рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции

Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции - раздел Производство, Термодинамические и газодинамические процессы горного производства   Режим Термодинамического Разрушения Мерзлых Рыхлых И Связных ...

 

Режим термодинамического разрушения мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции имеет место при TTh < 106°С/м в процесс бурения скважин или очистки добычного и транспортного горного оборудования от намерзшей горной массы. Этот режим разрушения будет устойчив в том случае, когда скорость истечения теплоносителя будет достаточной для создания динамического давления, при котором бы обеспечивались отрыв оттаявших с поверхности агрегатных частиц горной массы и их удаление (абляция).

Применительно к очистке металлических рабочих поверхностей добычного и транспортного оборудования от намерзшей горной ассы термодинамическое разрушение путем оттаивания и абляции будет только в начальный период. В последующем, когда за счет оттаивания и абляции примерзшая горная масса будет разрушена до металлической рабочей поверхности добычного или транспортного оборудования, механизм разрушения будет иной. В этом случае оттаивание и абляция по контакту «металл - примерзший слой горной массы» будет происходить более интенсивно (так как теплопроводность металла примерно на порядок выше теплопроводности породы), чем в объеме мерзлой рыхлой или связной породы. При этом разуется кольцевой клин (рис. 5.2), который создает благоприятные условия для разрушения крупными кусками, образующимися в результате излома по контуру кольцевой консоли, представленной мерзлой горной массой.

Рис 5.2. Схема к расчету параметров термодинамической очистки металлических поверхностей добычного и транспортного оборудования от намерзшей горной массы:

1 — высокоскоростная газо­вая струя; 2 — промерзший слой горной массы; 3 — металлическое основание

 

 

Для аналитического описания процесса термодинамического разрушения мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции их можно представить как твердые агрегатные частицы, равномерно распределенные в объеме льда.

Выражение для оценки линейной скорости Vл (м/с) термодинамического разрушения мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции агрегатных частиц можно представить в виде

Vл = Vпл К, (5.18)

где Vпл— скорость плавления льда с абляцией, м/с; К — коэффициент, характеризующий отличие механизма термодинамического разрушения мерзлых рыхлых и связных пород от механизма разрушения льда; для пес­ков К ~ 0,8÷0,9, супесей К ~ 0,3÷0,5, суглинков К = 0,05÷0,1, глин К = (0,3÷1)10-2.

Для определения скорости Vпл рассмотрим одномерную задачу плавления полуограниченного стержня с теплоизолированной боко­вой поверхностью, или, что то же самое, одномерную задачу плавле­ния полуограниченного пространства. Тепловую модель процесса можно представить следующим образом: полупространство или по­луограниченный стержень Z > 0 имеет начальную температуру мер­злых рыхлых или связных пород, равную Т0; в момент времени τ = 0 на поверхность полупространства начинает действовать газовый теп­лоноситель с температурой Тт, теплообмен осуществляется по закону конвекции. В момент начала плавления τпл температура поверхности полупространства станет равной температуре фазового перехода лед-вода Тф. Если считать, что расплав будет удаляться, то из физи­ческих соображений следует, что температура поверхности полупро­странства при тепловом воздействии поддерживается постоянной равной Тф. При такой постановке процесс разрушения льда можно рассматривать состоящим из двух этапов: нагрева поверхности от Т0 до Тф без абляции и последующего нагрева с плавлением и абляцией.

Для нахождения времени τпл, необходимо решить дифференци­альное уравнение

(5.19)

при начальном условии

T(z, 0) = T0 (5.20)

и граничных условиях

(5.22)

(5.22)

где a2 — температуропроводность мерзлой рыхлой или связной породы, м/с; — теплопроводность, Вт/(м2·°С); — коэффициент теплоотдачи при нагреве теплоносителем мерзлой горной породы, Вт/(м2·°С).

Общее решение дифференциального уравнения (5.19) при кра­евых условиях (5.20)-(5.2) имеет вид

(5.23)

где —безразмерная текущая температура, ; — безразмерная температура теплоносителя,; ξ— безразмерная текущая координата, ; t — безразмерное текущее время, ; δб — безразмерная координата, до которой наблюдается влия­ние нагрева поверхности, ; ZB — размерная координата, до которой наблюдается влияние нагрева поверхности.

Величина δб зависит от времени и находится из трансцендент­ного уравнения

(5.24)

При τ = τпл ; Т(0,τпл) = Тф, а θ(0,tпл) = 0 (где tпл — безразмер­ное время начала плавления поверхности полупространства, )

Подставляя θ(0,tпл) = 0 в (5.23), получим

откуда

(5.25)

где — безразмерная координата, до которой наблюдается вли­яние нагрева поверхности, когда ее температура стано­вится равной Тф.

