Приоритетные научные направления исследований в области горной теплофизики

Круг проблем горной теплофизики при всем их разнообразии ограничен двумя характерными особенностями. Во-первых, все они связаны с изучением процессов нестационарного тепло- и массообмена в полуограниченном неоднородном анизотропном многофазном породном массиве, подверженном техногенным воздействиям. Например, методика расчета и интенсификации стационарного процесса теплопередачи в системе охлаждения рудничного компрессора или шахтного калорифера, строго говоря, не относится к предмету горной теплофизики.
Во-вторых, естественные тепловые процессы в недрах, такие как извержение вулканов и гейзеров, развитие термокарстовых озер в Северной тундре и трещин в скалистых обрывах речных берегов, процессы гидротермального образования жильных месторождений, также не относятся к нашей науке, хотя закономерности горной теплофизики во многих случаях весьма полезны для углубленного изучения этих природных явлений. Можно сказать, что горная теплофизика начинается лишь там, где появляются техногенные воздействия на земные недра и их природные ресурсы, освоение которых и относится к компетенции горных наук, включая и горную теплофизику.
По характерным особенностям объектов изучения, целевому назначению исследований и роли изучаемых процессов в самой технологии освоения тех или иных ресурсов ее многочисленные проблемы были объединены в три основных научных направления:
1) теплофизика горных выработок;
2) горно-технологическая теплофизика;
3) геотермальная теплофизика.
Теплофизика горных выработок включает изучение закономерностей формирования и методы регулирования теплового режима любых открытых и подземных горных выработок, карьеров, шахт и рудников, тоннелей и других подземных и заглубленных сооружений, разведанных и технологических скважин, естественных и искусственных фильтрационных каналов, за исключением скважин и коллекторов при тепловых методах добычи нефти, скважинных методах геотехнологии и разработке геотермальных месторождений, когда процессы тепломассопереноса нераздельно связаны с технологическими процессами или даже становятся самой технологией освоения соответствующих ресурсов. В остальных случаях регулирование теплового режима выработок не является частью самой технологии, но определяет ее надежность и безопасность.
Под тепловым режимом горной выработки понимают направление, темпы и пределы изменений во времени и по ее длине (а иногда и по сечению) температуры и влажности воздуха, а также температуры потока жидкости и окружающих выработку пород, процессов тепло- и массообмена и обусловленных ими тепловых эффектов.
Горно-технологическая теплофизика изучает закономерности и методы управления тепломассопереносом в самих технологических процессах в целях повышения ее интенсивности, безопасности, экологической и экономической эффективности освоения природных ресурсов недр. Это научное направление включает проблемы термического разупрочнения и разрушения горных пород, замораживания водоносных пород для повышения их несущей способности, устойчивости и гидроизоляции горных выработок, технологического оттаивания мерзлых пород для их дезинтеграции, паротепловой обработки нефтеносных пластов и частичного сжигания нефти для ее разогрева, снижения вязкости и более полного извлечения из недр, плавления, газификации, диссоциации и сжигания твердых горючих ископаемых при геотехнологических методах разработки месторождений, изоляции и подавления очагов самонагревания для предотвращения и локализации эндогенных пожаров и т.д. Все эти тепловые технологические процессы и управление их интенсивностью направлены на снижение общей энергоемкости, вовлечение в сферу использования труднодоступных природных ресурсов и более полное их извлечение из недр.
Геотермальная теплофизика рассматривает процессы тепломассопереноса в технологии освоения ресурсов геотермальной энергии. Обеспечивая освоение одного из важнейших природных ресурсов недр, эта технология по своему назначению представляет собой особую часть горной геотехнологии. По существу, технология добычи тепла Земли, т.е. извлечения из ее недр геотермальной энергии, сводится к использованию закономерностей процессов тепломассопереноса для повышения интенсивности этих процессов и предотвращения разу-боживания энергоносителей - снижения концентрации в них геотермальной энергии (температуры и давления) и ее потерь в недрах.
Изучение закономерностей внутриземной теплогенерации, кондуктивного теплового потока и конвективного выноса тепла (геотермальные источники, гейзеры, фумаролы) относится к компетенции геотермии - разделу физики Земли. Геотермальная технология и соподчиненная с ее задачами геотермальная теплофизика начинаются с техногенных воздействий для стимулирования и управления этими естественными процессами. Можно уточнить: геотермальная теплофизика изучает закономерности возмущений квазистационарного естественного тепломассопереноса в земных недрах под влиянием техногенных воздействий на геотермальные месторождения. Эти техногенные воздействия обычно направлены на интенсификацию фильтрационного теплообмена в естественных или искусственных геотермальных коллекторах и управление тепловым режимом геотермальных скважин. При этом тепловые процессы в коллекторах, а в первые годы и в скважинах, носят нестационарный характер.

---