

**г :. . о

О V /Г *

jf. 9 »г

•ÄV

4 6 Ü- W,%

Bio. I. Зависимость прочности мерзлых порэд от суммарной влагшости ( W ) при температуре -5°С:

а - мгновенное сцепление (бсц) гравийно-несчаной снеси; (j - разрывная прочность {6р3 ) гравия о различным составом заполнителя:! - песок средни!!; 2 - супесь тякелая

О

I, 0). Следовательно, для обеспечения возможности разработки при температуре -5 °С и ниге испытанные разновидности пород потребуется предварительно обезволивать в равной степени.

В условиях промышленной разработки россыпей единственно приемлемый способом уменьшения влажности оттаянных: пород до критических значений пзлпется дренирование. Если дополнительные источники питания отсутствуют, то общие влагозапасц дренируемого массива постепенно сокращаются и над понижающейся свободной поверхностью грунтового потока возникает зона неполного увлажнения. В диссертации на модели фиктивного грунта рассмотрен механизм капиллярных (всасывающих) сил, которые оказывают больпое влияние на движение влаги в ненасыщенной зоне. Как известно, в песчаных и крупнообломочных породах при малой влажности совместно существуют тонкие водныо пленки и так называемые стыковые мандаты, давление в которых выражается формулой Лапласа , •/ / \

АР •-б[—*'7г-}'

где АР » изменение давления жидкости, обусловленное криви -зно11 ее иоверхкоми, Н/я^; б -• коэффициент поверхностного нотякешш гездкоом, Н/и; и Г~ - радиусы положительной л отрицательной кривизны боковой поверхности манкет, м.

Для влаккостп качала слияния сменных манжет ( И/ = \А/Сл) М.К» Мельникова и С.В. Нарпин (1956) из геометрических соображений определили зависимость Г* к Г'~от диаметра чосищ. Развивая их ¡¡згляды, автор нашел взаимосвязь радиусов положительной и отрицательной признаки с объемом водных ианжот, ди-аиегроц грунтовых частиц л краевым углом смачивания, обрззуа-жидкостью ка поверхности данного минералогического состава. "/чет угла скачивания дал возможность отразить характер 83 п'япг,е#<л ояя норового роегт.ори с минеральным скелетон и т-ос-.лгать Р .4:1 вмдяииш Vй , Длп оцошш капиллну-ичх сил при цредлоггеио воспользоваться идеями Л.К.

Щербакова (1948), согласно которым по коре роста влажности абсолютная величина АР убывает пропорционально изменшшм .гденьной поверхности мидкей (разы.

!>з приведенных положений олчдует, что при дачной ьл.'ило-•:тя 'Ьш'хидгшго грунта всосштпппя саяп пО^г-пп импот'роппяь-

на диаметру твердых частиц, увеличивается с уменьшение!! пористости и по мере ослабления гидрофильнооти скелета падает тем резче, чем меньше плотность упаковки. Кроме того, анализ условий равновесия мезду тонкими роднима пленками и манжетами показывает, что водоудераиваюцую способность несвязных пород н&льзя охарактеризовать физической константой типа объемной массы скелета или коэффициента фильтрации. По мнению автора, наименьшая влагоемкость фактически представляет собой медленно изменяющуюся величину, которая зависит не только от свойств грунта, но такяе от длительности и конкретных условие процесса гравитационного удаления влаги.

В сБете изложенного ясна большая роль, которую играет экспериментальное изучение количественных закономерностей дзиме-ния ненасыщающей жидкости в вопросах оценки остаточной влажности дренируемых массивов. Наиболее ванными характеристиками пород, определяющими интенсивность переноса влаги, являются коэффициент влагопроводности ( К ), отрицательный капиллярный' напор ( , где у? -'плотность воды, кг/ц3, д - ус-

корение силы тягести, ы/с^) и дифференциальная влагоемкость ( С-дПри изменении вланности эти величины меняются в широких пределах. Для крупнообломпчных грунтоз они сильнее всего зависят от характера заполнителя. Анализируя состав руслового аллювия, слагающего большую часть россыпей Северо-Востока, автор выделил три типа заполнителя: I) песчаный; 2) супесчаный (преимущественно супесь легкая крупная); 3) едпесча-но-суглинистый (супесь пылеватая, супесь тяжелая и все зиды суглинков). . ■

Гидрофизические свойства аллювиальных отлокелий изучались методом стационарного вдагообмена на образцах нарушенной структуры. Взятые за основу известные способы лабораторного определения параметров влагопереноса (например,Д.Ершов и В.ГЛевзрев, 1974) были модифицированы, благодаря чему удалось выполнить методические требования, обусловленные особенностями крупнообломочных пород: обеспечить весьма большой диапазон изменения плотности потока влага в исследуемой интервале влажности, использовать образцы достаточно крупных размеров и т.д. Проведено четыре серии опытов, в результате которых найдены значения коэффициентов переноса в зависимости от

лавгосодервакия гремШт-галвшиовых отлохзяви с различны:;;; тигшип заполнителя»

Все исолздовапнш разногадиоогя пород хорекЕеризукгсд дсзслькс сходцыг надои кризе: К (КО» (ИО и С ( Ш) (рас. -2). Для одинаково« плохшосх» знгяопаь К и С уг:оаы,а-ьгск по аорз рэсго дас;ырсносгЕ заполнителя, причск особенно резкое кзиенипае свойств наблюдается при переходе от легкой супосп (краг:» 3) к тл:,;слол (кркшз Обращает на себя вни-х&\?ль Сшкрзо сн:;.;;ин:;е элогонрово&поотн грунтов при уягкыз-ьки их :е:;а;:;пос7й от \'/п (полная влагоемкость) до 0,7-0,9

[Vп (с-, рас* 2, и). Всролтио, б этой ввгерволе влогосодзр-/;анйд г.з ойчЗй илоаадк .,счл:;:$. дькиз^оНоя гадости вскллчазг-с г; п&лболсо Благоптовсддадш кюшли, свободные от иелкозерлао-юго зеполлатоля. Поскольку особенности ело?;ап;ш породи могут оксгизод за«$гкос глпктгле на ее свойства, значения К (№")» А/д--С НО 11 С (17) у полученные па образцах .норуоснкой структуры, слсдузт рассматривать как приблпдоншго сроднив, характеристик;: нзучгшис разнозадгоогей крулнообломочиого одлэгяя..

