авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Разработка эффективных способов подготовки мерзлых пород к выемке и водоподготовки на объектах россыпных месторождений забайкалья

-- [ Страница 4 ] --

Данная регрессионная зависимость имеет высокую степень надежности (аппроксимации): коэффициенты корреляции более 0,91, а стандартные отклонения – доверительные границы (по Стьюденту с вероятностью Р = 0,95) не превышают ±3.

Результаты проведенных опытов подтверждают возможность и высокую эффективность применения соляного солнечного бассейна как аккумулятора тепловой энергии, которая может быть использована для оттаивания мерзлых пород при разработке золотоносных россыпных месторождений. Достоверность экспериментальных исследований подтверждена признанием приоритета работ патентом Российской Федерации №2276236.

Анализ методов решения задач оттаивания-промерзания горных пород показывает, что для оценки способов оттаивания с применением ССБ приемлемы аналитические решения задачи Стефана на основе приближенных методов, а также численные решения с использованием конечно-раз­ностных методов и методы математического моделирования.

Скорость оттаивания мерзлых пород (, м/сут) при использовании соляного солнечного бассейна (ССБ) в основном зависит от температуры при­донного слоя раствора, воздуха, горных пород, времени оттаивания мерз­лых пород и определяется из уравнения теплового баланса

(3)

где – коэффициент, учитывающий замедление скорости сезонного оттаивания пород из-за оттока тепла в мерзлый грунт, изменяется от 0,6 до 1,0; Т – коэффициент теплопроводности талых пород, Вт /(м. оС); tп – температура придонного слоя ССБ, оС; – период оттаивания, сут; К – коэффициент, учитывающий неоднородность рыхлых отложений; Qф – теплота фазового перехода, Дж/м3

(4)

где G – льдистость горных пород, кг/м3.

Аналитические расчеты показали, что при температуре придонного слоя 50…60 оС скорость оттаивания мерзлых пород достигает 5…15 м/год.

Для повышения эффективности солнечно-радиационного оттаивания нами разработан и предложен способ гидравлического оттаивания мерзлых пород в комбинации с тепловыми ваннами (рис. 4).

 Способ гидравлического оттаивания мерзлых горных пород в сочетании с-7

Рис. 4. Способ гидравлического оттаивания мерзлых горных пород в сочетании

с тепловыми ваннами:

1 – подогретая за счет солнечной энергии вода (тепловая ванна); 2 – водоподпорная дамба; 3 – скважина; 4 – сезонно- и многолетнемерзлые породы; 5 – водосбросный патрубок; 6 – магистральный трубопровод; 7 – водозаборный патрубок; 8 – вентиль; 9 – направление движения теплоносителя; 10 – направление движения охлажденной воды; 11 – металлические пластины

В предлагаемом способе, также как и в фильтрационно-игловом, используется принцип противотока движения теплоносителя и охлажденной воды. На оттаиваемом участке предусматривается удаление почвенно-рас­тительного слоя, планировка поверхности, бурение скважин (3) на заданную глубину по сетке, определяемой льдистостью и коэффициентом фильтрации пород (см. рис. 4). Вместе с тем, здесь исключены процессы установки гидроигл и принудительной подачи в них теплоносителя с помощью насосов. Подача теплоносителя к мерзлым породам происходит за счет сил гравитации непосредственно по скважине, а охлажденная вода удаляется из скважины по водозаборному патрубку за счет перепада уровня воды.

На оттаиваемом участке возводят водоподпорную дамбу (2), монтиру­ют водосбросный патрубок (5), магистральный трубопровод (6), заливают участок слоем воды – создают тепловую ванну (1) и отводят воду из скважин за пределы участка с помощью установленных в них водозаборных патрубков (7), соединенных с магистральным трубопроводом (см. рис. 4).

Особенность данного способа оттаивания заключается в том, что водозаборные патрубки и водосбросная труба обеспечивают не только естественное удаление охлажденной воды из забоя скважин, но также создают приток в скважины нагретой за счет солнечной энергии воды, поступающей из тепловой ванны. При этом достигается высокая скорость оттаивания за счет более полного использования солнечной энергии путем аккумулирования ее в воде и передачи мерзлым породам.

Перенос солнечного тепла мерзлому массиву происходит в результате кондуктивно-конвективного теплообмена между теплоносителем (подогретой за счет солнечной энергии водой) и мерзлыми породами путем создания

непрерывного естественного движения теплоносителя по скважинам.

Источником тепла предлагаемого способа оттаивания мерзлых пород служит вода рек и водоемов, подогретая за счет солнечной радиации и тепла атмосферного воздуха в течение всего периода положительных среднесуточных температур воздуха. При увеличении коэффициента фильтрации, повышении теплопроводности и уменьшении льдистости горных пород, а также при повышении температуры и удельного расхода, подаваемой в скважины воды, скорость оттаивания мерзлых пород возрастает многократно.

