Роль процессов тепломассопереноса в освоении природных ресурсов недр

Природные ресурсы недр существенно различаются не только по своему назначению (минеральные, энергетические и т.д.), условиям распространения и воспроизводства, но и по своей доступности для использования. Эта доступность зависит не от вида и качества ресурсов, а почти целиком определяется свойствами ресурсной среды. Очевидно, что в сравнении с космосом, атмосферой или Мировым океаном земные недра представляют собой наиболее труднодоступную среду. Рекордная глубина Кольской сверхглубокой скважины достигает лишь около двух тысячных радиуса Земли.
При освоении любой ресурсной среды полное избирательное извлечение какого-то одного, например, наиболее ценного из ее ресурсов обычно оказывается невозможным. Из этого следует, что освоение любых ресурсов сопровождается не только перемещениями масс и затратами энергии, но и их потерями, «рассеиванием» вещества и диссипацией энергии в ресурсной среде. Независимо от вида и качества затраченной внешней работы и энергии их технологические превращения завершаются энергопотерями в среду в виде теплоты. Уровень этих потерь зависит от эффективности методов и средств управления процессами тепломассопереноса. Таким образом, закономерности и методы теплофизики имеют прямое отношение к технологии освоения любых природных ресурсов, а горная теплофизика может и должна играть важную роль в развитии ресурсосберегающей технологии освоения земных недр. Их высокая плотность, «непрозрачность», неоднородность вещественного состава и сложность строения серьезно затрудняют управление процессами тепломассопереноса по сравнению с условиями других ресурсных сред.
Минеральные ресурсы были и будут главным природным богатством недр. Развитие горно-обогатительной технологии расширяет границы минеральных ресурсов главным образом за счет вовлечения в них ранее недоступных глубоких горизонтов и северных районов, а также месторождений с низким качеством сырья, т.е. в конечном счете с повышенной удельной энергоемкостью извлечения полезных компонентов. С рассматриваемых позиций можно сказать, что технический прогресс расширяет возможности эффективного управления процессами тепломассопереноса при высоких температурах породного массива на больших глубинах, при низких отрицательных температурах в зонах многолетнемерзлых пород и повышенных энергопотерях при росте отходов в добытой горной массе.
В шахтах и рудниках в ряде случаев высокая температура сильно осложняет горные работы не только на больших глубинах. Известно, например, что на полиметаллическом месторождении Эрма-река (Болгария), разрабатываемом в зоне геотермоаномалии, главные запасы в зонах оруденения на глубине около 1 км законсервированы, так как их отработка при температуре выше 100 °C без предварительного теплового дренажа горячего массива просто невозможна. Другой пример - нефтяные шахты Ярегского месторождения (Ухта), где нефтеносный пласт песчаника обрабатывается паром через скважины, пробуренные из подземных выработок. На их отдельных участках температура воздуха достигает 60-70 °С. Только мощный охлаждающий эффект от интенсивного испарения пота при весьма низкой относительной влажности воздуха спасает людей от перегрева, но в местах прогрева породных стенок паром до температуры 90 °C и выше необходима их теплоизоляция для защиты людей от теплоизлучения. В таких условиях управление процессами тепломассопереносов играет решающую роль не только в обеспечении безопасности и охране здоровья людей, но и в самой технологии разработки месторождений.
В шахтах и рудниках Севера, разрабатывающих угольные, рудные и россыпные месторождения в районах распространения многолетнемерзлых пород, занимающих большую часть территории России и четверть всей площади земной суши, горная теплофизика имеет существенно иные, но отнюдь не менее сложные и важные задачи. При отрицательной температуре пород и суровых климатических условиях Севера нормализация микроклимата горных выработок направлена на защиту людей от переохлаждения и простудных заболеваний. На первый взгляд такая задача может быть решена намного проще и дешевле, чем борьба с высокими температурами, тем более, что от холода рабочий защищается прежде всего утепленной спецодеждой (при работе в мерзлых породах она необходима при любой температуре воздуха). Главная сложность управления тепловым режимом северных шахт и рудников связана с его многоцелевым назначением. He только самочувствие людей, работающих в подземных выработках, но устойчивость последних и состояние крепи, интенсивность пылеобразования и запыленность воздуха, опасность образования наледей на почве и «шубы» (иней) на кровле и стенках выработок, оттаивания или сублимации льда, цементирующего трещиноватые скальные массивы и минеральные зерна рыхлых мерзлых пород, их прочность и другие физические свойства, направление действия естественной тяги, развитие морозобойных трещин, обмерзание вентиляторов, дверей и оборудования, туманообразование в околоствольных дворах, возможность защитного заземления электрооборудования и надежность противопожарных водопроводов, смерзание разрушенных пород в транспортных сосудах и магазинах - все эти условия и эффекты, определяющие безопасность и эффективность горных пород, зависят от среднего уровня, сезонных колебаний, направления изменений температуры воздуха и массообменных процессов.