Для разработки рациональных параметров подготовки искусственны;: суаепцов и одой;;;; границ целесообразного применения данной технолог;;;; нзоб:ссд;ш росчст изменения влажности дропи-руонах отлояевяй. Члсленкоо роиенпе задачи о влагообмоне в иегдреншш простроиеггг получено в СевШШГвИ. По разработан-иоЛ прогрежи па ЭЦЕМ "Ц-32" расочитывалось осупонае пород под дойстшкш огкрыгсго дроишш. Прослежены некоторие закономерности процесса, обциа для грунтов любого состава. Ток, в каждой точке драпируемого массива обозвоываиие происходило с быстро звтулахцой скоростью, что хорошо объясняется ухудшением влагообменпых свойств среды по мере уменьшения владпее-тп,.

В расчетных исследованиях (всого их выполнено три серии) коэффициенты влагопероноса задавались на основании экспериментальных данных, благодаря чему удалось установить необходимую продолжительность дренирования для наиболее распространенных разновидностей крупнообломочного аллювия. Всего 10 дней оказалось достаточно для осушения пород с леском продним в заполнителе. Высокий темп водоотдачи позволяет приступить к дренированию таких грунтов непосредственна пород качалпц

промерзания. Во второй серии рассчитывалось изменение влажности гравийпо-галечниковых отлоконий, заполнитель которых составляет пронсяуточное звено ¡ленду песков иалшш пылеватым и супесью легкой крупной. Ецяснено, что они могут бить осушены во вполне приемлемые для практики сроки. В третьей серии расчетов гидрофизические характеристики соответствовали породам с заполнителем из легкой супеси, содержащей несколько повышенное количество пылевато-глшшстых частиц. Результаты вычислений свидетельствуют, что после промерзания сдренированных пород их льдистость окакется немного выше ИВлагопроводность и дифференциальная вяагоемкость, задававшиеся в расчетах третьей серии, значительно "больше, чем у отложений с тужолой супесью в заполнителе. Следовательно, породы с сунесчаыо-суглинистыа заполнителем нельзя использовать для подготовки искусственных сушенцов.

Впервые натурный опыт подготовки и разработки искусственных сушенцов осуществлен в 1974-1975 гг. вблизи пос. Беличан. Для проведения эксперимента на горизонтальной, слегка заболоченной поверхности I надпойменной террасы р. Берелех оборудовали площадку размером 40x50 м. В разрезе террасы резко преобладает русловой аллювий голоцепового возраста, представленный 4-5-натровым елоой грцвия и гальки с заполнителем из мелкого пылева-того песка и легкой супеси. Состав, свойства пород и мерзлотпо-геологические условия экспериментального участка в цел'ч были весьма типичными для долинных россыпей Северо-Востока.

Оттаивание мерзлых пород провели с 20 августа по 15 соп-тября гидроигловым способом. Дренирование вели через сквашину в условиях начавшегося промерзания (большая часть воды была откачана через сквсаину о 30 октября по 20 ноября). К концу декабря породи промерзли на глубину более ^.м. С-иемку осушенных пород производили бульдозером на базе трактора Т-ЮО в середине февраля 1975 г. В это время температура воздуха не поднималась вышо -40 °С. Промерзшие суаекцы разрабатывались так ге свободно, как талые грунты. Лишь 15-сантицетровый прослой, встречсн-пый на глубине 1,5 и, сохранял сплошность и разрабатывался с трудом. Влажность пород в прослое составляла 3,19-3,46 а во т.сей остальной толще колебалась от 1,11 до 3,59 %. Теки» обра-аоц, в ходе натурного эксперимента выяснено, что произгодитель-

пая рабста стосилынк бульдозеров зимой возможна при влажности промерзших пород меньше того ае самого значения W^p (около 3,5 %), которое ранее было получено в лабораторных прочностных испытаниях. Совершенно ясно, что более мощная землеройная техника в состоянии производить выемку грунтов льдистостьэ juise

Wko • Отношение предельной прочности пород, которые поддаются разрушению отвалами бульдозеров различных типов, из сооб-рааений подобия должно равняться ^n/^b у ГА® ~

относенле тяговых усилий, а Кс ~ отношение длин отвалов. Зная технические характеристики макш, монно установить, например (см. рис. I, а), что бульдозер Д-9Я способен эффективно разрабатывать мерзлые крупнообломочные грунты льдистостьа 4,5-5 %.

В промышленное освоение нового способа подготовки пород к круглогодовой разработке были вовлечены россыпные месторождения с довольно разнообразными мерзлотно-гидрогеологичеекиии условиями. В пределах искусственных супенцовых зон залегали крупнообломочные породы аллювиального и смешанного происхождения с заполнителем всех трех названных висе типов (песчаным, супесчаным и иногда супесчанс-суглшшетым). Кроме того, встречались линзы и прослои мелкого пнлеватого песка и легкой супеси, нередко обогащенные органическими остатками. С помощью дренирования к зимний вскрышным работам готовила не только предварительно оттаянные массивы, но и естественные обводненные талики. При льдистости WHp породы хорошо разрабатывались всеми видами землеройной техники дахе в сильные морозы. Зафиксированы случаи, когда моцные экскаваторы и бульдозеры успешно вели выемку мерзлых пород, содеряацих 100-105 кг/ц3 льда. Высокую производительность развили в ноябре-декабре бульдозеры Д-9Н и Д-572 при рыхлешш гравийно-галечншсовых отло-еэний с супесчаным заполнителем остаточной влажностью до 150 кг/и3.

Выполненные исследовании и обобщение практического опыта предприятий позволили полностью сформулировать основные методические принципы и практические приемы регулирования прочности промерзающих пород в массивах. Предложенный метод подготовки россыпных цесторокдоний к круглогодовой разработке, затаенный авторским свидетельством !,'? 655785, очень прост. Он состоит из

Т9

двух основных элементов: I) оттаивания мерзлых пород и 2)умень-шения их влажности (до начала промерзания) при помощи дренирования. Пригодными для его применения считаются крупнообломочные отложения с песчаный и супесчаным заполнителями. В диссертации приводится описание технологической схемы, изложены требования к оценке [.'врзлотно-геологических условий при проектировании. Благодаря простоте и доступности подготовка искусственных сушенцов была быстро внедрена на многих горнодобывающих предприятиях Северо-Всстока. С ее помощью удалось заменить часть опасных и дорогостоящих буровзрывных работ. За годы десяток пятилетки достигнут экономический эффект, исчисляемый миллионами рублей. Успех нового метода объясняется правильным использованием литологических особенностей и гидрофизических свойств крупнообломочного аллювия, который играет ведущую роль в разрезе большинства золотоносных россыпей. На ближайшие десять лет золотодобывающим предприятиям Сибири и Северо-Востока запланирован рост объемов подготовки искусственных сушенцов в 15 раз.

В третьей главо приводятся результаты исследований автора по общим вопросам проблемы распространения тепла в оттаивающих: грунтах, которые представляют интерес не только для ВТМ, но и ряда смежных областей науки и техники.

Одно из важнейших направлений современного мерзлотоведения - выявление количественных зависимостей между температурит! режимом горных пород к процессами тепломассообмена на их поверхности. Без этого немыслимы прогноз и регулирование температурного поля мерзлой зоны литосферы.

Предложен довольно простой метод расчетного определения температуры ( Тл ) поверхности оттаивающих пород, который основывается на данных сетевых метеонаблюдоний и достаточно полно учитывает физическую сущность и известные количественные закономерности "внешнего" теплообмена (Перлыптзйн, 1970). Все величины, входящие в классическое уравнение радиационно-теплового баланса земной поверхности, мокно разделить на региональные и микроклиматические. Региональные характеристики (суммарная коротковолновая радиация, длинноволновое излучение атмосферы, температура и вл^нооть воздуха) отличаются постоянством . .

па больших площадях, практически не зависят от температурного режима подстилающей поверхности и фиксируются на сетевых метеорологических и актинометрических станциях. К микроклиматическим характеристикам относятся тепловое излучение поверхности горных пород, конвективный теплообмен с воздухом, испарение и поток тепла в глубь оттаиваемого массива. В соответствии с известными физическими законами они могут быть точно или приблизительно выражены в виде функций Тп :

где Цс - суммарная коротковолновая радиация, Вт/ы2; Л - альбедо поверхности, доли ед.; Оа - длинноволновое излучение атмосферы, Вт/ы2; С? - относительная излучательная способность, доли ед.; 6Л - постоянная излучения, Вт/(н2-°Сч); &т - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(н2«°С); 0 - температура воздуха, °С; о(в - коэффициент влагообмена, Вт/(м2»Па); @вз и ~ соответственно упругоить водяных паров в воздухе на высоте 2 м и непосредственно у подстилающей поверхности,Па;

Л - коэффициент тэплопроводности талых пород, Ет/(м*°С); - удельная энергоемкость оттаивания, Вт»ч/н3; Ь - длительность оттаивания, ч.

Уравнение (I) в области положительных значений Тп имеет единственный действительный корень. Для его нахождения рекомендуется применить графический метод или, аппроксимируя степен-пой закон излучения линейной зависимостью, найти решение аналитически. Сравнение расчетных результатов о данными натурных наблюдений в различных районах обнаружило достаточно высокую точность описанного метода.55 Главное его достоинство состоит в правильном отражении взаимосвязи всех основных параметров внешнего теплообмена с составом и свойствами перед. Благодаря этому удейтся проследить зависимость значения Тп от продолжительности оттаивания, гранулометрии я льдисости отложений (рис. 3). Рост дисперсности и льдонасыщенности грунтов ведет к Нормированию болоо низких температур на поверхности талого слоя. С помозыо приведенной методики можно оценить скорость оттгиЕпмия грунтов, ледников и паледей, прогнозировать

* Нйэлрпспио от автора ппзлогичная методика разработана Б.Л.

Плпыищч (1971) для расчета скпристи послойного оттпивеирп.

Рис. 3. Зависимость средней температуры { Тп) поверхности пород в июле от длительности оттаивания для центральных районов Магаданской области (а) и побережья Северного Ледовитгго океана (б): I - гравийко-гелечниковые отлонения льдистостью 125 кг/м3; 2 - те не породы, льдистость 250 кг/м°; 3 - суглинок легкий оторфованный, льди-стссть 600 кг/м3

эффективность планируемых мероприятий поверхностной тепловой мелиорации. В частности, расчетами установлено, что зачерненне льда в мае повитает темп таяния в 2,5-3 раза, а в цюло всего на 25-30^. Зачеркенна поверхности пород в летний ¡грриод монет увеличить глубину их оттаивания на болоо чем на 3-5

При формировании температурного поля фильтрующих крупнооб-ломочпых пород (пан з технологических процессах ВТ.!, так и в природе) основным механизмом переноса тепла является вынужденная конвекция. В зависимости от проницаемости мерзлой зоны следует различать два возмознш: случзя конвективного теплообмена в оттаивающих массивах:

1) мерзлые породы непроницаемы для воды, фильтрация и коп-еоктпзнцй перенос тепла происходят только в талой зоне;

2) породы обладают достаточно больной проницаемостью в лв~ бои агрегатном состоянии, в связи с чем дЕИкенпе теплоносителя вызывает фазовые переходы во всем объеме без образования единой поверхности раздела талой и мзрзлой зон.

Автором предложено математическая модель второго случая теплообмена. Реальные блоки породы представлены з виде иара эквивалентного радиуса. В уравнение конвективного переноса тепла дополнительно включен отрицательный источник, модность которого равна обьемной плотности теплового потока от воды к элементарны:' езроггч блокам. Температура воды, з сгою очеродь, входит з) граничное условие к уравнению теплопроводности оттаивавших паров. Теплообмен второго типа мошш наблюдать при движении воды и техногенных образованиях (например, отвалах пород, разработанных и вылег.енных в мерзлом состоянии), а такне в нурунах, каменных осыпях, крупнообломочном слабольдистом аллювии и т.п. Анализ поставленной задачи показал, что вынужденная конвекция в проницаемом мерзлом массива характеризуется весьма высокой относительной теплоотдачей воды. Отсюда вытекает эффективный прием увеличения скорости гидравлического оттаивания - рыхление мерзлых пород, например, с помощью взрывов по сильно разрезанной сотке.