Подставляя (5.25) в (5.24), получим выражение для оценки безразмерного времени начала плавления поверхности полупрост­ранства

(5.26)

С учетом (5.26) размерное время начала плавления поверхно­сти полупространства будет

(5.27)

Начиная с τ = происходит плавление полупространства с удалением продуктов плавления (с абляцией).

Для аналитического описания процесса плавления с абляцией необходимо решить уравнение теплопроводности (5.19) при следу­ющих граничных условиях

T│z=Z= Тф; (5.28)

Т│z=∞ = Т0; (5.29)

(5.30)

где Z = f(τ) - координата фронта плавления, м; Lф — скрытая теплота плавления льда, Дж/кг; γ2 — плотность материала, кг/м3.

Если ввести дополнительно безразмерные величины

и (5.31)

то дифференциальное уравнение

и граничные условия

Т│z=∞ = Т0;

,

соответственно принимают вид

(5.32)

(5.33)

(5.34)

(5.35)

Решение уравнения (5.32) при граничных условиях (5.33) и (5.34) имеет вид

(5.36)

Дифференцируя это выражение по ξ, получим

(5.37)

откуда при , получим

(5.38)

Подставляя (5.38) в (5.35), получим

(5.39)

Интегрируя уравнение (5.32) в пределах от до , получим

(5.40)

 

Известно, что

(5.41)

Подставляя (5.41) в (5.40) и принимая во внимание (5.36), получим

(5.42)

С учетом того, что выражение (5.42) принимает вид

или

(5.43)

Решая совместно уравнения (5.39) и (5.43) при и , получим

(5.44)

Из этого трансцендентного можно определить безразмерную координату фронта плавления .

Продифференцировав выражение (5.44) по t можно определить скорость продвигания фронта плавления

(5.45)

Если g>>1, то для практических расчетов с достаточной точностью вместо формулы (5.45) можно использовать упрощенную формулу

(5.46)

Размерная скорость подвигания фронта плавления определяет­ся из выражения

или

(5.47)

Таким образом, скорость разрушения мерзлых рыхлых и связ­ных пород путем оттаивания с абляцией на основании (5.18) и с учетом (5.47) будет

(5.48)

или для приближенных расчетов

(5.49)

Зависимости (5.48) и (5.49) справедливы для оценки линей­ной скорости термодинамического разрушения мерзлых рыхлых и связных пород применительно к бурению в них скважин. Примени­тельно к очистке добычного и транспортного горного оборудования от намерзшей горной массы эти зависимости справедливы для оценки скорости разрушения только лишь на первой стадии, когда фронт очистки еще не достиг металлической рабочей поверхности оборудо­вания. После того как фронт разрушения достигнет металлической рабочей поверхности оборудования, изложенный выше механизм разрушения будет сочетаться с крупным сколом мерзлой горной мас­сы вокруг кольцевого клина (см. рис. 5.2). При этом в пространство кольцевого клина попадает газовый поток и создает избыточное дав­ление Ри, Па

Ри=0,5γтUr2. (5.50)

За счет избыточного давления на смерзшуюся горную массу, находящуюся над кольцевым клином, действует изгибающий момент Fи

(5.51)

где rф — текущий радиус на контакте «металлическая поверх­ность-примерзшая горная масса», где выполняется усло­вие Т = Тф, м.

Величину rф можно определить из решения дифференциаль­ного уравнения теплопроводности применительно к распростране­нию тепла в пластине при ее нагреве с торца. По мере роста rф изгибающий момент Ри возрастает и при некотором критическом его значении происходит скол мерзлой горной массы по кольцевому кли­ну. Величина rф, при которой произойдет скол, определяется из ус­ловия

(5.52)

где hм — толщина примерзшего слоя горной массы, м; σи — предел прочности примерзшей горной массы на изгиб, Па.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Термодинамические и газодинамические процессы горного производства

Государственное образовательное учреждение.. высшего профессионального образования.. Кольский филиал Петрозаводского государственного университета..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Термодинамические параметры земной коры
  Верхняя толща горных пород Земли называется земной корой. Земная кора простирается от поверхности Земли до границы Мохоровичича, которая отделяет земную кору от мантии Земли. Мощ­но

Источники тепла земных недр
  Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции

Процессы теплопереноса в недрах Земли
  Как было отмечено ранее, теплообмен в горных породах осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением. Применительно к задачам горного производства весьма важной является з