Во избежание опасного прогрессирующего оттаивания мерзлых пород вокруг выработок в этих условиях допускается подогрев поступающего в них воздуха зимой до умеренных отрицательных температур. В глубоких северных рудниках (на рудниках Норильска — самых глубоких в России - горные выработки достигли 1300-1500 м) наряду с зимним подогревом поступающего в стволы наружного воздуха необходимо его охлаждение на глубоких горизонтах.
На россыпных шахтах приисков Якутии и Северо-Востока оттаивание мерзлых пород резко снижает устойчивость выработок и исключает возможность их нормальной эксплуатации. Поэтому используются специальные схемы проветривания, обеспечивающие постоянное сохранение отрицательной температуры в действующих выработках, и широко применяется отработка небольших шахтных полей за холодный период года.
В целом многофакторная задача управления процессами тепломассопереноса на северных шахтах и рудниках решается с учетом их разностороннего влияния на технологию подземной разработки месторождений.
Тепловые методы горной технологии приобретают все более важное значение в освоении минеральных ресурсов. В этих специальных методах горных работ теплофизические и термодинамические процессы представляют не сопутствующие явления или условия, а основу самой технологии.
Термические методы являются основной альтернативой взрывному способу разрушения крепких горных пород. Уже созданы достаточно эффективные технические средства и расширяется успешное практическое применение термомеханического бурения взрывных скважин, термических методов обработки разрушенных пород, сушки концентрата после обогащения руд и т.д. Замораживание водоносных горных пород остается главным и наиболее эффективным специальным способом проходки шахтных стволов, тоннелей метрополитенов и любых других выработок в обводненных участках недр. Различные методы оттаивания мерзлых пород являются важной составной частью технологии подготовки и отработки дражных и бульдозерных полигонов на северных приисках. Теплофизические процессы играют определяющую роль почти во всех методах скважинной геотехнологии (подземная выплавка, газификация, подземное сжигание, прогрессивные тепловые метод нефти и т.д.). Во всех этих случаях управление процессами тепломассопереноса определяет направление развития и интенсивность самой технологии добычи соответствующих горных пород. Таким образом, как в традиционной технологии горных работ, так и в перспективных скважинных методах добычи ископаемых теплофизические процессы и методы их рационального регулирования во многом определяют безопасность и экономическую эффективность освоения минеральных ресурсов недр.
Другие помимо минеральных природные ресурсы недр при их освоении также предполагают необходимость сооружения объемных горных выработок или скважин и управления процессами тепломассопереноса в специальных горных работах и при функционировании созданных инженерных систем. Использование ресурсов подземного пространства практически всегда требует регулирования температурного режима естественных полостей, оставшихся от разработки месторождений, или специально пройденных горных выработок. Естественно, что закономерности процессов тепломассопереноса в таких выработках и окружающем их породном массиве весьма близки к шахтам и рудникам, а их особенности и требования к уровню температуры и интенсивности тепловых процессов зависят от специфики размещенных в них весьма разнообразных подземных объемов. Эти требования различны для подземных цехов и метрополитенов, подземных спортивных залов, кинотеатров, торговых центров и изотермических газохранилищ, подземных складов-холодильников и для захоронения тепловыделяющих отходов АЭС. Разумеется, разными будут и степень сложности, и методы управления процессами тепломассопереноса для перечисленных и иных типов подземных объектов. Можно подчеркнуть, что низкая теплопроводность горных пород, теплозащитные и теплоаккумулирующие эффекты массива, окружающего подземные объекты, являются важнейшим достоинством, обеспечивающим резкое сокращение энергозатрат на их функционирование по сравнению с размещением тех же объектов на поверхности.
Освоение возобновляемых водных ресурсов недр, пожалуй, в наименьшей мере связано с тепловыми процессами и эффектами. Правда, конвективный перенос тепла фильтрационными потоками подземных вод вызывает соответствующие возмущения геотемпературного поля. Поэтому температурный контроль успешно используется при охране водных ресурсов. Конечно, если рассматривать водные ресурсы недр в системе с источниками их восполнения, т.е. атмосферными осадками и таянием ледников, то мы снова «погрузимся» в процессы тепломассопереноса. Эти процессы определяют условия формирования и добычи термальных вод, которые, к сожалению, после энергетического использования лишь в отдельных случаях используются в системах водоснабжения.
Что касается практически неисчерпаемых по своему природному потенциалу геотермальных ресурсов, то не только их формирование, но и любой вариант технологии добычи геотермальной энергии представляет собой процесс тепломассопереноса в фильтрационных каналах естественных или искусственных коллекторов и скважинах.
Если при освоении геотермальных ресурсов высокая температура означает высокое качество теплопродукции, то при дальнейшем экспериментальном изучении глубинного строения и сложных процессов геологической эволюции она становится одним из основных осложняющих негативных факторов.