Ванную особенность конвективного теплообмена в дисперсных средах составляет эффект поперечного рассеяния тепла. Обтекая твердое частицы, падкость (гот) отклоняется от обдего направления потока л соверглот сгоого рода колебательные движения, в

результате чего возрастает коэффициент эффективной поперечной теплопроводности ( Лз ). Теоретические представления о связи Лэ со скоростью фильтрации {Уф ) основывались на весьма упроченной модели поперечного переноса тепла, в которой вне учета оставались молекулярная теплопроводность кидкости, теплообмен иегду встречными элементарными струйками в соседних поперечных каналах и особенности Словения зернистого материала (породы), олределящие микроструктуру фильтрационных потоков (В.Г. Бахуров и Г.К. Боресков, 1947; В.А. Бауи, 1953; В.Г.Гольдтман, 1959). Для ламинарного ранима фильтрации это Бело к значительному завышению значений Хз\\ переоценке влияния \/ф на его величину. С помощью о'олее строгай расчетной схемы, свободной от указанных ограничений, температурные доля поперечных элементарных каналов были описаны системой двух обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка (Капранов, Дерльштейн, 1973). На основе решения этой системы получена следующая зави-сиыос^ь: ^

лэ с/10 а л в — —р .,2. --—■'

= |/ = уф/2„ ; ХоМ , Лл ~

г

коэффициенты теплопроводности соответственно водонаомценной породы (при Ур=0), воды и твердых частиц, Вт/(1!'0С) ^ П -пористость, доли ед.; и 25 - длина и ширина элементарных поперечных каналов, ц; /? - среднеэквивалентное расстояние ме-сду ними, и; Св - теплоемкость воды, Вт*ч/(м3'°С). 1

•Для однороднозеркистого материала, состоящего из частиц диаыетроц С1 (м), в первом прибдикенш: ыоанс принять: •

/? ' С1(1-п) ; 8 - 0,5(1(1-П); в = 0,5пс(

При отработке методики экспериментального изучения поперечной теплопроводности рассмотрен теоретически и проверен опытным путем вопрос о реализации приняты:: расчетных схем в лабораторных установках. Выяснено, что для повышения точности и надеяиости определений расчет Лдследует вести по суммарной теплоотдаче фильтрационного потока, а не по температурам в его отдельных точках. Результаты вычислений по приведенным формулам хорош согласуются с экспериментальными данны-

:::; (рис. 4-, a).

Для дзухкоинопептних смесей, в которнх крупная Фракция обрззуег достаточно плотни;! свслот, пр вычислении сле-

дует з Сзп'улу (2) гчзссо Лр подсгзглязь лозт.:пцпснт теплопроводности молчозогнистого заполнителя ( Л^ )» a гооистрячо-окне параметр;.: Н ,, 6 и S внрсгсать через пористость {Пс)' л диаметр частиц ( С/с ) сколота, Пнтопслллттт, псгеге-шого пз~ рзллса тепла л больгоЛ етепопн зависит от соп~;то::з;ля ::acoi с;;илета л зополпятеля. НалбсльппЛ рост зф^ктпзиой Еоплопровод-носги всбяздазтоя в олглгальтгх сгссгпс аз 70 -î сколота и 50 J» заполнителя = /Î ) ; если :сс содер::пш:э скелетгшх чао-

Iлц не псзп'лает 30-40 ;"*;, то Яз блисок я Л0 (ряс. б).

Для расчетной оценки резяышх крупяооблокочннх па-

род по дптш.ч граяулогсетрячоского анализа пугно нзйтя средне^ ззвозекшп! датюгр ( С/с ) п относительное спдэр~Р!пе ( тс ) сколота. Затем рзосчитцвавгоя возкомшо значения Л { V(p ) i для оптимальной окоси и з ка~доо из шп: гпосисоя ппнрзвочпил коз:;.'лцлонт 8 о prie. 'ц б:

лэ "Лз + s (л -л3)

Сягз27,;."'120огь ;:злс:.:о;:поЛ иотодякп убедптальпо лодтлорлд'1:;" результат зксперхшсптальпого опредолпннг Я5 аллвзпалгллк зтлозениа (рис. з). Виполнепнрв исследования свидетельствует, что з песке п пелкс: гравии «Àg практически не отличается от . В отлоаонилх русловой фации еллсвля, где средний диачэтр скелета измеряется сэнтпметряга, а спорость <Т;т,трзции иногда достигает нескольких петров в чао, поперечная эффективная теплопроводность попет возрастать в несколько раз. Заветный рост Лз следует ожидать в оттсизаюцпх торфлно-суглшше-тшс отлозенпях о ячеистой посткриогенной текстурой.

В главе такие рассмотрены некоторые вопроси электрооттвн-занпя круппооблоиочншс грунтов, Енводенч прнблнлешше Формули для расчета злектрпчеокого потенциала и интенсивности тепловыделения в осестшетрнчном электрическом поло. Нз основе зыпол-

Л _

Пористость сколота в длухкоипопентной снеси равна: Пс= /77^ + ' + ПГПс i где /T?7,/7?ç - относительные содержания заполнителя и 'скелета, /7' - орцпя пористость снеси.

Л3,Вт/(м'с)

1Х3,Вт/(м'с)

8

20 40 60 80 тс°/в

* / /о

/

0 /

У *

У» и -"■""о

/ в Цр.м/ч,

Рнс. Результаты исследований поперечного рассеяния тепла в фильтрационных потока:::

а - теоретическая и экспериментальная зависимость коэффициента эффективной поперечной теплопроводности ( от скорости фильтрации ( ) для зернистого материала из частиц диаметром: I - 2,5 мм; 2-4 мм; 3 - б мм; 4'- 12,5 км; 5-30 мм; б - коэффициент влияния ( 6= ) относительного содержания скелетных частиц

( ГПС ) на поперечную теплопроводность двухконпонентных смесей;

в - поперечная теплопроводность аллювиальных отложений р. Берелех

пенного теоретического анализа намечены пути снижения непроизводительных энергозатрат при электрооттаивании.

