автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование автотерминирующего разрушения поверхности мерзлых глинистых пород в водной среде

F Г 6 ОД

- 'i CHI 1-3

российская акадежя наук

ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА СЕВЕРА

на правах рукописи

ВЫЧУЖИН ТИМОФЕЙ АЛЬБЕРТОВИЧ

УДК 622.236.732:622.753+551.1.053

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОТЕРМИНИРУЩЕГО РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕРЗЛЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Специальности 05.15.11- Физические процессы горного производства. 04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: доктг. техн. наук., проф. В.Ю. Изаксон

ЯКУТСК-1993

Работа выполнена в Институте горного дела Севера СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Ю.Изаксон

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

Ведущее предприятие - Институт Якутзолотопроект

Защита состоится октября 1993 г. в/£ часов на

заседании специализированного совета К. 003.44.01 по

присуждению ученой степени кандидата наук в Институте

горного дела Севера СО РАН по адресу: 677007, г.Якутск, ул.Кулаковского 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГД Севера СО РАН

наук Г.З.Перлыитейн, кандидат технических наук С.М.Захарова

Автореферат разослан

Ученый секретарь рованного Совета

В.Ю.Изаксон

Работа посвящена исследованию эффекта ' автотерминации (самопрекращения) при разрушении мерзлых глинистых пород в водной среде, выявлению и объяснению его особенностей и механизма.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ "

Актуальность темы. Доминирующим способом разработки россыпных месторождений на Северо-Востоке России является открытый. Удельный вес открытых горных работ составляет почти 90Я». Из этого обьема 4-5!? приходится на гидравлический способ, несмотря на то, что он выгодно отличается от других способов.

Главное отличие его заключается в том, что он объединяет в непрерывный' технологический цикл основные операции по добыче полезных ископаемых - водно-тепловую подготовку мерзлых пород, вскрышные работы, добычу и предварительное обогащение песков. Совмещение операций подготовки песков к выемке и добычи позволяет снизитиь затраты на разработку месторождений, так как затраты на эти работы на предприятиях Северо-Востока составляют от 20 до 60% общей стоимости разработки горной массы.

Более широкое применение гидравлического способа на территории распространения многолетнемерзлых горных пород сдерживается слабой изученностью физических процессов, на которых основана технология гидроразработки мерзлых пород, и нестабильностью полученных технико-экономических показателей применявшихся технологических схем гидравлического способа.

При исследовании термоэрозионных процессов в области распространения многолетнемерзлых пород недостаточное внимание уделяется физическим процессам, возникающим в мерзлой породе под воздействием воды, что не позволяет объяснить более интенсивный размыв мерзлых пород, чем талых, несмотря на то, что механическая прочность первых всегда выше.

Таким обраеом, изучение механизма разрушения мерзлых дисперсных пород под воздействием водной среды, как теплоносителя и фактора вызывающего разрушение, является актуальной научной задачей, решение которой позволит сформулировать инженерно-технические принципы проектирования гидравлических способов разработки мерзлых россыпей, учитывающих особенности их строения и залегания, и разработать, мероприятия, направленные на защиту территорий, сложенных

многолетнемерзлыми породами, от термозрозиотршх процессов.

Цель работы - исследование эффекта автотерминации при разрушении мерзлых глинистых пород в водной среде и объяснение его механизма (автотерминация - самопрекращение).

Идея работы (гипотеза) заключается в том, что разрушение мерзлых глинистых пород, под воздействием воды, происходит по неизвестному ранее автотерминирующему механизму, проявляющегося при определенных условиях, на образование которого существенное влияние оказывает коэффициет линейного' расширения породы, меняющий свой знак вблизи 0°С.

Задачи исследований;

- разработать методику и провести исследования по разрушению мерзлых глинистых пород в водной среде;

- установить зависимость параметров разрушения мерзлых дисперсных пород от их физико-механических свойств;

- определить оптимальные соотношения параметров и факторов, при которых автотерминирующее разрушение происходит наиболее эффективно;

- исследовать динамику температурного поля в образцах мерзлых глинистых пород при их контакте с водной средой;

- исследовать коэффициент линейного расширения мерзлых дисперсных пород вблизи 0°С;

• - выдать рекомендации к технологическим схемам гидравлической разработки многолетнемерзлых отложений.

