CC BY
14
© В.И. Слепцов, A.C. Курилко, Б.Н. Заровняев, 2012
УЛК 51:536.24:622.012.3
В.И. Слепцов, A.C. Курилко, Б.Н. Заровняев
ОЦЕНКА ГЛУБИНЫ ОТТАИВАНИЯ БОРТА КАРЬЕРА «БОТУОБИНСКИЙ» ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ *
Проведено исследование влияния теплоизоляционного покрытия и его альбедо на глубину оттаивания борта карьера «Ботуобинский» для разных углов откоса и ориентации борта карьера.
Ключевые слова: температурное поле, многолетнемерзлые породы, фазовый переход, солнечная радиация, теплообмен.
Деформации уступов на карьерах при разработке алмазных месторождений в Якутии вызываются главным образом криогенными процессами [1] и связаны с формированием сезонно-талого слоя в теплый период. Наиболее распространенный вид деформаций, характерный для всех вмещающих и перекрывающих пород - образование осыпей и сра-ботка верхних бровок уступов. Осыпи образуются вследствие уменьшения прочностных свойств мерзлых пород при оттаивании льда, играющего роль цементирующего состава, в трещинах и порах. Важную роль при формировании осыпей играют физическое выветривание на поверхности откосов за счет многократного знакопеременного перепада температур (суточный -10...+10°С, годичный +40...-50°С). В среднем осыпание верхних бровок уступов, сложенных известняками и доломитами, составляет 5-10 см в год, в слабых породах эта величина может быть на порядок больше. Основное количество осыпей приходит-
ся на верхние горизонты южной экспозиции [2].
Для оценки устойчивости бортов карьера, разрабатываемого в вечно-мерзлых породах необходимо знать распределение температур в уступе в любой момент времени ввиду сильной зависимости механических и прочностных свойств многолетнемерзлых горных пород от температуры.
Для определения динамики температуры массива многолетнемерзлых горных пород вследствие теплообмена с атмосферой необходимо знать поток тепла в этот массив. Одним из важных факторов, влияющих на тепловой поток, является солнечная радиация [3, 4].
Уравнение теплообмена на поверхности склона можно принять в следующем виде [5, 6]
ЦТ)^ = а(Та, (I) - Т) + дп
+0С Ш(1 - А($), (1)
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках комплексного проекта № 2010-21801-001 по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.
Таблица 1
Значения средней температуры воздуха (Та1Г, С0), средняя дневная сумма солнечной радиации (Qs ,кВт*ч/м2) и альбедо оголенной площадки (А, доли ед.) [7, 8]
Показатель Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
т 1 в -31,40 -27,30 -20,65 -10,83 0,26 11,62 16,25 12,02 2,47 -10,34 -23,75 -29,55
0,14 0,84 2,38 4,28 5,34 5,81 5,68 4,03 2,36 1,08 0,27 0,04
А 0,84 0,74 0,75 0,71 0,34 0,18 0,19 0,21 0,16 0,72 0,77 0,78
Таблица 2
Длина светового дня и средняя скорость ветра [8]
Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Долгота дня, ч 5,20 8,57 11,70 15,10 18,65 22,10 20,05 16,50 13,10 9,80 6,42 3,90
Скорость ветра, м/с 3,28 3,21 3,22 3,20 2,90 3,02 2,98 3,05 2,98 3,02 3,13 3,28
Таблица 3
Коэффициент К± для пересчета средних суточных сумм прямой радиации с горизонтальной поверхности на вертикальные для широты 64-650 [9]
Ориентация Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Южная 0 5,45 2,4 1,22 0,73 0,58 0,64 0,97 1,76 3,7 0 0
Восточная 0 0,84 0,84 0,7 0,63 0,59 0,58 0,63 0,78 0,94 0 0
Западная 0 1,17 0,84 0,67 0,59 0,58 0,58 0,65 0,75 0,9 0 0
Северная 0,03 0,15 0,25 0,2 0,08 0 0 0 0 0 0 0
Таблица 4
Доля прямой радиации в суммарной для горизонтальной поверхности [7]
Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
0,22 0,43 0,57 0,57 0,530 0,61 0,57 0,58 0,53 0,33 0,31 0,0
Таблица 6
Коэффициент поглощения солнечной радиации строительным материалом [9]
№ Материал наружной поверхности ограж- Коэффициент по- Альбедо
дающей конструкции глощения солнечной поверхности
радиации р А=1-р
1 Бетоны 0,7 0,3
2 Окраска известковая белая 0,3 0,7
Таблица 7
Максимальные ореолы оттаивания в зависимости от угла откоса, экспозиции откоса и наличия теплоизоляции
Толщина теплоизоляции, м
0,0 0,05 0,1
- Не окрашено Окрашено Не окрашено Окрашено
Горизонтальная поверхность 2,21 1,18 0,98 0,63 0,43
Угол откоса, град
Южная экспозиция
30 2,37 1,23 1,08 0,74 0,49
45 2,36 1,21 0,97 0,72 0,48
60 2,33 1,20 0,93 0,70 0,47
75 2,24 1,15 0,90 0,68 0,45
Северная экспозиция
30 1,49 0,81 0,74 0,43 0,38
45 1,44 0,79 0,73 0,42 0,37
60 1,37 0,74 0,71 0,41 0,36
75 1,30 0,70 0,69 0,39 0,35
Западная и восточная экспозиция
30 2,03 1,12 0,85 0,51 0,41
45 2,00 1,10 0,84 0,50 0,40
60 1,95 1,06 0,83 0,49 0,39
75 1,87 1,01 0,72 0,48 0,37
где <С М = ((соф) + К (¿) вт(Р) -
Го \\
- соб
в
V 2 У,
цш + соб2
\2/
+Аи Ып2
V 2
Ос V),
(2)
где 2 - угол наклона склона, К± (/■) -
коэффициент для пересчета средних суточных сумм прямой радиации с горизонтальной поверхности на вертикальные, - есть доля прямой радиации в суммарной для горизонтальной поверхности, (/■) - поток суммарной суточной солнечной радиации на горизонтальную поверхность.
