Объекты, предмет и задачи горной теплофизики

Объектом изучения в горной теплофизике являются горные породы и их массивы с полостями, трещинами и движущимися по ним жидкостями и газами, рассматриваемые как термодинамические системы. Эти гомогенные и гетерогенные системы характеризуются интенсивными (давление, температура) и экстенсивными (объем, теплоемкость, масса) параметрами состояния. При воздействии на них различных источников энергии состояние таких систем определяется их внутренней энергией, произведенной внешней работой, выделенной или поглощенной теплотой фазовых переходов и химических реакций и параметрами тепломассопереноса в самих системах и при их взаимодействии с окружающей средой.
Предметом изучения в горной теплофизике являются процессы генерирования, распространения, аккумуляции и преобразования в другие виды энергии теплоты естественных и искусственных источников, а также различные температурные эффекты и явления в горных породах и их массивах, в горных выработках, подземных сооружениях и скважинах при разработке месторождений полезных ископаемых и других работах, связанных с освоением природных ресурсов и использованием недр.
Целевая задача горной теплофизики состоит в прогнозировании тепловых эффектов и изменений термодинамических параметров состояния ее объектов при разного рода техногенных воздействиях с использованием полученной информации при управлении этими эффектами и изменениями для обеспечения безопасности соответствующих технологических процессов и их оптимизации по экономическим и экологическим критериям.
Методологические особенности горной теплофизики вытекают из ее прикладной направленности. Аппарат математической физики, термодинамики, математической статистики и теории подобия используется для создания возможно более полной и корректной физической модели изучаемого процесса или явления. He менее важным является и последующий этап - обоснованное упрощение этой модели с привлечением экспериментальных материалов, физического и численного моделирования применительно к поставленной технической задаче для получения количественного выражения закономерности в виде, пригодном для инженерного использования. Наконец, совершенно обязательной является оценка последствия такого упрощения, обоснование области применения полученных зависимостей и решений, их сопоставление с экспериментальными данными и известными ранее расчетными методами для установления условий их допустимого для практических целей применения.
Взаимосвязи с другими науками обусловлены характером объектов горной теплофизики, ее предмета и задач. Как и все науки о Земле, в том числе цикл горных наук, к которому она относится, горная теплофизика базируется прежде всего на геологической информации об изучаемых объектах. Вещественный состав и геологическое строение месторождений или иных участков недр, их гидрогеологические условия, поле гравитационно-тектонических напряжений, геотемпе-ратурное поле и газовый режим - от полноты и достоверности этой разносторонней исходной информации об объекте горно-теплофизических исследований зависит не только их конкретное содержание, но и достоверность полученных закономерностей или иных итоговых результатов.
Самым естественным образом горная теплофизика связана со всеми остальными горными породами. На этапе формирования исходной информации о геометрических и энергетических характеристиках объектов и обоснования конкретных задач изучения процессов тепломассопереноса в этих объектах, а также при упрощении их строгих физических моделей определенную роль играет сама технология разработки месторождений, бурения скважин и подземного строительства. При изучении тепловых процессов и явлений неизбежно обращение к информационному фонду физики горных пород, разрушения горных пород, рудничной аэрологии, подземной газодинамики, аэродинамики и горной геомеханики.
Особое значение и сложность имеют сопряженные термо-, гидро- и геомеханические задачи, в которых температура, давление и другие параметры обусловлены взаимодействием разных по природе процессов и, следовательно, могут быть определены лишь при совместном использовании расчетного аппарата разных горных наук. Примером могут служить условия геотермального гидроразрыва или условия захоронения радиоактивных отходов и функционирования подземных «саркофагов».
Можно отметить также, что при управлении процессами тепломассопереноса, изменением соответствующих технологических параметров и их системной оптимизации на основе методов экономико-математического моделирования теплофизические зависимости становятся частью моделей функционирования природно-технологических проблем. Это предъявляет к указанным зависимостям дополнительные требования, обусловленные компьютерным методом реализации этих оптимизационных задач, а горная теплофизика «контактирует» здесь с горной экономикой, обосновывающей частные и глобальные критерии такой оптимизации.
Наконец, уместно подчеркнуть и совершенно очевидную связь - методы исследований и закономерности процессов тепломассопереноса в земных недрах, установленные в горной теплофизике, конечно же, опираются на принципы, методы и общие законы теплофизики.