Методы. исследований включают анализ и обобщение литературных данных, проведение лабораторного эксперимента, физическое моделирование процесса теплообмена, обработку •кспериментальных данных с привлечением методов математической статистики.

Основные научные положения, защищаемые в работе сводятся к следующему:

- разрушение мерзлых глинистых пород в водной среде при отсутствии сноса оттаявших частиц автотерминируетея;

- интенсивность разрушения поверхности мерзлых пород,- у которых зависимость коэффициента линейного расширения от температуры при ее увеличении имеет аномалию - смену знака при температурах, близких к 0°С - выше, чем талых;

- коэффициент линейного расширения мерзлого образца при его взаимодействии с водной средой становится отрицательным, в результате чего на поверхности образца возникают растягивающие

4

деформации, которые вызывают образование сетки трещин-капилляров треугольного сечения с раскрытием устья. Образование капилляров в образце сопровождается проникновением в них воды с большой скоростью (во-первых, в капиллярах вакуум; во-вторых, свежеобразованная поверхность гидрофильна; в-третьих, капилляры имеют треугольное сечение), вызывающим , микроудары, кавитацию, воздействующие на стенки капилляров и выбрасывающие из него разрушенный материал.

Достоверность научных положений, выводов и результатов, полученных в . диссертационной работе, обеспечивается большим объемом статистически обработанных экспериментальных данных, хорошей сходимостью теоретических - и . вкспариментальных зависимостей, не противоречием основных следствий из гипотезы о механизме разрушения данным, опубликованными в литературе.

Научное значение работы состоит в том, что в ней развиты представления о механизме разрушения мерзлых дисперсных пород под воздействием водной среды, как теплоносителя и фактора, вызывающего разрушение.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты выполненных исследований могут быть использованы - для интенсификации процессов разрушения при гидравлической разработке россыпных месторождений, создании подземных полостей методом скважинной гидроразработки, разработки мероприятий, направленных на защиту территорий, сложенных многолетнемерзлыми породам^, от термоэрозионных процессов и позволят строго сформулировать научно-технические принципы проектирования гидравлических способов разработки мерзлых россыпей.

Апробация. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы 'докладывались на X Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов " Физические процессы горного производства".(Москва, 1991), научных семинарах лаборатории геомеханики многолетнемерзлых горнОК пород и на ученых советах ИГДС СО РАН (1990-1993 гг.).'

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи, подана одна заявка на предполагаемое изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и содержит 134 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 7 таблиц й списка литературы

из 98 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе содержится обзор современных представлений о термоэрозии, термоабразии, размкваемости и размокаемости мерзлых дисперсных пород.

Исследованию термоэрозионных процессов в области многолетней мерзлоты посвящены работы Ф.Э. Арэ, В.К. Данько, Э.Д. Ершова, Э.З. Кучукова, С.С. Коржуева, М.С. Кузнецова, Г.С. Константиновой, И.П. Константинова, М.Д. Малиновского, Г.З. Перлыптейна, И.И. Шамановой и др. Они направлены на изучение теплового взаимодействия мерзлой породы с водным потоком, взаимосвязи термоерозионных процессов с дисперсностью мерзлых грунтов, их химико-минеральным составом, физико-химическими и механическими свойствами, закономерностей формирования склонового стока и влияния стокоформирующих факторов и гидравлических параметров водотоков на термоэрозию грунтов.

В результате обзора литературных источников по термоэрозионным процессам в многолетнемерзлых породах установлено, что имеющиеся данные в литературе крайне отрывочны, разрознены и, главное, не имеют экспериментального подтверждения. Основные результаты заключаются в том, что наличие многолетнемерзлых пород не только не препятствует развитию процессов эрозии, но во многих случаях усиливает их, несмотря на то, что механическая прочность мерзлых пород всегда выше, чем талых. Тепловая роль водных потоков имеет первостепенное значение, а водоток, вызывающий термоэрозию соприкасается не с мерзлыми, а с оттаивающими породами. Важным фактором проявления.термоэрозии в природных условиях является нарушение растительного покрова, вызванное как криогенными процессами, так и техногенным воздействием.

Вопросами взаимодействия водных потоков с мерзлыми породами занимаются также в связи разработкой россыпных месторождений на Северо-Востоке России. Большой вклад в изучение этого вопроса внесли Н.П. Лавров, Г.З. Перльштейн, В.К. Самышин, Е.Д. Саввин и др., труды которых являются научно обоснованной базой разработки россыпных месторождений криолитозоны гидравлическим способом.

Исследования гидроразмыва мерзлых дисперсных отложений

проводились с целью выявления возможности эффективного применения гидравлического способа разработки многолетнемерзлых россыпей. Результаты исследований показали, что режим размыва должен обеспечивать достаточно сильное тепловое воздействие атмосферы и воды на мерзлый массив и рациональное использование размывающей и транспортирующей способности водного потока. Для практической реализации данного режима была разработана количественная теория теплового взаимодействия потока воды с атмосферой и подстилающими породами, изучена интенсивность размыва в зависимости от гидродинамических характеристик потока и свойств пород.

Общим недостатком исследований, направленных на изучение размываемости мерзлых грунтов и существующих представлений о поведении мерзлых пород под воздействием воды является то, что на их основании не представляется .возможным определить, что происходит в мерзлой породе под воздействием водной среды. Не имея представления о процессах, возникающих в мерзлых породах под воздействием водной среды, невозможно объяснить факт более интенсивного размыва мерзлых пород, чем талых.

По нашему мнению, в некоторых случаях разрушение мерзлых глинистых пород под воздействием воды происходит по неизвестному механизму, проявляющегося в определенных условиях и связанного с температурными деформациями.

Во-второй главе приведены результаты экспериментальных исследований разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде, в которых этот механизм проявился.

Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. С целью создания одинаковых условий промерзания и получения одинаковых криогенных текстур для всех экспериментов образцы замораживались при температуре -10°С, а затем выдерживались при заданной температуре -3, -5, -7, -10°С в холодильной камере. Образцы считались готовыми к эксперименту после нахождения их при фиксированной температуре не менее 4 часов. Контроль за температурой образцов в холодильной камере осуществлялся при помощи образца, в котором была установлена термопара. После достижения необходимой температуры образец сначала извлекался и холодильника, а затем из формы и помещался экспериментальную установку, заполненной водой с заданной температурой 3, 5, 7, 10, 15°С. Схема экспериментальной установки позволяла контролировать массу разрушенной породы в различные промежутки

времени.

Разрушение мерзлых глинистых пород в водной среде подчинялось следующей закономерности. После контакта мерзлого образца с водой происходило его разрушение с выделением мелкой фракции. Начало разрушения зависело от температур воды и образца. При температурах близких к 0°С разрушение начиналось сразу-же после контакта мерзлого образца с водой. При больших отрицательных температурах - после некоторого времени. Интенсивность разрушения на начальном этапе процесса увеличивалась, а затем начинала уменьшаться и при появлении протаявшего слоя процесс затухал. Типичный результат представлен на рис.1.

разрушения от времени ('«-0,29; То=-30С)

Параллельно исследовалось разрушение талых образцов,, при котором эффекта автотерминации не наблюдалось.

Автотерминирующее разрушение мерзлых образцов наблюдалось при их влажности больше 0,22, соотвествующей нижнему пределу пластичности. При меньшей влажности автотерминации процесса разрушения не наблюдалось; процесс разрушения, начавшись вслед за помещением образца в воду, продолжался до тех пор, пока вся

масса образца не дезинтегрировалась. Следует отметить важную особенность. При влажности большей 0,22 разрушенный материал визуально оценивается как мелкие фракции исходного материала (при четырехкратном увеличении выглядит как тонкодисперсная однородная пыль). При меньшей влажности заметны агрегаты и крупные фракции материала.

