Приближенное решение задачи промерзания в складах-отвалах талых связных пород при разработке россыпей Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.В. Дугарпырснов, Е.Л. Бельченко, 2009

УДК 622.02

А.В. Дугарцыренов, Е.Л. Бельченко

ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОМЕРЗАНИЯ В СКЛАДАХ-ОТВАЛАХ ТАЛЫХ СВЯЗНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПЕЙ

величить длительность промывочного сезона при разработке золотоносных аллювиальных пород возможно при создании теплоизолиро-

ванных складов-отвалов этих пород в талом состоянии в конце предшествующего промывочного сезона с тем расчетом, чтобы начать их промывку в последующем промывочном сезоне сразу же с наступлением положительных температур и появлением талой воды.

Склад-отвал таких пород в предшествующем промывочном сезоне будет сформулирован на мерзлых породах с температурой Т0; для многолетнемерз-

лых пород Т0 —6 "С . Естественно, что в этом случае талые породы склада-отвала будут промерзать снизу, начиная с момента формирования склада-отвала. Промерзание же талых пород склада-отвала сверху начнется с момента наступления отрицательных температур в предшествующем промывочном сезоне.

Здесь и далее будет использоваться приближенный, предложенный авторами инженерный метод оценки промерзания связных пород [1].

Ранее авторами была получена явная формула для расчета глубины промерзания массива талых пород [1]. В развернутом виде данная формула представляется выражением:

Для определения высоты промерзания талых аллювиальных пород склада-отвала снизу Н_ и сверху Н+ рассмотрим тепловую модель процесса, изображенную на рис. 1. При расчете высоты Н_ за начало отсчета примем основание склада-отвала, расположенное на многолетнемерзлых породах с температурой 70мп —6 "С . Ось распространения фронта промерзания снизу г направим вверх. Общую высоту склада-отвала обозначим через Н . При расчете высоты Н+ за начало отсчета примем поверхность склада-отвала, а ось распространения фронта промерзания сверху (г) направим вниз. Движущиеся границы раздела фаз (границы фазового перехода) на рис. 1 показаны пунктирной линией.

в

1

(1)

Рис. 1. Тепловая модель промерзания склада-отвала

Текущая координата движущейся границы промерзания определяется выражением:

^ = р4г . (2)

Расчеты по формуле (2) проводятся при подстановке величин, заданных в системе СИ, однако в силу длительности процесса промерзания целесообразно представлять время / в сутках. Тогда формула (2) запишется в виде: г = в86400 • г. (3)

При фиксированных значениях теплофизических свойств породы и начальных температур склада-отвала Т0 и многолетнемерзлых пород Т0мп —6 °С основными переменными величинами, необходимыми для расчета глубины промерзания, являются температура внешней среды (воздуха) Тв и продолжительность г, в течение которого происходит процесс промерзания. Одновременное воздействие этих параметров на величину глубины промерзания иллюстрируется на трехмерном графике, представленном на рис. 2.

При самых неблагоприятных условиях, когда температура внешней среды составляет Тв = 233К (-40°С) и длительности процесса промерзания, равном г = 120 суток, глубина промерзания И+ тах практически достигает 3 метров. При

малых значениях времени глубина промерзания слабо зависит от температуры среды. Начальная температура склада-отвала в расчетах принята равной Т0 = 283 К(+10° С).

Более детальная картина продвижения границы промерзания со временем дана на рис. 3, где зависимость И+ (г)

получена при Тв =- 40°С; -35°С; -30°С и -25°С (соответственно кривые 4,3,2 и 1).

Рис. 2. Влияние температуры среды и продолжительности ее воздействия на глубину промерзания сверху

-II к +, м

Рис. 3. Зависимость глубины от времени промерзания при разных температурах внешней среды

t, сут

начальная температура склада-отвала принята равной Т0 = 283 К

Расчеты проводились при условии, что высота склада-отвала больше глубины промерзания, т.е. Н > К тах .

Аналогично проведены расчеты промерзания

склада-отвала снизу. При расчете одновременного влияния времени t промерзания и температуры многолетнемерзлых пород (+10" С), а

температура подстилающих многолетнемерзлых пород - изменяющейся от 70мп — 3 "С до 70мп —10 "С . Также учтено, что время стояния склада-отвала tт от конца предшествующего промывочного сезона до начала следующего может составить до 8 месяцев в год. Отдельно получена зависимость к_ ^) при температуре подстилающих пород, равной 70мп — 6 "С . Результаты расчетов приведены на рис. 4 и 5.

Несмотря на малые величины температуры подстилающих пород, высота промерзания к_ существенно зависит от продолжительности процесса. Это

объясняется более длительным по сравнению с процессом промерзания сверху временем tт. В частности, при времени промерзания, равном 9 месяцев, высота промерзшего слоя составляет более 1,6 м, а при tcт в 8 месяцев - около 1,5 метра (рис. 4).

Учитывая одновременное промерзание склада-отвала сверху и снизу, для общей высоты промерзшего слоя получим

к=К+ + к_=в(4Г++4Г), (4)

Рис. 4. Влияние температуры подстилающих пород и времени промерзания на величину к_

2.5

2

Рис. 5. Зависимость текущей высоты промерзания от продолжительности процесса

ПРи Т0мп ~ -6 "С_

где ^ и - соответственно длительности промерзания сверху и снизу.

Общая высота промерзшего слоя склада-отвала при Тв = 238К (- 35" С), 3 месяца (время наибольших отрицательных температур в период с 1 декабря по 29 февраля) и Т0ъш ~ -6 "С , t =8 месяцев составит к = 1, 54889 + 2,41851 = 3,9674 м, что представляет значительную величину.

Создание складов-отвалов имеет смысл только при условии, что его высота больше высоты промерзшего слоя, т.е.

Н > к . (5)

Для вышеприведенного частного случая имеем Н > 3,9674 м. Это говорит о том, что глубина промерзания пород склада-отвала сверху и снизу значительна и может составлять для условий Северо-Востока России до 4 метров. Отсюда следует, что создавать склады-отвалы талых золотоносных пород в предыдущий промывочный сезон для более раннего начала последующего промывочного сезона имеет смысл только в том случае, если будут предприняты какие-либо противопромерзающие мероприятия, например утепление складов-отвалов сверху.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дугарцыренов A.B., Бельченко Е.Л. О динамике промерзания (оттаивания) массивов горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, № 3, 2009, с. 48-52.

— Коротко об авторах-

Дугарцыренов A.B. - докторант кафедры «Физика горных пород и процессов» Московского государственного горного университета,

Бельченко Е.Л. - профессор кафедры «Физика горных пород и процессов».

Рецензент д-р техн. наук, проф. О.М. Гридин, Московский государственный горный университет.

А