Четвертая глава посвящена развитии научно-методических основ БТИ и созерпенстзованию практических методов,наиболее перспективных для широкого промышленного внедрения. Самым большим распространением из них пользуется послойное оттаивание, Частая срезка теплоизолирующего талого слоя, резко изменяя структуру внешнего теплообмена, способствует значительному росту скорости оттаивания, но макет отрицательно сказаться на производительности землеройной техники. 3 сзязи с этим для четырех наиболее распространенных н=> Северо-Востоке разновидностей пород составлен прогноз скорости оттаивания в зависимости от частоты срезки талого слоя. При проведении тсплофизи-ческнх расчетов использована методика определения Тп , описанная в третьей главе. Региональные характеристик:! внесшего теплообмена назначались по данным актиномзтрических и метеорологических станций,расположенных во внутрикентипелталышх районах и на побереяьо Северного Ледовитого океана. Зная состав и свойства грунтов но различных полигонах одного прииска, можно использовать составленные прогнозные графики для выбора оптимального рзякма вскрыглшх работ.

Цитологические особенности пород определяют не только скорость, но и пределы регулирования цикличности послойного оттаивания. Очевидно, что минимальная продолгиталчнпсть накопления талого слоя долина быть достаточной для полного вытаи-вания наиболее крупных включений, содержащихся в грунте в количестве не меньше 10-15 По этой причине послойное оттаивание недостаточно эффективно при подготовке крупноглкбовкх золльвиольшк и .ледниковых отлляоний, а гак/е кекс-торы:: техногенных о б pa п о в пни й.

голч десятой iThth-'hizkh ряд горкслобиа^чил npj.uipHri-тий Северо-Востока начал быстрым:! темпа.;:! рэрвавзта фальтра-циояно-дрензяное оттазвзние (ФЛО) мерзлых пород. Этому способствовали его простота и экономичное», а тзкео апрояое распространение з гэг,юно хорошо фильтрующих ГЕТВиЛно-галечнико--ч« отлотеии.Ч. Липли:, реальных условий конвективного теплообмене " чскусстнэнно пчттемнх фильтрационных потоках позволил

автору упростить методику расчета ФДО. Глубина оттаивания

где - мощность талого слоя на момент начала фильтрации,

и; Т0 - температура вода е оросителе, °С; Ь - время действия фильтрационных потоков, ч; Хф - коэффициент фильтрации пород в талом состояния, и/ч; в - расстояние ь'ажду ¿реной и оросителем, м; 3 - глубина дренирования, и; остальные обозначении - прежние.

До недавнего времени считалось, что глубина дренирования должна быть но меныпз 2/3 окончательной мощности талого слоя. Однако уменьшение 2 мокно с успехом компенсировать сближением дренажных и оросительных выработок. Из формулы (3) сле-

следчие рекомендации по технологии ФДО, составленные с учетом вновь выявленных закономарностзй, отдают предпочтение система (¡«глубоких, но частых дренажных капав. Наряду с большей глубиной оттаивания такая оистема обеспечивает некоторое сокращение ооъецов земляных работ, значительно улучшает условия проходки канан бульдозерами и расширяет возможности самотеч-ього сброса воды. Повышенно скорости оттаивания происходит за счет роста общего расхода фильтращюшшх потоков. На практике иногда приходится использовать источники питания, дебит которых меньше пропускной способности проектируемой ороситель-но-дренажной сети. Методика расчета скорости ФДО, разработанная для условий ограниченного пнтания, также изложена в диссертации.

Среди гидравлических способов ВТМ наиболее давно известно докдовалыюе оттаивание (ДО). Для него характерен активный теплообмен воды не только с горними породами, но и с приземными слоями воздуха. Влияние лучистого теплообмена на температуру летящих капель пренебрежимо мало. В связи с этим условие нагревания капли в полете моено представить в виде

(3)

воздуха, °С; Тк и д - соответственно температура водяной капли ч воздуха, °С; б(Тк)~ упругооть насиненного пара при температуре , Па; &вз~ упругость водяных паров в

воздухе, Па; СКВ/Ъ(~= 153 °С/Лэ.

Для внутриконтипентальных районов Сезоро-Востока значения Т* в точение лето изменяются в диапазоне 6-11 °С. На к.Шмидта в июле Т равняется 3,1 Если температура источника всдоснабяония много нияе Т* , то подачу води целесообразно вести мелкими брызгами, по возможности уволичивая скорость и длительность полота капель. За время просачивания води до глубины 10-15 см ее температура становится приблизительно равной температуре ( Тп ) поверхностного слоя. Ее значение, зависящее от интенсивности дождевания, температури падающих капель Тк и климатических условий, предложено рассчитывать па уравнению теплового баланса поверхности орошаемых пород. Расчеты и наблюдения показывают, что Тл обычно бывает существенно выпэ Тк •

При проведении'ДО могут встретиться обо вышеупомянутых случая конвективного теплообмена в оттаивающих породах (водонепроницаемых и проницаемых в мерзлом состоянии)» Приближенные методы расчета скоростей оттаивания (Балобасв, 1965; Пер-лыатойн, 1968; Фельдман, 1969) относятся к первому случаю и предназначали в основном для анализа влияния отдельных факторов на динамику процесса. С их помощью випснпно, что чрезмерное увеличение расхода воды ведет к замедлению оттаивания. Порядой оптимальных норм полива установлен з ходе промышленных опытов ДО.

Гидроигловоа оттаивание (1150) - один из самых распростра неннис способов ВТН. В диссертации критически рассмотрены известные расчетные методики определения времени выстойки гид-роигл (Гольдтнан и другие, 1970). Приводятся результаты экспериментального изучений теплоотдачи воды при действии одной и ьпоаества нагнетательных игл. Обоснована необходимость усиленного развития численных алгоритмов расчета ГЛО, поскольку в существующих моделях не учитывается ряд особенностей конвективного топлообиюна, обусловленных пространственной изменчивостью Фильтрационных свойств пород. Между тем развивающиеся в ходе ШО суффозия и тепловые осадки ведут к росту водо-

проницаемости пород в приосевой и периферийной частях талика. Анализ теплового эффекта, сопровождающего эти процессы, позволил автору с группой сотрудников предложить способ повышения скорости оттаивания путем периодического вибрационного уплотнения талой зоны (авт.свид. К» 331156). На ближайшие годы намечен резкий рост объемов ШО, в связи с чем дальнейшее совершенствование теории и технологии приобретает особую актуаль-ьисть.