Изменение солнечной радиации в течение суток в вышеприведенной
формуле, в первом приближении, можно учесть с помощью кусочно-постоянной функции и считать, что вне светового дня солнечной радиации нет. Тогда поток суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в уравнении (2) принимает следующий вид
о V)
О, ) = 24
¡о С) '
где 0СП (/■) - нормализованный поток
солнечной радиации на горизонтальную поверхность, - длина светового дня, час.
Целью расчетов являлось установление закономерностей изменения глубины оттаивания пород уступов карьера «Ботуобинский» при применении теплоизоляционного покрытия для
различных углов и ориентации откоса. Для расчетов использовалась математическая модель на основе задачи типа Стефана, которая быта реализована конечно-разностным методом сквозного счета [6].
Для расчетов ореолов оттаивания борта карьера были приняты исходные данные, представленные в табл. 1—4.
При расчетах принимались следующие теплофизические данные для пород:
• теплопроводность мерзлых и талых пород 2,34 Вт/(м 0С), 2,17 Вт/(м 0С); объемная теплоемкость мерзлых и талых пород 510 (Вт час)/(м3 0С), 560 (Вт час)/(м3 0С); скрытая теплота фазового перехода горных пород Р=Ьрш, где L=90 (Вт час)/кг, плотность горных пород р=2200 кг/м3, влажность горных пород ^=0,03; естественная температура горных пород -3 0С; температура фазового перехода горных пород 0 0С.
а — коэффициент теплоотдачи горных пород и теплоизоляции, Вт/(м2°С), рассчитывался по формуле [9]
а = 1,16(5 + Юл/у),
где скорость ветра V определялась по табл.2.
Толщина теплоизоляционного по-крыгтия принималась {0,0; 0,05; 0,1} м;
В качестве материала теплоизоляции был выбран пенобетон плотностью 800 кг/м, теплопроводностью 0,21 Вт/(м 0С), теплоемкостью 840 Дж/(кг 0С) [9].
Рассматривалась возможность окраски теплоизоляции в белый цвет.
Альбедо теплоизоляции было принято 0,3, а для окрашенной (белой) поверхности 0,7 (табл.6)
Рассматривались три экспозиции склона: северная, южная и западная. Восточная экспозиция не рассматривалась, т.к. коэффициент К± из формулы (2) для нее практически совпадает с западной (таб. 3). Угол откоса принимался 0, 30, 45, 60, 75 градусов
Основные результаты расчетов сведены в табл.7.
По результатам расчетов установлено:
• теплоизоляция пенобетоном толщиной 5 см примерно в 2 раза уменьшает глубину оттаивания;
• теплоизоляция пенобетоном толщиной 10 см примерно в 3,2 раза уменьшает глубину оттаивания;
• покраска теплоизоляционного покрытия толщиной 5 см в белый цвет уменьшает глубину оттаивания до 20 %;
• покраска теплоизоляционного покрытия толщиной 10 см в белый цвет уменьшает глубину оттаивания до 30 %;
• максимальные ореолы оттаивания образуются на склоне с южной экспозицией, а минимальные на склоне с северной экспозицией;
• угол откоса в исследуемом интервале значений незначительно влияет на глубину оттаивания.
Полученные расчетные данные могут быть использованы для разработки мероприятий по обеспечению устойчивости борта карьера, например, совместное применение анкеров и теплоизоляционного покрытия позволят существенно повысит прочность поверхностного слоя массива и устойчивость уступа, что предотвратит его осыпание и разрушение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гречишев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю. Л. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов. - М.: Недра, 1984.
2. Ершов Э.Д. Криолитогенез. — М: Недра, 1982.
3. Павлов А.В., Оловин Б.А. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1974.
4. Павлов А.В. Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР. - Якутск: Кн. изд-во, 1975.
5. Слепцов В.И., Полубелова Т.Н., Изаксон В.Ю. Математическое моделирование процесса теплообмена уступа
карьера в вечномерзлых породах.// ФТПРПИ -1996. - №3. - С.45-53.
6. Слепцов В.И. Исследование методом математического моделирования процессов оттаивания-промерзания на наклонных поверхностях различной ориентации и крутизны. // Горн. ин-форм.- аналит. бюл. - 2009. - №9. - С. 61-65
7. Климат Якутска /Под.ред. Ц.А. Швер, С.А. Изюменко - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1982.
8. Метеорологические таблицы. // www.sakha-meteo.ru
9. СП 23-101-2004, «Проектирование тепловой защиты зданий».— М., 2004. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слепцов Василий Иннокентьевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, v.i.sleptsov@igds.ysn.ru,
Курилко Александр Сардокович — доктор технических наук, старший научный сотрудник, a.s.kurilko@igds.ysn.ru
Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН, Заровняев Борис Николаевич — доктор технических наук, профессор, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, mine_academy@mail.ru.
А
РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА
