Основные положения по расчету игловой оттайки

16.06.2018
При забуривании иглы вода, выходящая из наконечника, омывает забой, стенки скважин и вначале поднимается на поверхность по зазору около стержня иглы. Вода, омывая мерзлые стенки, передает породам свое тепло, причем скорость повышения температуры до нуля зависит от свойств теплопередачи движущегося по мерзлой стенке водного потока и коэффициента теплопроводности мерзлых пород. Под влиянием напора вода просачивается по порам оттаявших пород, благодаря чему температура талых пород повышается быстрее, чем это следует, исходя из коэффициента теплопроводности талых пород, и зависит от скорости просачивания воды. По мере удаления воды от места выхода из иглы температура, напор и скорость водного потока постепенно снижаются до нулевых значений, что и определяет расположение границы мерзлых пород. Эта граница мерзлых пород постепенно удаляется во все стороны от наконечника иглы.

Перемещение границы талых пород во время оттайки показано на рис. 150. Линия а указывает расположение границы талого слоя ко времени установки иглы. Вследствие подачи воды в приплотиковую часть пески в нижней части россыпи вначале оттаивают быстрее, и граница таликов приобретает грушеобразное очертание (кривая 1). Скорость оттаивания пород во многом зависит от количества подводимого с водой тепла. Так, по наблюдениям, глубина оттаивания под иглой h определяется уравнением

где k — коэффициент пропорциональности: по наблюдениям, он составляет 0,5—0,57;

Q — общий расход тепла через иглу за время оттаивания, ккал.

В боковые стороны оттаивание пород происходит значительно быстрее, чем в глубину (см. кривые 1, 2), особенно когда встречается малотрещиноватый плотик. Вследствие этого очертания талых пород постепенно приобретают форму полушара (кривая 3), а затем и полуэллипсоида (кривая 4). У наконечника породы имеют температуру, близкую к температуре подаваемой воды, т. е. летом около 6—14° С. Понижение температуры потока по мере удаления во многом зависит от количества воды, вытекающей из наконечника. При малых расходах (0,2 л/сек) скорость просачивания воды по оттаиваемым породам небольшая, вследствие чего вода больше охлаждается, и кривые изменения температур потока имеют вид, изображенный на рис. 150 (левая игла). Например, при выходе воды из наконечника с температурой 10° С водный поток, перемещающийся вдоль мерзлой поверхности, имеет температуру 4—5° С, благодаря чему в верхний талый слой поступает вода с температурой от 4 до 7° С, т. е. в среднем 5,5° С. При больших расходах (0,6—1,5 л/сек) скорость просачивания воды, возрастает, в талой толще появляются промоины, вследствие чего вода не успевает охлаждаться, и температура изливающейся воды повышается до 7—9° С. Таким образом, при малых расходах использование тепла, приносимого водой, возрастает, но оттаивание пород замедляется, а с увеличением расходов наоборот. На использование тепла и образование промоин оказывает влияние коэффициент фильтрации пород, поэтому для оттайки речников при больших коэффициентах фильтрации допускают большие расходы воды, а в глинистых породах имеет смысл снижать расход воды до наименьших значений. Температура сбрасываемой воды изменяется также по мере развития вокруг иглы талика. Поэтому коэффициент использования тепла, приносимого водой, изменяется на протяжении всего времени от погружения иглы до полного оттаивания окружающих пород.

Количество, воды, которое вытекает из иглы, зависит от напора в разводящем водопроводе, от вредных сопротивлений при прохождении потока через иглу и при просачивании воды через талые породы. Этот расход можно уменьшать, перекрывая разводящий водопровод задвижкой и уменьшая этим напор у иглы. Взаимозависимость между напором P и расходом воды у иглы определяется по уравнению

где H — глубина погружения игл, м;

b — радиус талых пород, образующихся около иглы при оттайке, м;

r = 0,1 Vb — радиус талого - источника питания, образующегося при погружении иглы, м;

Qb — расход воды через иглу, м3/ч;

k — коэффициент фильтрации талых пород, м/ч;

e — коэффициент потерь напора: для иглы длиной 10 м с внутренним диаметром 24 мм и с коронкой, имеющей осевое отверстие при расходе воды, выраженном в м3/ч, e = 0,9, а при коронке с боковыми отверстиями e = 1,6.

