Введение к работе
Актуальность темы. При разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом, при эксплуатации высоких насыпей для транспортных коммуникаций или гидротехнических сооружений в условиях многолетней мерзлоты происходят значительные деформации откосов вследствие сезонных процессов протаивания и промерзания. Обеспечение устойчивости откосов является непременным условием возможности длительной и безаварийной их эксплуатации. Наиболее эффективным способом является сохранение горных пород в мерзлом состоянии.
Существуют два наиболее распространенных способа сохранения мерзлоты: нанесение на поверхность горных пород теплоизоляционного покрытия и глубинное охлаждение пород при помощи сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ). Как правило, в целях сохранения мерзлого состояния горных пород применяется один из указанных методов. Сочетание способов в комйлексе практически не исследовалось.
Важное значение имеет решение вопроса о взаимосвязи между температурой поверхности склонов и процессами теплообмена в атмосфере и горных породах. Исследования по этому вопросу проводились, в основном, для горизонтальных и вертикальных поверхностей.
" Таким образом, исследования по теме диссертации являются актуальными в научно-теоретическом отношении. Они предусматривают математическое моделирование процессов теплообмена в откосах с учетом влияния естественных внешних факторов, в том числе солнечной энергии, и искусственных конструкций (теплоизоляции и СОУ), подбор параметров которых, соответственно расчетам, позволяет управлять тепловыми процессами в массивах горных пород при заданной их геометрии.
Основой диссертационной работы послужили результаты исследований, выполненных автором в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИГД Севера СО РАН по теме "Разработать математическую модель, алгоритмы и программу расчета процесса теплообмена в . бортах карьера, учитывающую солнечную радиацию, наличие теплоизоляции и сезонно-охлаждающих устройств" (№ гос. регистрации 01920013879) и хоздоговорной темы "Разработать рекомендации по креплению откосов карьера
"Мир" для участков, осложненных дайками диабазов" (№ гос. регистрации 01800700352).
Целью работы является разработка математических методов прогноза теплового состояния массивов горных пород с наклонными боковыми поверхностями, основанных на использовании математической модели, учитывающей отдельное и совместное влияние конвективного теплообмена поверхностей с атмосферой, теплоизоляции на поверхностях и работы СОУ, для осуществления выбора рациональных параметров тепловой защиты пород от протаивания-промерзания, управляя, таким образом, температурными процессами в массивах и обеспечивая устойчивость склонов и повышение безопасности эксплуатации таких инженерных сооружений, как уступы карьеров или высокие насыпи.
Задачи исследовании
разработка методики расчета потоков суммарной солнечной радиации к горизонтальной и наклонным поверхностям, которая позволяет сократить число параметров, входящих в расчетные формулы теоретических моделей, известных в литературе;
математическое моделирование динамики тепловых процессов в массивах горных пород с наклонными боковыми поверхностями, учитывающее влияние солнечной энергии, теплоизоляции и СОУ на формирование температурного режима склонов различной крутизны и
ЭКСПОЗИЦИИ;
- разработка алгоритма решения смоделированной задачи и
реализация его в виде прикладной программы для расчета на ПЭВМ,
а такхе исследование степени отдельного и совместного влияния
теплоизоляции и СОУ для установления возможности управления
динамикой тепловых процессов внутри породных массивов,
обеспечивающих устойчивость склонов, для чего решить прикладные
задачи для уступов карьеров и насыпей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- математическая модель теплового режима массивов горных
пород с наклонными боковыми поверхностями, которая при
использовании упрощенной методики расчета потоков суммарной
солнечной "радиации на горизонтальные и вертикальные поверхности
позволяет учитывать конвективный теплообмен с атмосферой, что
способствует повышению точности оценки влияния наличия
теплоизоляции и СОУ на формирование температурного поля;
учет потоков солнечной радиации на горизонтальную и наклонную поверхности массивов горных пород способствует определению степени влияния солнечной энергии на глубину протаивания горных пород, которая существенно больше, чем показывают расчеты, не учитывающие потоки солнечной радиации;
отдельное применение СОУ и теплоизоляционного покрытия поверхностей откосов не обеспечивает их устойчивость, так как образуются значительные области протаивания пород, особенно в первом случае; совместное применение СОУ и теплоизоляции и варьирование их параметрами, включая величину альбедо поверхности, позволяет регулировать температуру мерзлого ядра внутри массива, а также глубину протаивания, вплоть до полного предотвращения протаивания, что .способствует поддержанию откосов в устойчивом состоянии.
Научная, новизна работы состоит в том, что
получены соотношения, устанавливающие взаимосвязь между температурой поверхности склонов, потоками солнечной радиации и альбедо поверхности, с учетом крутизны и экспозиции склонов,-
впервые для задач такого рода учитывается конвективный теплообмен дневной поверхности с атмосферой, причем, как горизонтальной, так и наклонной поверхностей,-
исследовано влияние учета солнечной энергии в решении тепловых задач для массивов горных пород с наклонными боковыми поверхностями на точность определения глубины протаивания и температуры теплового поля;
- в отличие от известных численных исследований по
прогнозированию теплового режима уступов карьеров и насыпей,
исследовано не только отдельное, но и совместное влияние защиты
поверхностей теплоизоляцией и охлаждения породного массива с
помощью СОУ, на формирование температурного режима и управление
им, с учетом конвективного теплообмена поверхностей с
атмосферой;
разработаны прикладные программы, реализующие на персональных ЭВМ рассмотренные в работе вычислительные алгоритмы и снабженные дружественной интерфейсной оболочкой, позволяющей вводить данные в удобной форме, варьировать данными, а также проводить расчеты в соответствии с выбранным режимом, включая или отключая тот или иной вычислительный
процесс (учет теплоизоляции или СОУ, или солнечной радиации, или все вместе).
Достоверность научных положении обеспечивается корректностью и строгостью математических моделей рассматриваемых задач, применением обоснованных математических методов к исследованию и решению задач, удовлетворительным совпадением результатов расчетов с имеющимися данными экспериментальных натурных наблюдений.
Личный вклад автора состоит в:
разработке методики расчета потоков суммарной солнечной радиации на наклонные поверхности;
теоретическом обобщении и практическом решении задачи теплообмена массивов горных пород, имеющих наклонные боковые поверхности, с атмосферой, а также тепловой защиты поверхности и охлаждения основания массива с помощью СОУ;
обосновании выбора параметров теплоизоляционных покрытий и времени их укладки;
- в разработке комплекса вычислительных программ для ПЭВМ.
Теоретическая и практическая ценность работы. Полученные
функциональные зависимости для расчета потоков суммарной солнечной радиации на горизонтальную и наклонные поверхности различной крутизны и экспозиции могут быть использованы для математического моделирования теплового режима массивов горных пород, имеющих наклонные боковые поверхности, с учетом конвективного теплообмена с атмосферой, что представляет теоретическую ценность. Практическая ценность работы заключается в том, что математическая модель и разработанная итерационно-разностная схема ее реализации могут использоваться для определения рациональных параметров тепловой защиты склонов и СОУ, достаточных для обеспечения устойчивости откосов. А также, в силу общности математического описания, разработанный вычислительный алгоритм может быть использован для решения задач искусственного оттаивания многолетнемерзлых пород, которое используется при разработке россыпных месторождений.
Реализация работы. Разработанные методы и средства решения задач исследования динамики процессов теплообмена в уступах карьеров и управления этими процессами внедрены при разработке
рекомендаций и проведении работ по креплению откосов карьера "Мир" АК "Алмазы России-Саха" (личный вклад автора в экономический эффект составляет 1.066 - 1.156 млрд.руб.).
Апробация работы. Отдельные разделы и основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых Института мерзлотоведения СО РАН (1983г.), на семинарах лаборатории геомеханики многолетнемерзлых горных пород ИГД Севера СО РАН (1994-1996г.г.), Ученом совете ИГД Севера (1996г.), НТС института ЯкутНИИпроалмаз (1994-1996г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и содержит 171 стр. машинописного текста, 18 рисунков, 9 таблиц, списка литературы из 78 наименований и 5 приложений на 41 стр.