Важными показателями процесса автотерминирующего разрушения являются время Г0, за которое достигается максимальная скорость разрушения, и общее количество разрушенной породы I. ■

Прежде всего отметим кратковременность автотерминирующего разрушения. Согласно рис.1, длительность его составляет приблизительно 2,8то. Установлено, что время Т0 уменьшается при увеличении температуры воды, его значения минимальны при влажностях 0,25 и 0,29 (рис.2). Общее количество разрушенной породы (рис.3) уменьшается с увеличением температуры воды, увеличивается при росте влажности и почти не зависит от температуры образцов.

Из существующих объяснений механизма разрушения автотерминацию данного процесса можно объяснить только образованием термонапряжений, поскольку они существенны, пока градиент температуры у поверхности образца велик. Однако тогда бы интенсивность разрушения была тем больше, чем больше температурный напор. Да и разрушение должно происходить тогда агрегатами, а не мелкой фракцией. Этого не наблюдается в проведенных экспериментах.

Гипотеза капиллярного давления не объясняет автотерминации и роста интенсивности разрушения при увеличении льдистоети.

Представление о гидратации, как проникновении воды внутрь 4 образца по имеющимся каналам, которая способствует росту гидратных оболочек и приводит к разрушению связей между частицами, не объясняет автотерминации процесса, увеличения его интенсивности при уменьшении температуры воды и наличии минимумов зависимостей параметров от температуры и влажности.

По нашему мнению, все это должно объясняться каким-либо неожиданным свойством мерзлой глинистой породы, отвечающим за протекание поверхностных процессов при помещении ее в . водную среду.

В третьей главе изложена гипотеза о причинах автотерминации разрешения мерзлых глинистых пород, в водной

Рис.2. Зависимость времени I от влажности и . температуры вода ^ (То=-10°С)

1.Г -

Рис.3. Зависимость общего количества дезинтегрировавшейся массы I от температуры воды и влажности (То=-10°С)

среде.

Причиной автотерминации разрушения, мы считаем замеченную некоторыми исследователями аномалию зависимости коэффициента линейного расширения мерзлых дисперсных пород от температуры. Например, Е.П. Шушерина, В.Н. ■ Зайцев установили, что при нагревании тонкодасперсных пород коэффициент линейного расширения при "температуре 0 < Т <-2...-4°С принимает отрицательные значения.

Если же при некоторой температуре Т* коэффициент а меняет знак, то возникающие растягивающие деформации на изотерме Т при

нагревании от Т определятся по формуле

т т* т

£ = Г в а? —Г в ат + Г |а &Т =-(т^-то)+1«а| (Т-Т^) (1) о

где: Т,- температура, при которой коэффициент линейного расширения меняет знак; а , а - коэффициенты линейного расширения, соответственно, при Т < Т* и Т > Т*.

Обозначим температуру, при которой деформации (и соотвественно напряжение) равна нулю:

а (Т - Т )

Т = —------^ + Т* (2)

1 I «а1

При нагревании поверхности до температуры фазового

перехода Т* > Т возникают следующие моменты.

* 1

1. Движение фазового фронта приостанавливается, так как влажность велика, и происходит поглощение тепла при таянии льда.

2. Образуются растягивающие деформации, максимум которых расположен на поверхности, распространяющиеся и убывающие до глубины Ь, на которой находится изотерма Т4 :

¿о = -«С т# - Т0) + |«2|( тф - V (3)

3. Поскольку прочность породы при Т = Тф близка к нулю, возникновение растягивающих деформаций приведет к образованию сетки трещин - капилляров треугольного' сечения с раскрытием устья:

2 Н = £0 1 (4)

где 1 - расстояние между капиллярами.