Коэффициент потерь напора

где g = 9,81*0,13*10в8 м/ч2;

fи — среднее сечение системы игла — шланг, ма;

1 + Ее — суммарный коэффициент потерь напора (в указанных выше условиях он равен 62,8).

На рис. 151 изображены кривые изменения расхода воды через иглу по мере оттайки окружающих пород. Эти кривые рассчитаны по предыдущему уравнению для определенных условий — эталона модели, для которых принято: H = 10 м; k = 1,5 м/ч, условный диаметр иглы 0,025 м, при этом не учитывалось засорение пор оттаиваемых пород твердым осадком. Видно, что расход возрастает только вначале при радиусе талика до 2 м, а затем увеличивается весьма мало.

После прекращения подачи воды температура в оттаянных породах выравнивается, и при значительном накоплении в них тепла в течение 2—3 месяцев до поздней осени происходит медленное оттаивание нижележащих песков. Этот избыток тепла необходим и используется для полного оттаивания пород на плотике.
Основные положения по расчету игловой оттайки

Породы, которые не будут отработаны драгой летом, необходимо оттаивать ниже плотика, поскольку зимой породы промерзают и снизу. Оттаивание таких площадей следует вести с таким расчетом, чтобы к весне граница мерзлых пород не поднялась выше плотика. Для этого приходится в оттаиваемой породе создавать дополнительный излишний запас тепла и рассчитывать средний нагрев ее не менее чем до 2—2,5° С.

Для оттаивания единицы объема породы затрачивается различное количество тепла, главным образом в зависимости от льдистости мерзлоты. Это объясняется практически постоянной и малой величиной удельной теплоемкости твердой части пород. Основное тепло при оттайке мерзлых пород затрачивают на скрытую теплоту плавления льда, а также на нагрев льда до нуля и нагрев воды до необходимой положительной температуры.

Удельные теплоемкости твердой части пород, льда и воды различны, поэтому при определении тепла, необходимого для оттаивания породы, приходится по отдельности подсчитывать весовые их количества, находящиеся в плотном теле 1 м3 мерзлых пород.

Вес твердой сухой части мерзлых пород qт определяют по уравнению

где у — объемный вес мерзлой породы в твердом теле, т/м3;

вв — коэффициент влажности мерзлых пород.

Количество тепла для нагрева твердой сухой k1 части пород определяют по уравнению

где c1 = 0,18—0,22 ккал/кг*град — удельная теплоемкость твердой части мерзлоты;

v, vм — соответственно необходимая температура нагрева пород и температура мерзлых пород до оттаивания (т. е. ниже нуля и в уравнении ставится со знаком минус), град.

Общее количество тепла, нужное для нагрева 1 м3 мерзлых пород до заданной положительной температуры, равно сумме расхода тепла на нагрев: твердой части пород, Льда до 0° С, скрытой теплоты плавления льда и нагрева воды. Общее количество тепла определяют с учетом коэффициента запаса е, который учитывает нагрев плотика. Этот коэффициент е = 1,01—1,02.

С уменьшением разности температур воды и мерзлой породы процесс теплопередачи замедляется. Вследствие этого температура отработанной воды только в 1,5—2,5 раза ниже поступающей в иглу. Во время оттайки мерзлых пород часть тепла расходуется на оттайку плотика и части пород за границей промышленной россыпи. Имеются также и другие потери тепла. По этим причинам на оттайку единицы мерзлых пород расходуется значительно большее количество тепла, чем это вытекает из теоретических расчетов.

Коэффициент использования тепла при оттайке n может быть определен по-разному. Так, в работе коэффициент понимается как отношение части приносимого водой тепла, используемого при оттаивании, к теплу, которое может быть передано водой при ее охлаждении до нуля. Для такой трактовки т| справедливо уравнение (162а). В этом случае коэффициент использования не учитывает тепло, затрачиваемое на нагрев плотика и боковых пород, а наравне с этим в него включено тепло, которое может быть выделено при охлаждении воды ниже необходимой температуры нагрева пород и которое не может быть использовано:

где vи, vсб — соответственно температура воды, которая подводится к игле и сбрасывается после оттайки, град;

v — температура, необходимая для нагрева мерзлых пород, град;

К = k1 + k2 + k3 + k4 — теоретическое количество тепла, необходимое для нагрева 1 м3 мерзлых пород до заданной положительной температуры, ккал; где k2 — тепло на нагрев льда до O0 С;

k3 — тепло на скрытую теплоту плавления льда;

k4 — тепло на нагрев воды;

св— удельная теплоемкость речной воды, ккал/кг*град;

a — количество воды, которое необходимо затратить в действительности для оттаивания 1 м3 мерзлых пород, м3.

В уравнении (162б) коэффициент n понимается как отношение тепла, используемого для оттайки, к теплу, которое может быть передано подведенной водой при ее охлаждении до заданной температуры нагрева мерзлой породы.

Уравнение (162в) выражает этот коэффициент как отношение тепла, необходимого для нагрева мерзлой породы от определенной отрицательной температуры до нужной положительной, к теплу, которое может быть передано подведенной водой при ее охлаждении до заданной температуры нагрева мерзлых пород. В последнем случае коэффициентом использования тепла учитываются потери тепла на нагрев окружающего пространства пород, в том числе и на оттайку боковых пород, но он определяется относительно тепла, которое возможно использовать только теоретически. Имеются и другие трактовки n, например при замене в уравнении (162в) величины v на vсб.

Коэффициент использования тепла изменяется в больших пределах даже при оттайке пород одной и той же россыпи. Подробных наблюдений над использованием тепла, отдаваемого водой мерзлоте для ее нагрева до положительной температуры, не проводилось, поэтому коэффициент использования тепла может быть установлен приближенно. По отдельным наблюдениям, этот коэффициент составляет 0,2—0,6, а летом обычно 0,4—0,5.

При установлении коэффициента использования тепла наиболее удобно пользоваться данными, полученными на основании теоретических расчетов изменения температурного и гидродинамического давления в поле фильтрационного потока (рис. 152) для определенного эталона-модели. Сплошные кривые показывают изменение n в зависимости от расхода воды через иглу Qи в м3/ч и радиуса талика b, м, причем данные рассчитаны для H = 10 м, k = 1,5 м/ч, P = 20 м. Пунктирные кривые изображают изменение n в зависимости от глубины погружения игл для определенных расходов воды и размеров талика, при этом приняты P = 20 м, k = 1,5 м/ч. Кривые, изображенные точками, показывают изменение n в зависимости от радиуса талика и напора воды в разводящем водопроводе; при построении принято H = 10 м, k = 1,5 м/ч. С помощью этих кривых можно установить коэффициент использования тепла для различных условий оттайки и выявить влияние отдельных данных на его величину.

Средняя температура воды в оттаиваемых породах и температура сбрасываемой воды в зависимости от коэффициента использования тепла определяются по уравнениям:

где vc — средняя температура воды в оттаиваемых породах, град.

Удельный расход воды для оттайки пород определяется по уравнению (162 в). Если n подсчитывается по уравнению (162 а), то его увеличивают на величину потерь тепла, вызванных нагревом боковых пород, принимая потери 1—2% теоретического расхода.

Время оттаивания пород около иглы Tот в сутках, включая осадку и выдержку при непрерывной подаче воды, определяют по уравнению

где W — объем породы, оттаиваемой иглой, м3;

Qи — секундный расход воды у иглы, м3/ч.