В настоящее время известно большое число технологических схем и приемов водно-тепловой подготовки пород к разработке. Это побудило ряд исследователей классифицировать способы управления тепловым режимом мерзлых грунтов (Б.П.Бакакип,195С; В.Ц. Старков, 1558; В.Г. Гольдтыан, .1964; В.я. Кудрявцев и Э-д!Ершов, 1969; С-.М. Шорохов, 1973). В диссертации все методы В'1М по характеру воздействия на_ горные породы разделены на два направления: I) полное или частичное уничтожение льдоце-нентных связей; 2) предотвращение или ослабление смерзаеыости составных компонентов талой породы. К первому направлению относятся все способы оттаивания. Автором предпринята -попытка свести их в таблицу, построенную) по энергетическому принципу. Горизонтальные полосы и ряды отвечают виду источника энергии и ведущему механизму распространения тепла, а вертикальные столбцы - характеру приемов, обеспечивающих полноту использования энергии. Таблица дополняется схемой вцделения основных типов пород, свойства которых предопределяют эффективность различных механизмов распространения тепла. Сравнительно немногочисленные методы 2-гс направления ВТМ объединены в три группы: тепловая защита промерзающих пород, физико-химические иетоды уменьшения смерзаеыости поровой влаги с минеральным скелетом, снижение прочности промерзающих парод за счет сокращения их влажности (подготовка искусственных сушенцов).

В системе практических мероприятий по проведении ВШ важнейшее звено составляет оценка мзрзлотно-гаологических условий участка работ. Опыт мерзлотной съемки и разведки россыпей показывает, что требования к составу, полноте и детальности исследований могут быть различными б зависимости от таких факторов,'как возможные способы ведения вскрышных и до-Ончных работ, природные условия региона и т.д. В диссерта-

ции высказан ряд предложений по вопросам методики мерзлотных исследований и оформления их результатов на стадии разведки и эксплуатации россыпных месторождений.

В пятой главе выполнен анализ мерзлотно-геологических условий россыпных месторождений Северо-Востока СССР и на этой основе разработаны рекомендации по применению методов ВИ.

Северо-Восток СССР характеризуется сложным, преимущественно горным рельефом. Крупнейшими орографическими единицами территории являются Яно-Чукотская горная страна, ВосточноСибирская и Анадырско-Пенлинская низменности. Большую часть площади, включая основные районы разработки россыпей, занимает Яно-Чукотская горная страна.

В тектоническом отношении регион принадлежи северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса и разделяется на пять нрупных геоструктурных элементов: 1)Колымско-Омолонский массив; 2) Охотский массив; 3) Яно-Колымская и Чукотская складчатые области; А) Охотсная складчатая область; 5) Охото-ко-Чунотский вулканогенный пояс. В их строении участвуют разновозрастные (от докембрийских до современных) породы. Более 80 % всей территории апиыают мезокайнозойские образования. Среди отлонений мезозоя преобладают песчаники, алевролиты, аргиллиты, глинистые и песчано-глпннстые сланцы. Главные проявления кезокайнозойского вулканизма связаны с Охотской складчатой областью (юрские эффузивно-туфовые образования и анда-8ито-базальтовые толщи неогенового возраста) и Охотско-Чукот-ским вулканогенным поясом (нел-неогеновые липариты, дациты, андезиты, базальты и их туфы). В пределах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса, Яно-Колыиской и Чукотской складчатых областей широко развиты интрузии гранитов и гранитоидов, формировавшиеся с докембрия до кайнозоя.

Слояноо пространственное взаимоотношение и широкое распространение по площади пород различного состава п генезиса привели к тому, что под действием эрозионно-вккумулятивных процессов в различных частях региона образовались рыхлые от-лоаения со сравнительно близким петрографическим составом обломков. В плейстоценовых разрезах Яяо-ЧукогскоЙ горной страны преобладают аллювиальные, ледниковые и озерно-ледниковые по-

роди. На Анадырско-Пешашской низменности к ним добавляется морские отлонаиин. В пределах Восточно-Сибирской низменности плейстоценом датируются мелкодисперсные осадки известной едо-мной (по Ю.А. Лаврушину) серии, содержащей мощные залети клиновидно -«"ильных льдов»

Голоцоновые тслди Северо-Востока представлены породами аллювиального, дешовиально-сслифлгакционного, продавиального, озерно-аласного, иллювиального п морского пропсхоздеиш. Разведанные промышленные россыпи связаны преимуцественно'с аллювиальными, делювиально-солифлюкциошшми к гролввиалъными отложениями. В составе аллюзия Яно-Чукотской горной страны преобладает гравийно-галечкиковый материал с песчаным заполнителем. Сверху он обычно перекрыт мелкоземом с линзами торфа и растительными остатками. В шшних частях разреза наблюдается рост содержания пьшевато-глинистух частиц и постепенный переход к элювию коренное пород. По всей территории Северо-Востока ¿проке распространены делывиально-соллфлюкцюшшз льдонасыщешше щебенистые супеси и суглинки. Над плоскими днищами долин в места впадения боковых распадков повсеместно возвыаавтея конусы выноса, отлогения которых но сравнению с аллювием основного водотока хузе окатаны и содержат больше пылеьато-глинпстых частиц.

Основные черты гидрологического режима рек и ручьев обусловлены суровым климатом и повсеместным распространением мниголешемерзлых пород. В зимний период поверхностный сток не превышает 5 % от общегодового и сохраняется лишь па наиболее крупных реках и водотоках с особыми гидрогеологическими условиями. От шести до восьми месяцев в году реки покрыты льдом. Вскрытие происходит в течение мая. Общий тепловой потенциал малых и средних водотоков обычно составляет 15-20 тысяч градусс-часов.

Климат Северо-Востока СССР чрезвычайно суров. Районы с развитой горнодобывающей промышленностью характеризуются среднегодовой температурой воздуха минус II—15 °С. В глубине материка морозы каждую зиму подолгу дерзатся на уровне -50 0 н ниже. Лью короткое, каркое. Положительные среднесуточные температуры воздуха удерживаются 130-140 дней. Устойчивый слезный покров образуется в конце сентября - начале октября

и-сохраняется до середины ¡гая. Его максимальная мощность обычно колеблется от 30 до 50 см. На побзренья Север'нсго Ледовитого океана зима длится более 8 месяцев, морозы слабее, чем в глубине материка, но сопровождаются сильный! гетрами. Еысота снежного покрова достигает 'Ю-80 см, плотность его под действием ветров повышается з 1,5-2 раза. Период с положительными среднесуточными температурах.! воздуха длится от 95 до tío дней. Лето короткое, холодное и пасмурное. Средняя температура июля на м. ймидта составляет всего 3,0 ь.