4. Образование капилляров в образце, поверхность которого

1Г

контактирует с водой, будет сопровождаться проникновением в них вода с большой скоростью (во-первых, в капиллярах вакуум; во-вторых, свежеобразованная поверхность гидрофильна; в-третьих, капилляры треугольного сечения). Этот процесс должен сопровождаться микроударами, кавитацией, разрушающими стенки капилляра, с выбросом из него разрушенного материала.

Заметим, что начало разрушения по этой гипотезе должно начинаться, когда поверхность образца нагреется до температуры Т , что объясняет запаздывание начала разрушения при уменьшении температуры воды.

Дальнейшее поведение образца в водной среде зависит от его влажности.

Если влажность выше нижнего предела предела пластичности Я?0, то при протаивании межкапиллярного участка, прочность его достаточна, чтобы не обрушиться под действием собственной массы. Происходит накопление талого слоя и прекращение процесса разрушения, пока медленное проникновение влаги в породу не начинает разрушать ее по известным механизмам.

Если влажность ниже нижнего предела пластичности VI0, то при протаивании межкапиллярные участки будут разрушаться под действием собственной массы с непрерывным обнажением мерзлой поверхности. Тогда наблюдаемый процесс пройдет до полного разрушения образца.

Если процесс наблюдаемого нами разрушения поверхности мерзлых глинистых образцов происходит по описанному механизму, то очевидно интенсивность его будет определяться двумя параметрами: деформацией с (формула 3), глубиной И, причем, чем больше каздый из этих параметров, тем интенсивнее процесс.

Для дальнейшего изложения нужно принять еще одну гипотезу: чем больше влажность материала, тем больше проявляется аномалия коэффициента а.

Если принять а^ 50*Ю-6 1/град., а2=-600*10~6 1/град., Т#=-3°С,~ то е0 для То=-3, -5. -7, -10°С равно, соответственно,

1,8; 1,7; 1,6; 1,45*10""^, температура Т равна, соотвественно, -3; -3.17; -3,34; -3.58 С, что объясняет практическую независимость интенсивности процесса от температуры образца.

Для оценки 11 (напомним, что это глубина, на которой находится изотерма Т в момент, когда на поверхности Т = 0°С) надо решить задачу теплообмена. Однако ясно, что эта глубина тем больше, чем меньше 1;в, что обусловливает увеличение

интенсивности процесса разрушения при уменьшении

Поскольку при больших ( VI > ) и малых влакностях (VI < И) разрушение объясняется разными механизмами (в первом случае только на стенках капилляров, а во втором и межкапиллярных участков), то это объясняет минимумы зависимостей интенсивности процесса от влажности.

Для проверки высказанной гипотезы было намечено выполнение дальнейших исследований:

а) проведение измерений температуру в образцах мерзлых пород и, . на этой .основе, математическое моделирование теплообмена в постановке Стефана. Подтверждающим гипотезу фактом будет равенство нулю температуры поверхности при г = г и одинаковость глубин протаивания или температуры поверхности при х = 2,8т:о (времени автотерминации процесса);

б) паралельное исследование разрушения поверхности образцов в водной среде и зависимости их коэффициентов линейного расширения от температуры. Подтверждающим гипотезу фактом будет отсутствие разрушений при отсутствии аномалий а и корреляция интенсивности разрушения с величиной аномального а. Имея конкретные данные об а, можно, привлекая данные математического моделирования теплообмена, организовать строгий корреляционный анализ по каждому измеряемому параметру.

Четвертая глава посвящена статистической обработке экспериментальных данных по исследованию автотерминирумцего разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде. С использованием современных методов математической статистики подтверждены основные закономерности, полученные

экспериментальными исследованиями:

- время т , за которое достигается максимальная скорость разрушения уменьшается с увеличением температуры воды, увеличивается с увеличением влажности (минимум при влажности 0,285) и практически не зависит от температуры образца;

- общее количество разрушенной породы. уменьшается с увеличением температуры воды и увеличивается с ростом влажности.

В пятой главе изложены результаты экспериментальных исследований и вычислительного эксперимента по исследованию температурных полей в образцах мерзлых глинистых пород, исследованных на их разрушение в водной среде.