Использование тепла земных недр
  Геотермальные ресурсы разделяют на повсеместно распростра­ненные и локализованные. Повсеместно распространенные гео­термальные ресурсы представлены те

Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников
  Если принять, что вода, фильтрующая в породном теплообмен­нике, нагревается только за счет тепла, заключенного в его объеме, а потеря тепла в нем компенсируется за счет подпитки теп

Разработка связных пород в период с отрицательными температурами
  В России около 25-30% ежегодных объемов разрабатываемых рыхлых и связных пород на карьерах приходится на периоды года с отрицательными температурами. Еще больший объем земляных ра­б

Месячные колебания температуры внешней среды
  Для определения зависимости изменения температуры в зим­ний период используем значения среднемесячной температуры в данном районе. Обозначим среднемесячные температуры с октября по

Расчет глубины промерзания связанных пород
  Рассмотрим случай промерзания связной породы при открытой разработке месторождений. Сформулируем задачу: на поверхности полупространства в момент времени t=0 устанав

Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий
  Рассмотрим случай, когда теплоизоляционное покрытие обес­печивает полное предотвращение промерзания грунта. Для определения толщины теплоизоляционного покрытия (d) и

Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия
  Для решения данной задачи рассмотрим модель «теплоизоляци­онное покрытие-промерзший грунт-талый грунт», изображенную на рис. 2.3.

Сущность способа и область его применения
  Проведение горных выработок в слабоустойчивых водоносных породах невозможно без специальных мероприятий по их упрочне­нию и понижению водопроницаемости. При строительстве ш

Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра
  При замораживании вокруг каждой замораживающей колонки формируется температурное поле, изотермы которого представляют собой в плане концентрические окружности. Температура породы не

Параметры образования ледопородных ограждений
  Формирование ледопородных водонепроницаемых ограждений и подпорных стен производят с помощью серии замораживающих колонок, расположенных на равном расстоянии друг от друга. В этом с

Требования к тепловому режиму в подземных выработках
Тепловой режим в подземных выработках характеризуется совокупностью термодинамических параметров воздуха, окружающе­го массива, горной массы, машин и людей. Основными термодинами­ческими

Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ
  Влияние теплового режима рудничного воздуха сказывается на производительности труда горнорабочих, обеспечении безопасных условий их труда, поддержании устойчивости горных выработок

Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке
  При проветривании возможны следующие случаи взаимодейст­вия вентиляционной струи в шахтной выработке с окружающим мас­сивом: • стационарный режим теплообмена; • не

Теплообмен при проветривании подземных выработок
  Критериальная зависимость для определения параметров теп­лообмена рудничного воздуха со стенками выработок имеет следую­щий вид:

Источники тепла в подземных выработках
  Учет источников тепловыделения в выработках и определение их интенсивности необходимо для составления уравнений теплового баланса, на основании которых производят расчет необходимог

Методы нормализации температурного режима рудничного воздуха
  Мероприятия по нормализации температурного режима руд­ничного воздуха можно разделить на два типа: 1) теплотехнические, основанные на применении различных технически

Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород
  При разработке талых рыхлых и связных пород проблемным является вопрос предотвращения налипания горной массы на рабо­чую поверхность добычного и транспортного горного оборудования и

Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород
  Как уже указывалось, что для очистки транспортных сосудов от налипшей горной массы применяют бесконтактный термодинамиче­ский способ. В качестве генератора высокоскоростной газовой

Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород
  Этот способ разрушения имеет место при термическом бурении скважин в мерзлых породах, а также при термодинамической очист­ке рабочих поверхностей добычного и транспортного горного о

Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
  Термодинамическое разрушение талых и мерзлых рыхлых и связных пород применительно к очистке добычного и транспортного горного оборудования от налипшей и намерзшей горной массы в нас

Коэффициенты диффузии
  В выражениях для диффузионных газовых потоков ко­эффициенты молекулярной и турбулентной диффузии являются единственными параметрами, учитывающими свойства среды. Ес­тественно, что э

Общие положения
  Во многих случаях по­лезные результаты могут быть получены более простым инте­гральным методом. Интегральный метод, или метод усредненных характеристик, ос­нован на том фак

Выработка как объект вентиляции
  Характер проявления газодинамических эффектов в горных выработках существенно зависит от характера движения воздуха в последних. Как известно, в практике шахтной аэрологии воздушные

Ограниченные потоки в системе выработок
  Возникающие в выработках с ограниченными воздушными по­токами газодинамические ситуации зависят от режима вентиляции, вида источника (точечный или линейный), характера газовыделения

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги