- •Тема №1. Тепло земных недр
- •1.1. Термодинамические параметры земной коры
- •1.2. Источники тепла земных недр
- •1.3. Процессы теплопереноса в недрах Земли
- •1.4. Использование тепла земных недр
- •1.5. Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников
- •Тема №2. Промерзание связных пород при открытой разработке месторождений
- •2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами
- •2.2. Месячные колебания температуры внешней среды
- •2.3. Расчет глубины промерзания связанных пород
- •2.4. Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий
- •2.5. Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия
- •Тема №3. Намораживание пород при строительстве подземных сооружений и шахт
- •3.1. Сущность способа и область его применения
- •3.2. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра
- •3.3. Параметры образования ледопородных ограждений
- •Тема №4. Теплообмен в горных выработках
- •4.1. Требования к тепловому режиму в подземных выработках
- •4.2. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ
- •4.3. Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке
- •4.4. Теплообмен при проветривании подземных выработок
- •4.5. Источники тепла в подземных выработках
- •4.6. Методы нормализации температурного режима рудничного воздуха
- •Тема № 5. Термодинамическое разрушение талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •5.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород
- •5.2. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород
- •5.3. Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород
- •5.4. Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции
- •5.5. Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •Тема №6 . Газодинамические процессы в горных выработках
- •6.1. Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
- •6.2. Путь перемешивания для содержания газа и газовые потки
- •6.3. Коэффициенты диффузии
- •Тема №7. Интегральные газодинамические эффекты в шахтах
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Выработка как объект вентиляции
- •7.3. Ограниченные потоки в системе выработок
Тема №2. Промерзание связных пород при открытой разработке месторождений
2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами
В России около 25-30% ежегодных объемов разрабатываемых рыхлых и связных пород на карьерах приходится на периоды года с отрицательными температурами. Еще больший объем земляных работ в период с отрицательными температурами выполняется в условиях строительства.
В период с отрицательными температурами разработка рыхлых и связных пород сопряжена со значительными трудностями, так как они промерзают иногда до 1,5 м. Разработка мерзлых пород требует их предварительной подготовки (оттаивания, механического или взрывного рыхления), что отрицательно влияет на производительность и себестоимость.
Себестоимость разработки мерзлых рыхлых и связных пород в 2-3 раза выше, чем талых, а производительность примерно во столько же раз ниже.
В зависимости от мощности исполнительных органов экскаваторов, применяемых на карьерах, допустимая глубина промерзания составляет до 0,5 м. На такую глубину грунт промерзает при температуре примерно 263 К (-10°С). Мощность исполнительных органов экскаваторов не является однозначным критерием допустимой глубины промерзания уступов карьеров. Большинство применяемых на карьерах в настоящее время экскаваторов (как цикличных, так и непрерывного действия) обеспечивают разрушение промерзшего слоя глубиной до 0,3-0,4 м. Однако образующиеся при этом куски смерзшихся пород достигают 2 м (по максимальному размеру), что затрудняет их погрузку и транспортирование.
Использование техники непрерывного действия в период с отрицательными температурами становится практически невозможным, так как при глубине промерзания до 15-20 см образующиеся после экскавации куски смерзшейся породы достигают 60-80 см и являются нетранспортабельными для конвейеров. В связи с этим комплексы непрерывного действия останавливают на зимний период, что приводит к большим убыткам.
Одним из основных мероприятий, которое позволит обеспечить круглогодичную разработку рыхлых и связных пород на карьерах с высокими технико-экономическими показателями, является покрытие уступов и бортов карьеров теплоизоляционными материалами, препятствующими промерзанию массива на глубину выше допустимой. Критериями допустимой глубины промерзания являются мощность применяемых экскаваторов, линейные размеры их ковшей и самое главное — транспортабельность образующихся мерзлых кусков породы.
Для оценки глубины промерзания и параметров теплоизоляционных покрытий необходимо для каждого района знать зависимость изменения температуры окружающей среды в зимний период от времени. В том случае, если при известном изменении температуры в зимний период промерзание не превышает допустимой глубины, необходимость в теплоизоляционных покрытиях отпадает, и наоборот.
Толщину и тепловые свойства теплоизоляционных покрытий можно выбирать такими, чтобы полностью предотвратить промерзание уступов и бортов карьеров, или же такими, при которых промерзание будет происходить на глубину, не превышающую допустимую.
2.2. Месячные колебания температуры внешней среды
Для определения зависимости изменения температуры в зимний период используем значения среднемесячной температуры в данном районе. Обозначим среднемесячные температуры с октября по март соответственно Ток, Тн, Тд, Тя, Тф, Тм- За начало отсчета времени (t) примем 1-е января, тогда с января по март t будет положительным, а с октября по декабрь — отрицательным.
Введем безразмерное время в виде
y = 2t/tМ, (2.1)
где t — текущее время в днях; tм — продолжительность месяца (t= 30 дней).
Безразмерное время, соответствующее началу месяца и его середине, будет изменяться от -6 до нуля с 1 октября по 31 декабря и от нуля до +6 с 1 января по 31 марта.
Функцию изменения температуры в зависимости от безразмерного времени Т (у) представим в виде многочлена пятой степени относительно у:
Т (у) = Ау5 + Ву4 + Су3 + Dу2 + Еу + F, (2.2)
где А, В, С, D, Е, F — неизвестные константы, подлежащие определению по среднемесячным температурам.
Условимся среднемесячной температурой считать температуру в середине месяца. Тогда безразмерное время для 15 октября, 15 ноября, 15 декабря будет у1 = -5, у2 = -3, у3 = -1, а соответствующие этим датам среднемесячные температуры
Т(-5) = Ток; Т(-3) = Тн; Т(-1) = Тд.
Аналогично, для 15 января, 15 февраля и 15 марта безразмерное время будет у4 = 1; у5 = 3; у6 = 5; а соответствующие среднемесячные температуры
Т(1) = Тя; Т(3) = Тф; Т(5) = Тм.
Подставляя значения безразмерного времени для каждого месяца в выражение (2.2), получим систему уравнений для определения неизвестных констант А, В, С, Д, Е, F:
(2.3)
Решая систему уравнений (2.3), получим выражения для определения неизвестных констант
(2.4)
Таким образом, зная среднемесячные температуры в районе разрабатываемого месторождения можно определить значения коэффициентов А, В, С, Д, Е, F, подставив которые в уравнение (2.2), найдем функцию изменения температуры Т (у).