Суммарное влияние климатических факторов на эффективность радиационного и гидравлического оттаизания ь диссертации оце-ниваотся по треп параметрам: плотности теплового потока к обнаженной поверхности мерзлого грунта, температуре мокрого термометра и температуре смачиваемой поверхности пород. Расчета свидетельствуют, что территория Северо-Востоке, особенно во внутрикоптинентзльных частях, обладает знатительными ресурсами естественного тепла, которые могут быть июпользпванк в целях BU!. • *

По особенностям мерзлотных условий территория CebGpo-Bo-стока подразделяется на пять крупных районов (;Салабин,1900). В третьем - пятом райопах, с которыми сзязана разработка россыпей и основные объемы ЗТМ, распространение многолетнемерз-лых пород сплошное со сквозными таликами только под озерами и руслами крупных рея. По оценкам И.А.Некрасова (1976) наиболее пизкую среднегодовую температуру пород (-16°) и максимальную мощность лриояитозонн (900 и) следует онидать л водораздельной части хр. Tynpa-Сис. При переходе к отрицательным формам рельефа и по мере общего уменьшения высоты местности мерзлотные условия становятся менее суровыми. В речных долинах преобладают мерзлые толщи мощностью 100-300 ы при гемпэ-ратуре минус 3-6°, часто встречаются нэпроиерзавдие надкерз-лотяые талики.

Главными из природнис факторов, определяющих характер сезонного оттаивания пород Северо-Востока, наряду с климатическими условиями являются состав и льдистость стложений, особенности движения грунтовых вод и тип растительного покрова. В зависимости от их сочетания глубина оттаивания изменяется от 0,2 до А н. Естественные и йзкугстгенныэ тзлики обнч-

uo промерзав! на 2,5-4 и, но иногда на 5 ы и больше. Глубина промерзания открытых водоемов с естественным снежный покровом составляет 1,4-2 и.

Температурный рааим и строение мерзлых толщ тесно взаимосвязаны с даркуляцией подземных вод. Наибольшей водообиль-ностью отличаются комплексы четвертичных отлонений. К шш приурочены широко распространенные надмерзлотные пойменные воды поверхностного и смешанного питания, а такие межмерзлотные пластовые и подмерзлотные воды речных долин (3,4,9-й и 10-й подтипы классификации А.И. Калабина).

На описываемой территории встречаются практически все известные мерзлотные физико-геологические явления и процессы. Особенно широко распространены наледи, подземные льды, термокарст, солифлюнция и др.

Целесообразность применения того или иного метода ВТМ в различной степени зависит от множества природных факторов. Для районов сплошного распространения преимущественно низкотемпературных мерзлых толщ наиболее важными из них обычно являются литологические особенности и условия залегания пород. В диссертации подробно охарактеризованы свойства основных ли-толого-генетических комплексов отложений, слагающих разведанные росснпи Северо-Востока. Наибольшим распространением пользуются гравийно-галечниковые отложения русловой фации аллювия. В мерзлом состоянии они чаще всего имеют массивно-поровую или базальную криогенную текстуру, содержание льда 200-300 нг/м3. При оттаивании коэффициент фильтрации в зависимости от состава заполнителя меняется в широких пределах: 0,02-0,1 и/ч (су-песчано-суглинистый заполнитель); 0,5-2 и/ч (легкая супесь); от 4-5 до десятков и/ч (песок). Пролювиальные отложения по свойствам близки к русловому аллювию с супесчаным заполнителем. Высокой льдистостью и незначительной водопроницаемостью обладают щебенистые супесчано-суглинистые грунты делювиально-солифлюдаонного происхождения, мелкодисперсные отложения старичной и пойменной фаций аллювия, а также лесовидные алевриты озерно-аллювиальных равнин. Повсеместно распространенный подземный алввий (щебень местных пород с супесчано-суглинис-тш заполнителем) имеет небольшую мощность (0,2-1 м).

С позиций BIM на'росоыпных месторождениях Северо-Восто-

ка можно выделить двенадцать типов мерзлых грунтовых толщ.

К первому типу относятся крупнооблоночпые отложения современных инстративных пойм, общей мощностью 2-3,5 м. Основной способ их подготовки к выемке в летний период - радиационное оттаивание. Для проведения зимних вснрышных работ рекомендуется создавлть искусственные сушенцы.

Второй-пятый типы представлены русловым аллювием нормальной мощности (4-8 и) и пролювием. Между собой они различаются составом заполнителя и количественным содержанием крупных валунов и глыб. Все эти отлокения пригодны для подготовки искусственных сушенцов. Оттаивание следует производить.фильтраци-онно-дренаяным и (в случае супесчаного заполнителя) гидроиг-ловым способом.

К шестому, седьмому и восьмому типам отнесены гравийно-галочниковые отлокения повышенной мощности (обычно 10-20 м) соответственно с песчаным, супесчаным и супесчано-суглинистым заполнителями. Для их оттаивания лучше всего применять гидро-игловой, иногда - дождевальный и взрыво-гидравлический способы.

Мерзлые толщи, в которых русловой аллювий перекрыт чехлом мелкодисперсного льдонасыщенного материала (алевриты ледового комплекса, делювиально-солифлюкцпонныо отлокешш, ста-ричннй и пойменный аллювий) мощностью но менее 3-4 м, выделены в девятый-одиннадцатый типы. При подготовке их к разработке обычно приходится использовать комбинированные методы ВТМ. Если необходимо в снятые сроки оттаять рыхлые отложения па всю мощность, то следует применять взрыво-гидравлический способ.

В двенадцатый тип объединены техногенные образования. Чаще всего для их подготовки применяют дождевальное оттаивание.

В заключении подведены итоги выполненной работы. Наиболее ваишо из достигнутых научных и практических результатов кратко сформулиронаны в начале автореферата при описании научно!! новизны, значения и реализации основных положений диссертации (см. с. 4-5).