Если предложенная гипотеза о причинах наблюдаемого

разрушения верна, то:

- максимальная скорость процесса будет достигаться в момент, когда на поверхности образца температура (1; ) делается равной нулю (это при т = г );

- автотёрминация процесса будет достигаться при определенной, постоянной для всех условий глубине протаивания Ь (это при X = 2.8Т0)! - * ■

- в момент автотерминации температура поверхности ('Ь2) должна быть тоже одинаковой для всех образцов.

В виду быстроты протекания' процесса разрушения и малых размеров активной зоны, прямое измерение температуры в ходе , разрушения весьма затруднительно, поэтому для проверки гипотезы было решено определять температуру на грани образца в моменты времени х -и 2,8Г0, соотвествующие максимуму интенсивности разрушения и автотерминации" процесса, путем математического

моделирования динамики температурного поля.

/

Для определения температур на поверхности образцов в различные моменты -времени была использована разработанная в лаборатории геомеханики мерзлых горных пород ИГДС математическая модель теплообмена мерзлого образца при его ' разрушении б водной среде. Для адаптации математической модели к условиям теплообмена экспериментальных образцов исследованных на разрушение, был организован специальный эксперимент по определению динамики изменения температуры, на основе которых определялись теплофизические характеристики для материала образцов. По адаптированной модели проводился вычислительный эксперимент по определению температур и 1; , соответствующих максимуму интенсивности разрушения и автотерминации процесса, и глубины Ь для всех образцов подвергнутых разрушению в водной среде.

Адаптация модели к условиям эксперимента проводилась в следующей последовательности. Для прогноза динамики температурного поля по данной модели необходимо задавать теплофизические параметры скелета породы и воды, пористость образцов и показатель X, учитывающий неоднородность моделируемого образца.

Определение пористости и плотности материала скелета устанавливалась по данным измерения плотности образца и его влажности с использованием формул

* = р = (1-ш)р + тр (5)

(1-т)рск ок в

по воем образцам. При етом сначала при заданных значениях влажности и плотности определялось среднее значение рск для всех образцов из одного материала, по которому выводилось значение пористости. Разброс значений рск не превышал 12$. Возможной причиной этого разброса является неполное насыщение пор влагой.

Далее, по известным влажности и водонасыщенности, определялись константы (ср„„, X . х) при помощи которых

С К ск

вычислялись коэффициенты теплопроводности и теплоемкости из условия совпадения результатов физического и вычислительного экспериментов.

На следующем этапе строились кривые динамики изменения температуры на грани образца, по которым определялись температуры поверхности образца в моменты времени ) и

2,8го(Ь2), соответствующие максимуму интенсивности разрушения и началу автотерминации и глубина протаивания (Ь.) при- заданных значениях влажности и начальных температур образца и воды.

В результате исследования температурных полей в образцах мерзлых глинистых пород и вычислительного эксперимента установлено:

- температура поверхности, при которой достигается максимальная скорость процесса разрушения, с вероятностью 0,95 находится в интервале -0,0б°< 1; < 0,04°С, что подтверждает гипотезу 1: = 0°;

- среднее значение глубины протаивания для всех экспериментов 11 = 1,11 мм, а ее 95% доверительный интервал 0.72мм < Ь < 1,37, что подтверждает предположение о том, что автотерминация достигается пци определенной, постоянной для

всех условий глубине протаивания;

*

- температура поверхности ^.в момент автотерминации одинакова для всех образцов, ее среднее значение 1; = 0,44°С, а ■ 95% доверительный интервал равен 1;2- 0,15 < Ъ3< 1; + 0,15, что является хорошей оценкой.

Результаты вычислительного эксперимента подтверждают гипотезу о. причинах автотерминирующего разрушения поверхностного слоя мерзлой глинистой породы в водной среде.

В шестой главе изложены результаты экспериментальных исследований коэффициентов. линейного расширения мерзлых глинистых пород. Анализ экспериментальных данных, представленных в обзоре литературных источников, показывает большое разнообразие значений коэффициента температурного расширения мерзлых дисперсных пород:

- коэффициент температурного расширения мерзлых дисперсных пород (а=1б000*10~^град~1) невероятно много превышает коэффициенты температурного расширения слагающих его компонентов. В отдельных случаях, при температурах близких к 0°С коэффициент а для глинистых пород может принимать отрицательные значения (а=-14400*10~^град~1);

- максимальное абсолютное отрицательное значение коэффициента температурного расширения а имеют образцы .с.высоким содержанием' глинистых частиц с массивной криогенной текстурой;

- знак температурной линейной деформации (сокращение или расширение) зависит от влажности и гранулометрического состава мерзлого грунта. Например, каолиновая глина при влажности 0,22 и 0,29 при понижении температуры от 0° до -2°С, резко сокращается в обьеме, а при влажности 0,37 в том же диапазоне температур - расширяется. Супесь ведет себя по разному, по всей видимости из-за различного состава и содержания глинистых частиц;

- стабилизация температурных деформаций в мерзлых дисперсных породах происходит довольно медленно, в течении нескольких суток, а иногда двух-трех месяцев после того, как температура в образцах мерзлых пород стабилизировалась.

Экспериментальные исследования коэффициента линейного расширения мерзлых дисперсных пород проводились по методике С.Е. Гречицева, разработанной на кафедре мерзлотоведения МГУ. В результате исследования коэффициента линейного расширения мерзлых дисперсных пород в диапазоне О ...-10°С установлено:

- коэффициент линейного расширения мерзлых глинистых пород, исследованных на'их разрушение °в водной среде, принимает отрицательные значения в интервале температур 0,5°...-2°С (рис.4);

- максимальное отрицательное значение коэффициента « мерзлого каолинового суглинка составляет -20000*10 1/град.;

- при повышении средней температуры коэффициент а увеличивается и при температуре -2°С принимает отрицательные

-1000 -•

-гооо -•

Рис.4. Зависимость коэффициента линейного

расширения мерзлых глинистых пород от температуры при влажности: для суглинков 1- 0,19; 2- 0,22; 3- 0,24; 4- 0,268; 5- 0,286; 6- 0,335; для глин 7- 0,343; 8- 0,381

-3000 ■■

-то

значения. Таким образом, предположение о том, . что у исследованных образцов коэффициент линейного расширения принимает отрицательные значения подтвердилось. Наличие отрицательных значений коэффициента линейного ,расширения у каолинового суглинка подтверждает гипотезу о причинах автотерминирующего разрушения поверхностного слоя глинистой породы в водной среде, главе, на основании анализа существующих технологических'схем гидравлического способа разработки мерзлых дисперсных отложений и результатов экспериментальных исследований автотерминирующего разрушения мерзлых пород в

-вооо ■ ■

-8000 \ ■ 5 -10000 - ■

-15000 --ЯШ?- ■

седьмой

водной среде рекомендована схема с безнапорным смывом, обеспечивающая полное удаление оттаивающих и разрушенных пород и непрерывное обнажение мерзлой поверхности, при которой разрушение мерзлых глинистых пород происходит по неизвестному ранее механизму без автотерминации процесса. Это достигается при реализации схемы с проведением транспортных канав, когда забоем служит вся поверхность полигона и вертикальные стенки канавы. Производительность гидравлического способа разработки мерзлых глинистых отложений при этом, в зависимости от температур воды и пород, может достигать 0,01—0,05 м/ч без учета механической энергии водного потока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научной задачи исследования автотерминирующего механизма разрушения мерзлой глинистой породы, проявляющегося в определенных условиях и объясняющего ее более интенсивное разрушение, чем талой. Решение этой задачи имеет важное значение для управления и интенсификации процессов при производстве горных работ, связанных с разрушением мерзлых дисперсных материалов под воздействием водной среды, выбора способа гидравлической разработки россыпныхч месторождений и борьбе с термоэрозионными процессами в области многолетней мерзлоты.

Основные результаты проведенных исследований, выполненных в рамках задач,, поставленных в данной работе заключаются в следующем.

1. Рассмотрены работы, касающие проблемы размываемости мерзлых пород, состоящей из термоабразии, термоэрозии, размокаемости и гидравлической разработки мерзлых дисперсных пород, в которых показано, что отмечаются случаи, когда разрушаемость мерзлых пород выше разрушаемости талых.

2. Разработана методика экспериментальных исследований и исследован процесс автотерминирующего разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде.

3. Установлено, что скорость процесса на начальном этапе разрушения увеличивается, а затем начинает уменьшаться и при появлении протаявшего слоя процесс автотерминируется. Максимальная скорость автотерминирующего разрушения в процессе опытов составляла 0,01...0,05 м3/м2ч. Интенсивность разрушения уменьшается с увеличением температуры воды и увеличивается с

ростом влажности. Основные закономерности процесса разрушения подтверждены статистической обработкой экспериментальных данных.

4. Высказана гипотеза о том, что причиной автотерминирующего разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде является наличие у них отрицательных значений коэффициента линейного расширения, которая объясняет более интенсивное разрушение мерзлых пород, чем талых.

5. Вычислительный эксперимент подтвердил предположения о том, что температура поверхности, при которой достигается максимальная скорость разрушения, находится в интервале температур -0,06 < 0,04°С. и то, что автотерминация процесса достигается при определенной, постоянной для всех условий глубине протаивания (среднее значение К = 1,11мм) и одинаковой температуре поверхности образцов (среднее значение Ъ3= 0,44°С). Это, -в свою очередь, доказывает высказанную гипотезу о причинах автотерминирующего разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде.

6. Получены отрицательные значения коэффициента линейного расширения мерзлых дисперсных пород исследованных на ^их разрушение в водной среде, что доказывает гипотезу о причинах автотерминирующего разрушения.

7. Установлено, что разрушение мерзлых глинистых пород в водной среде происходит по следующим этапам:

- при взаимодействии мерзлого образца с водной средой, коэффициент линейного расширения грунта меняет свой знак (становится отрицательным), в результате чего на поверхности образца возникают растягивающие деформации, максимум которых расположен на поверхности;

- поскольку прочность контактного слоя близка к нулю, то наличие растягивающих деформаций приводит к образованию сетки трещин-капилляров треугольного сечения с раскрытием устья;

- образование капилляров в образце, поверхность которого контактирует с водой, сопровождается проникновением в них воды с большой скоростью (во-первых, в капиллярах вакуум; во-вторых, свежеобразованная поверхность гидрофильна; в-третьих, капилляры треугольного сечения). Этот процесс сопровождается микроударами, кавитацией, разрушающими стенки капилляров, с выбросом из него разрушенного материала.

8. Рекомендована технологическая схема гидравлической

19

разработки мелкодисперсных льдистых отложений с безнапорным смывом обеспечивающая разрушение мерзлых пород по автотерминирующему механизму.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Особенности разрушения мерзлых дисперсных пород при их взаимодействии с водой //Физико-технические проблемы освоения месторождений Севера. Сб. науч. трудов ЯГУ, Якутск, 1992.

2. Эффект автотерминирующего разрушения в водной среде поверхностного слоя мерзлых глинистых пород //Препринт.-Якутск: ЯНЦ СО АН СССР, 1990.- 40 с.(соавторы Изаксон В.Ю., Самохин A.B., Яковлев В.Л.).

3. Влияние гранулометрического состава, температуры воды и высокоглинистой мерзлой дисперсной горной породы на параметры автотерминирующего разрушения ее поверхности при контакте »с водой //Тезисы докладов X Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические процессы горного производства", М., 1991,_ 238 е., (соавторы Изаксон В.Ю., Самохин A.B., Яковлев В.Л.).

4. 0 коэффициентах линейного расширения промерзающих грунтов //ФТПРПИ - 1993•- N 1. (соавторы Мордовской С.Д.,