Предлагаемый способ оттаивания мерзлых пород осуществляется следующим образом (см. рис.4).

С помощью бульдозера удаляют почвенно-растительный слой и планируют поверхность. С помощью буровых станков в мерзлом массиве горных пород бурят ряды скважин для подачи подогретой воды к мерзлому массиву.

Скважины располагаются в шахматном порядке (рис. 5). Расстояние между скважинами в ряду (а) принимается равным от 2 до 7 м, в зависимости от водопроницаемости и неоднородности горных пород и времени, необходимого для оттаивания участка. Расстояние между рядами скважин принимается равным (0,85.а).

Рис. 5. Схема обеспечения подачи теплой воды к мерзлому массиву:

1 – сухой откос водоподпорной дамбы, 2 – мокрый откос водоподпорной дамбы, 3 – водозаборные патрубки, 4 – заглушка, 5 – скважины, 6 – магистральный трубопровод, 7 – вентиль, 8 – водосбросный патрубок

На поверхности оттаиваемого участка между рядами скважин уклады­вают магистральный трубопровод, один конец которого закрывают заглуш­кой, а на другом конце устанавливают задвижку (вентиль) и водосливной патрубок (см. рис. 5). В скважины устанавливают водозаборные патрубки, которые перфорируют на отрезке длиной 0,5…1,0 м со стороны забоя скважин отверстиями диаметром 0,01…0,02 м и с помощью соединительных муфт присоединяют к магистральному трубопроводу. Устья скважин перекрывают ограждающей металлической сеткой с квадратными ячейками 0,03 х 0,03 м.

С помощью бульдозера сооружают водоподпорную дамбу перпендикулярно водосбросной трубе, таким образом, чтобы вентиль и водосливной патрубок были расположены со стороны сухого откоса дамбы, после чего оттаиваемый участок заливают слоем воды (слой воды может достигать 10 м, в зависимости от высоты водоподпорной дамбы). При этом обеспечивают самотечное движение воды (приток в скважины воды, подогретой за счет солнечной энергии и отток охлажденной воды из забоев скважин), которое происходит за счет сил гравитации – давления, создаваемого перепадом уровней воды на подтопляемом участке и на выходе охлажденной воды из водосливного патрубка. Необходимый расход воды-теплоносителя по магистральному трубопроводу от 0,5 до 2,5 м3/ч, обеспечивающий интенсивное оттаивание мерзлого массива, регулируется с помощью вентиля.

Для повышения эффекта оттаивания в мерзлом массиве горных пород создают камуфлетные полости, фильтрационные каналы и сеть трещин различного рода путем взрывания в скважинах камуфлетных зарядов ВВ или электрогидроразрывом пласта. Камуфлетное взрывание или электрогидроразрыв пласта производят перед установкой водозаборных патрубков. Повышение скорости гидравлического оттаивания мерзлых пород достигается также путем изменения ламинарного потока движения воды в скважинах на турбулентный путем создания вихревых потоков воды вдоль водозаборных патрубков. Турбулентный поток воды в скважинах создают с помощью металлических пластин, которые приваривают к водозаборным патрубкам под углом 30…450 по направлению движения воды в скважинах.

Затраты энергии на нагревание и оттаивание всего участка мерзлых пород (Qобщ, кДж) составляют

(5)

где S – площадь участка оттайки, м2; Hот – глубина оттаивания, м; – количество энергии, затрачиваемое на нагревание 1м3 мерзлых пород до температуры талых пород tт, кДж/м3

(6)

где сп – удельная теплоемкость пород, кДж/(кг.оС); п, л – соответственно плотность пород и льда, кг/м3; G – льдистость горных пород, кг/м3; tт, tм – соответственно температура талых и мерзлых пород, оC; – количество энергии, необходимое для оттаивания 1м3 мерзлых пород, кДж/м3

(7)

где сл, св – соответственно удельная теплоемкость льда и воды, кДж/(кг.оС); L – скрытая теплота плавления льда, равная 334 кДж/кг.

Общее время оттаивания мерзлых пород затопленного участка (, сут) находится в прямопропорциональной зависимости от общих затрат тепла на оттаивание и обратнопропорционально температуре, расходу и боковой теплоотдаче фильтрационного потока подогретой за счет солнечной радиации воды

(8)

где в – плотность воды, кг/м3; W – суммарный расход воды, необходимый для оттаивания мерзлого массива, его величина зависит от действующего напора (разности уровней воды в водоеме и на выходе из водосливного патрубка), длины магистральных трубопроводов и водозаборных патрубков, местных сопротивлений и диаметра трубы, м3/ч; Кб – средний коэффициент относительной боковой теплоотдачи воды фильтрационного потока в талике цилиндрической формы, рассчитывается через критерий теплового подобия Фурье, в приближенных расчетах Кб = 0,4…0,5; tв – температура воды на затопленном участке, оС.

При заданном расходе воды (Q, м3/с) самотечного магистрального трубопровода диаметр труб (d, м) можно определить по формуле

(9)

где – средняя скорость движения воды в трубопроводе, = 0,7…1,5 м/с.

Уменьшение диаметра труб приводит к большим потерям действующего напора. Наиболее выгодный диаметр соответствует скорости течения воды равной 1 м/с, т.е. диаметру, определяемому по формуле

(10)

Отличительной чертой предлагаемого гидравлического способа оттаивания является обеспечение непрерывного естественного (создаваемого силами гравитации) движения воды в скважинах, позволяющее за счет многократно возросшего кондуктивно-конвективного теплообмена обеспечить фазовый переход горных пород из мерзлого состояния в талое.

Результаты сравнительного анализа технико-экономиче­ских показателей известных способов оттаивания показывают, что предлагаемый гидравлический способ оттайки сезонно- и многолетнемерзлых пород, обладая высокой интенсивностью оттаивания (скорость оттаивания мерзлого массива равнозначна скорости фильтрационно-иглового оттаивания), позволяет производить подготовку к выемке мерзлых суглинистых пород с коэффициентом фильтрации менее 50 м/сут в более сжатые сроки и требует минимальных материальных и энергетических затрат на его осуществление. При этом скорость оттаивания мерзлых суглинистых, супесчаных пород увеличивается до 10…20 м/сезон, сроки подготовки дражных полигонов сокращаются в 1,5…2,5 раза по сравнению с фильтрационно-дренаж­ным оттаиванием.

Существенно на 25…40 % уменьшается энергоемкость процесса оттаивания мерзлых горных пород по сравнению с фильтрационно-игло­вым способом. Кроме того за счет исключения затрат на приобретение, эксплуа­тацию, обслуживание насосных станций и потребляемую электроэнергию в 1,5…2 раза снижается себестоимость оттаивания мерзлых пород, в 3…6 раз – трудоемкость работ.

Новизна гидравлического способа оттаивания в сочетании с тепловыми ваннами подтверждены патентом Российской Федерации №2295008.

Таким образом, обосновывается второе научное положение:

Создание на дневной поверхности тепло­вых ванн с активацией теплообмена в придонном слое соляного сол­нечного бас­сейна и обеспечение конвек­тивно-кондуктивной передачи солнечной энергии вглубь мерзлого мас­сива за счет естественного движения теплоноси­теля по скважи­нам повышает эффективность солнечно-радиацион­ного от­таи­вания мерзлых россыпей в два-три раза.

Наиболее простым по исполнению является фильтрационно-дренаж­ный способ оттаивания (ФДО) мерзлых пород с канавным питанием. Од­нако применение данного способа ограничено из-за малой эффективности. Для устране­ния этого недостатка нами предложено его усовершенствование за счет создания под оросительными канавами на глубине 3-4 м фильтра­ционных каналов. При этом выпол­нены теоретические и экс­перименталь­ные исследо­вания.

Этот вариант ФДО в дальнейшем получил название взры­во­гид­рав­ли­че­ского фильтрационно-дре­нажного способа оттаи­вания мерз­лых гор­ных по­род (ВГФДО), представ­ляющего собой комбинацию двух способов (рис. 6) – ФДО в комбинации с известным взрыво­гид­рав­лическим, кото­рый впер­вые был испытан на при­иске Колымы в 1976 году. Способ оттаивания мерзлых горных пород (ВГФДО) предусматри­вает ис­поль­зование комбинированного механизма кондук­тивно-конвектив­ного пе­реноса тепла, аккумулированного в тепло­носителе без применения искус­ственных источников энергии.

При этом в мас­сиве горных пород искусст­венно создаются фильтра­ционные каналы и зоны проницаемости путем камуфлетного взры­вания зарядов ВВ линейного ряда скважин, а на дневной поверхности проходятся канавы: питающая, оросительные и дренажная.

Рис. 6. Схема взрывогидравлического фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых горных пород:

1 – питающая канава, продольный уклон i = 0,008; 2 – подогретая солнечной энергией вода; 3 – взрывные скважины; 4 – дренажная канава; 5 – оросительные канавы; 6 – заряд ВВ, q = (7-11) кг; 7 – профильтрованная и охлажденная вода; 8 – питающая скважина; 9 – зона фильтрации; 10 – коренные породы; 11 – камуфлетные полости

Часть воды со стороны поверхности к оттаиваемому массиву мерзлых пород поступает по схеме фильтраци­онно-дренажного способа оттаивания – через питающую и оросительные канавы, а другая часть воды подается непо­средственно вглубь мерзлого массива через скважины и фильтрацион­ные каналы, что позволяет ускорить процесс оттаивания мерзлых горных пород (рис. 7).

Рис. 7. Схема создания зоны фильтра­ции

в мерзлом массиве горных пород:

а – расстояние между взрывными скважинами в ряду, м; R1 – радиус фильтрационного канала, м; Rк – радиус камуфлетной полости, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м; 1 – взрывные скважины; 2 – камуфлетные полости; 3 – зона проницаемости; 4 – оросительные канавы; 5 – зона фильтрационно-дренажного оттаивания; 6 – зона взрывогидравлического оттаивания; 7 – водонепроницаемые породы

Расчет параметров ВГФДО проводят по следующей схеме. Расстоя­ние между рядами скважин (b, м) зависит от размеров зоны оттаива­ния вокруг фильтрационного канала (2.R2), определяемой уравне­нием теп­лового баланса

(11)

где R2 – радиус зоны взрыво­гидравлического оттаивания, м.

(12)

где R1 – радиус фильтрационного канала, м; Кф – коэффициент фильтра­ции пород в канале, м/сут; tв – темпе­ратура воды, оС; Св – теплоемкость воды, Дж/(м3.оC); – время оттаивания пород в зоне (R2 – R1), сут; Кисп = (tвх – tвых)/(tвх – tо) – коэффициент тепло­отдачи фильтрационного потока; tвх, tвых – температу­ра воды, соответст­венно на входе и выходе фильтрацион­ного потока, оС; tо – температура фазового перехода, оС; lк – длина фильтрацион­ного канала, м; Qф – теплота фазового перехода, Дж/(м3.оС).

Время оттаива­ния пород (о, сут) в зоне проницаемости вокруг фильт­ра­ционного канала в основ­ном зависит от трещиноватости пород, темпера­туры воды и определя­ется из уравнения теп­лового баланса

(13)

Радиус фильтрационного канала (R1) зависит от параметров камуфлетного взрывания и находится из геометрических соотношений

(14)

где а – расстояние между скважинами в ряду, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м.

Для определения размеров зоны проницаемости воспользуемся моделью грунта при камуфлетном взрыве в скважине, предложенной Д.М. Кушнаревым. Принимая границу раздела упругой и пластической зон предельной границей зоны проницаемости, определим (Rп) по формуле, полученной из аналитического решения указанной модели при модуле объемного сжатия – Ксж = 0,1 Е (здесь Е – модуль упругости),

(15)

где Rк – радиус камуфлетной полости, м; х = / Е; – максимальные касательные напряжения.

Радиус камуфлетной полости определяется по формуле

(16)

где ; вв – начальная плот­ность ВВ (в пересчете на объем 1 пог. м скважины), кг/м3; вв – массовая плотность энергии заряда (для аммонита = 4,187106 Дж/кг); R0 – радиус скважины, м.

Расчеты показывают, что в пределах вероятных колебаний упру­гих и прочностных свойств мерзлых пород россыпных месторождений Rп = (20…40)Rк, а Rк(3,7…5,6)Rо. Взрывогидравлическим способом в массиве возможно создание неоднородных фильтрационных каналов с размерами Rп = (74…224)Rо. Так, при Ro = 100 мм, Rп = (7…22) м.

Однако, эф­фективный радиус зоны проницаемости, в пределах кото­рой возможна фильтрация воды по образо­вавшимся трещинам, весьма не­зна­чи­телен и не пре­вышает 5Rк. Относительный радиус оттаивания (R2/R1) зависит от времени и гидравлической проводимости (Кф/lк) фильтрацион­ного канала. Расстоя­ние между рядами скважин при продолжительности оттаивания в 100 суток не превышает 16R1 (рис. 8).

 Зависимость относительного радиуса оттаивания пород (R2/R1) от времени () и-26

Рис. 8. Зависимость относительного

радиуса оттаивания пород (R2/R1) от времени () и гидравлической проводимости фильтрационного канала Кф/lк:

1 – Кф/lк= 3; 2 – Кф/lк= 4; 3 – Кф/lк= 5;

4 – Кф/lк= 10; 5 – Кф/lк= 15; 6 – Кф/lк= 20;

7 – Кф/lк= 50

При среднем расстоянии между скважинами в ряду а = 3,5 м, обес­печивающим R1 = 1 м, допустимое расстояние между рядами скважин 2R2 (12…16 м), при льди­стости пород 250 кг/м3.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.