Главным направлением исследований по рассматриваемой проблеме в блина Кино годы будет оставаться углубленное изучо-

низ динамики свойств горних пород под влиянием процессов тепломассообмена. Вместе с детальным учетом региональных мерзло-тно-геологическпх особенностей объектов ВТ!.! это послужит надежной основой для изыскания новых и совершенствования известит; способов содно-тепловой подготовки мерзлых пород к разработке. К числу важнейших практических задач следует отнести быстрое освоение народным хозяйством новейших достивений нау-ш и техники г. области ВШ. Для ее решения необходимо укрепить мерзлотную слукбу предприятий и увеличить выпуск специалистов-мерзлотоведов в вузах страны.

Список основных работ по тема диссертации

1. Характер влияния надмзрзлотних вод на температурный рзглш и мощность слоя сезонного оттаивания. - Мерзлотные исследования, М., I96G,-вин. У, с. 26-42 (соавторы Л.Н.Максимова и H.H. Романовский)о

2. Мерзлотная съемка дранных полигонов. - В кн.: Материалы УН Всесоюз.иеэдувед.совец. по геокриологии (мерзлотоведению). Вин. 2, Якуток, 1966, с. 83-96 (соавторы А.В.Гаврллов, II.®. Полтев и др.).

3. Определение среднегодовой температуры и коэффициента температуропроводности грубообломочных миоголетнемерзлых от-лопенай в процессе мерзлотной съемки. - Мерзлотные исследования, М., 1967, вып. УП, с. 38-43.

4. Методика приблиненной оценки скорости движения воды и хода оттаивания песчаных и крупнообломочных пород при докде-вашш с малой интенсивностью. - Колыма, IS68, к I, с. 15-18.

5. О влиянии инфильтрации воды на скорость оттаивания

песчаных и крупнообломочных отлокений. - Мерзлотные исследования, М., 1970, вип. УШ, с. 43-49.

6. О методике прогноза глубин протаивания грунта. - В кн.: Всесоюз.совещ. по мерзлотоведению. Тез.докл., М., 1970, с. 293-294.

7. К расчетному определению температуры поверхности горных пород. - Колыма, 1971, fö 4, с. 15-18 (соавтор П.Ф.Стафе-ев).

8. Из опыта игловой гидрооттайки на открытой разработке россыпей. - Колыма. 1971, № 6, с. 4-6 (соавторы В.Е.Капранов, В.С.Кузнецов и др.).

9. К математической постановке задачи об оттаивании грунта с учетом инфильтрации. - Мерзлотные исследования, М., 1971, вып. XI, с. 3-13 (соавтор В.Г. Мелаиед).

10. A.c. 33II56 (СССР). Способ оттаивания мерзлых грунтов. - Опубл. в Б.И., 1972,й 9 (соавторы В.Е. Капранов, B.C. Кузнецов и А.Ф.Курильчик).

11. Некоторые результаты исследований переноса тепла в водонасыщенных породах при вынужденной конвекции. - Труды ВНИИ-1, Нагадан, 1972, т. XXXII, с. 187-205 (соавтор В.Б.Копрэ-нов).

12. исследование поперечного рассеяния тепла в водонасы-щенных фильтрующих грунтах. - П Мездунар.конф. по мерзлотоведению. Докл. и сообщения, Якутск, 1973, вып. I, с. 64-68 (соавтор В.Е Капранов).

13. К объяснению механизма поперечного переноса тепла в фильтрующих грунтах. - Труды ВН1Ш-1 йагадан, 1975, т. ХХХУ, с. 26-31 (соавтор В.Е. Капранов).

14. Влияние вязкости жидкости на теплоотдачу плоского фильтрационного потока. - Труди ВНИЛ-1, Магадан, 1975, т.ХХХУ, с. 88-94 (соавторы Э.Я.Черных, В.В.Знаменский и др.).

15. Натурный эксперимент по созданию искусственных сушэн-цов для зимней разработки. - Колыма, 1976, й 5, с. 10-13 (соавторы В.В.Знаменский, А.Ф. Курильчнк и др.).

16. Изучение прочности мерзлых пород при быстром сдвиге.-Колыма, 1976, № 9, с. 8-10 (соавтор А.Ф.Курильчин).

17. К расчету гидравлического оттаивания массивов мерзлых водопроницаемых пород. - Разработка вечномерзлых рудных и россыпных месторождений полезных ископаемых, Магадан, 1977, вып. 37, с. 3-6 (соавторы А.И.Зинченко и Г.П. Коршунов).

18.Приближенный расчет интенсивности тепловых источников при электрическом оттаивании мерзлых пород. - Разработка вечяомерзлых рудных и россыпных месторождений полезных ископаемых, Магадан, 1977, вып. 37, с. 82-87(соавтор Л.П. Савонко).

19. Техника и технология подготовки многолетнемерзлых пород к выемке. - М., Недра, 1970, 280 с, (соавторы В. 11.Емельянов, А.Ф. Назарчип и др.).

20. Водно-тепловая подготовка мерзлых пород Северо-Востока СССР к открытой и подземной разработке. - В кн.: Труды Ы Неадунар. конф. по мерзлотоведению (10-13 июля 1978 г., Эд-моптон, Альберта, Канада), т. I, Оттава, 1978, с. 929-933 (соавтор В.II. Емельянов).

21. Методика оценки поперечной теплопроводности крупнообломочных пород. - В кн.: Геотеплофизические исследования в Сибири. Новосибирск, Наука, 1978, с. 82-89 (соавтор В.Е.Капранов).

22. А.С. 655785 (СССР). Способ подготовки мерзлых пород к разработке. - Опубл. в £.11., 1979, № 13 (соавторы А.Ф. Ку-ряльчик, В.Е. Капранов и В.И. Емельянов).

23. Водно-тепловая меляор&ция мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. Новосибирск, Наука, 1979, 304 са ,

24. Временные инструктивные положения по фяльтрациопно-дренажному оттаиванию и подготовки искусственных сушеипов. нагадан, 1979, 52 с.

25. О применимости принципа смены стационарных состояний в расчета оттаивания мерзлнх пород. - Разработка вечпомерэлых

россыпных и рудных месторождений полезных ископаемых, Магадан, 1979, вып. 40, с. 34-40 (соавторы Э.Я.Черных, А.А.Буйских и А.А.Игнатов).

Ах 00289. Подписано к печати 20/УШ-1931 г. Формат 60x84 I/I6. Усл. печ. л.2. Бумага писчая белая.-Заказ 390. Тпраж 150 экз.

Печать отдела механизации проектных работ и выпуска проектов института "Дадьстройпроект", Магадан, уд.Парковая,13