Основные положения и история развития горной теплофизики

Горная теплофизика - совокупность знаний о тепловых процессах и явлениях, развивающихся в горных породах, их массивах и горных выработках при освоении минеральных и других природных ресурсов земных недр.
Горная теплофизика является составной частью горного недроведения в системе горных наук и имеет непосредственную связь с разделами физики (термодинамика, кинетическая теория, статистическая механика и др.), разделами геофизики (геотермия), геологическими и другими горными науками.
Поскольку теплофизика есть учение о переносе энергии и массы, явления тепломассопереноса выступают в качестве причин, содержания или следствий практически любых природных и техногенных процессов материального мира. Теплофизика и термодинамика представляют собой научный фундамент энергетики, определяют эффективность и надежность любых теплоэнергетических и теплотехнических систем, измерительных комплексов, транспортных средств, процессов металлургического производства, химической технологии, пищевой промышленности и строительства. Закономерности тепломассопереноса играют важную роль в агрофизике, гидрологии, физике атмосферы и метеорологии и особенно в мерзлотоведении, гляциологии, геотермии, вулканологии, минералогении и других науках о Земле.
Освоение всего комплекса природных ресурсов земных недр, относящееся к компетенции горных наук, связано с созданием и функционированием горных природно-технологических систем: карьеров, шахт, рудников, промыслов, скважин и различных подземных сооружений. При огромном разнообразии характеристик такого рода систем условия развития в них процессов тепломассопереноса отличаются некоторыми общими особенностями. Важнейшей из них является нестационарный характер теплообмена элементов инженерных сооружений с неограниченным или полуограниченным породным массивом при различных, а нередко и переменных условиях на естественных или искусственных границах раздела сред и фронтах фазовых переходов. При этом структурная неоднородность породного массива, анизотропность физических свойств слагающих его горных пород, неизотермическая фильтрация в их порах и трещинах различных жидкостей и газов - все эти факторы резко усложняют проблему прогнозирования и управления процессами тепломассопереноса в соответствии с технологическими требованиями инженерных систем. Третья особенность заключается в том, что температурные поля в элементах таких систем и окружающем массиве формируются и непрерывно изменяются как результат сложного взаимодействия разных по природе источников энергии. С одной стороны, это техногенные теплопотоки, вызванные диссипацией части подведенных к системе внешней работы и энергии, а также экзотермическими процессами конденсации, сорбции, гидратации, окисления и т.п. С другой стороны, как начальное распределение температур и их градиентов, так и изменение этих параметров во времени и пространстве в значительной, а часто и решающей мере обусловлены глубинным тепловым потоком внутриземной генерации.
В разных по назначению и параметрам природно-технологических или геотехнологических системах и различных их элементах управление процессами тепломассопереноса вызывает, сопровождается или обеспечивает такие теплофизические эффекты, как замораживание, охлаждение (извлечение теплоты), конденсация, кристаллизация, нагревание, оттаивание, плавление, испарение, сублимация, термические деформации, термоупругое напряжение, диссоциация, дегитратация, газификация, горение и их комбинации.
Развитие соответствующих положений теплофизики и решение насущных задач прогноза и регулирования процессов тепломассопереноса при добыче и переработке полезных ископаемых, подземном строительстве и других горных работах, связанных с освоением природных ресурсов недр, привело к формированию науки - горной теплофизики, методологические особенности, закономерности, проблемы которой и составляют содержание данного описания.
Создание в бывшем СССР горной теплофизики - крупное достижение отечественной науки, получившее широкое мировое признание. В деятельности Международного бюро по горной теплофизике (МБГГ) Всемирного горного конгресса наряду с Россией и Украиной, стоявших у истоков этой науки, активно участвуют специалисты Болгарии, Великобритании, Германии, Индии, США, Швеции, Японии - более 20 стран мира.
Еще в бронзовом веке огневое разрушение крепких пород служило главным средством облегчения ручных горных работ. Среди первых суждений о природе тепловых процессов в недрах и их значении для добычи полезных ископаемых можно назвать древнегреческие трактаты Плиния Старшего и Тита Лукреция, средневековые обобщения Георга Агриколы. Первое научное объяснение естественной тяги в горных выработках дал наш великий соотечественник М.В. Ломоносов в своей диссертации «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном». Множество имен, работ, собраний и дат имеют отношение к рождению горной теплофизики. Однако планомерное и систематическое формирование ее информационного фонда началось в 30-е годы прошлого века по инициативе академика А.А. Скочинского, организовавшего наблюдения за тепловым режимом горных выработок в шахтах Донбасса, где на глубоких горизонтах повышенная температура рудничного воздуха уже создавала дискомфортные условия и снижала производительность труда. Разумеется, высказанные еще в начале века идеи Д.И. Менделеева о подземной газификации угля, К.Э. Циолковского и BA. Обручева - об извлечении геотермальной энергии горячего породного массива, работы Г. Фраша по освоению подземной выплавки серы, а также борьба с самовозгоранием углей и сульфидных руд, известным еще со времен Плиния и Агриколы, стимулировали интерес к изучению процессов тепломассопереноса в горных породах и выработках. Еще в предвоенные годы в США, а затем и в России начались работы по термическому бурению пород. При строительстве Московского метрополитена широкое применение получило замораживание водоносных пород (Н.Г. Трупак). При активной поддержке П.М. Губкина было начато внедрение тепловых методов добычи нефти, впервые проведен опыт создания внутрипластового движущегося очага горения, предложенного А.Б. Шейнманом. И все-таки практически наиболее сложной и насущной оставалась проблема борьбы с высокой температурой рудничного воздуха при неизбежном углублении горных работ. «Лимитирующее» значение температурного фактора было известно еще из мучительного опыта работ в горячих забоях при проходке Симплонского тоннеля. Этот печальный опыт способствовал повышению внимания специалистов к этой проблеме и появлению первых, еще очень несовершенных методов расчета температуры рудничного воздуха.
В послевоенные годы по предложению А.А. Скочинского был проведен широкий комплекс научно-исследовательских работ в глубоких шахтах Донецкого бассейна. Эти работы возглавил А.Н. Щербань. Исследования процессов теплообмена при вентиляции медно-колчеданных рудников Урала, опасных по эндогенным пожарам, получили отражение в первой докторской диссертации по этой тематике К.В. Кочнева, исследования закономерностей естественной тяги и методы расчета ее тепловой депрессии в шахтных стволах -в докторской работе и монографии А.Ф. Воропаева. Однако развитие теории рудничного теплообмена как основополагающей части горной теплофизики в первую очередь связано с многогранной деятельностью и именем A.Н. Щербаня.
Уже на первых этапах изучения теплового режима донецких шахт стала очевидной необходимость искусственного охлаждения воздуха и создания специального шахтного холодильного оборудования. Поэтому работы сосредоточились главным образом в двух организациях: Институте горного дела (ИГД) и Институте теплоэнергетики (ИТЭ) Академии наук Украины, а само научное направление получило в ту пору название горной теплотехники. После реорганизации ИТЭ в Институт технической теплофизики (ИТТФ) в нем объединились основные украинские участники решения проблемы, а Президиум Академии наук Украины организовал регулярное проведение научных семинаров по горной теплотехнике. В них принимали участие десятки исследователей из Украины, России, Грузии, Белоруссии и других республик. Эти научные семинары сыграли огромную роль в популяризации проблем тепломассопереноса в горных породах и выработках, в привлечении к решению этих сложных проблем научной молодежи и специалистов из десятков институтов, горных предприятий и ведомств. В 60-е годы прошлого века четко выделились три главные центра развивающейся научной школы горной теплофизики (более широкое название постепенно утвердилось в связи с быстрым расширением круга проблем, подчеркивая при всем их разнообразии единство научной базы).
В ИТТФ проводили основополагающие исследования по тепловому режиму глубоких шахт и кондиционированию рудничного воздуха. Позднее к основным изучаемым объектам добавились сверхглубокие скважины, разнообразные подземные сооружения и геотермальные системы. Этот институт, как уже отмечалось, был главным организатором научных семинаров, на его базе работает Международное бюро по горной теплофизике ВГК, председателем которого после А.Н. Щербаня стал В.П. Черняк.
Московский горный институт был и остается основным центром развития термодинамики горных пород - термических методов бурения взрывных скважин, термообработки и сушки добытых полезных ископаемых. Важную роль сыграли ежегодные широкие научные конференции по проблемам физики горных пород, ставшие в МГИ (ныне - МГГУ - Московский государственный горный университет) хорошей традицией, а также организация по инициативе академика В.В. Ржевского подготовки горных инженеров-физиков.
В Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) горном институте получено решение комплекса проблем горной теплофизики для шахт и рудников Севера, включающего развитие теории рудничного теплообмена при сезонных колебаниях температуры воздуха и летнем оттаивании мерзлых пород, прогноз и регулирование теплового режима тоннелей БАМ, бурящихся по мерзлым породам скважин, теоретические основы их проходки методом плавления пород и льда, СВЧ-разупрочнение и новые способы технологического оттаивания мерзлых пород на приисках, технология ледопородной закладки.
В 1970 году в ЛГИ организована крупная Проблемная лаборатория горной теплофизики (ПНИЛ ГТФ), работы которой получили широкое международное признание. В последние годы деятельность лаборатории сконцентрирована на проблемах геотермальной теплофизики и технологии освоения ресурсов геотермальной энергии горячих горных пород. На базе ПНИЛ ГТФ была организована учебная подготовка и выпущено 170 горных инженеров-теплофизиков. Важную роль сыграла проведенная в ЛГИ в 1973 году Первая Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам горной теплофизики, в которой приняли участие около 500 специалистов почти 100 организаций России, Украины и других республик Союза. В своем решении Конференция определила предмет, основные объекты, целевую задачу и методологические особенности горной теплофизики, ее взаимосвязи с другими научными дисциплинами и тем самым завершила становление новой науки.
На Второй Всесоюзной конференции по ГТФ отмечалось быстрое расширение проблематики и успешное развитие горно-теплофизических исследований примерно в 150 научных, учебных и проектных институтах России. Только за период 1973-1981 годов по результатам этих исследований было защищено 26 докторских и более 100 кандидатских диссертаций, опубликовано около 60 монографий и множество научных статей, на международных конгрессах и симпозиумах по этим проблемам сделано более 20 докладов.