gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2021-3-192-202gscience-290Research ArticleCONSTRUCTION OF MINING ENTERPRISES AND UNDERGROUND SPACE DEVELOPMENTСТРОИТЕЛЬСТВО ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ОСВОЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВАDetermination of technological parameters of rock freezing systems based on the condition of maintaining design thickness of ice wallОпределение технологических параметров систем замораживания пород из условия поддержания проектной толщины ледопородного огражденияhttps://orcid.org/0000-0001-5200-7931СеминМ. А.SeminM. A.

Михаил Александрович Семин – научный сотрудник отдела Аэрологии и Теплофизики

Scopus ID 56462570900

ResearcherID S-8980-2016

г. Пермь

Mikhail A. Semin – Researcher (Academic) of the Mine Ventilation and Thermal Physics Department

Scopus ID 56462570900

ResearcherID S-8980-2016

Perm

seminma@inbox.ruБогомягковА. В.BogomyagkovA. V.

Александр Васильевич Богомягков – младший научный сотрудник лаборатории Математического моделирования горнотехнических систем

Scopus ID 57218893401

г. Пермь

Alexander V. Bogomyagkov – Junior Researcher of the Laboratory for Mathematical Modeling of Geotechnical Processes

Scopus ID 57218893401

Perm

bavaerolog@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0767-9207ЛевинЛ. Ю.LevinL. Y.

Лев Юрьевич Левин – заведующий отделом Аэрологии и Теплофизики

Scopus ID 56358515000

г. Пермь

Lev Y. Levin – the Head of the Mine Ventilation and Thermal Physics Department

Scopus ID 56358515000

Perm

aerolog_lev@mail.ruГорный институт УрО РАНРоссияMining Institute, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20211310202163192202Copyright © Semin M.A., Bogomyagkov A.V., Levin L.Y., 20212021Семин М.А., Богомягков А.В., Левин Л.Ю.Semin M.A., Bogomyagkov A.V., Levin L.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/290

Artificial freezing ensures the formation of a temporary ice wall around the shaft under construction, which prevents groundwater penetration into the shaft and increases the strength of rocks around the unsupported walls of the shaft until the permanent support is erected. The purpose of the study is to carry out thermotechnical calculation of ice wall with subsequent theoretical analysis of changing ice wall thickness with shifting to the passive freezing stage. The idea of the study is to determine these technological parameters based on the condition of maintaining the design ice wall thickness at the stage of passive freezing. The methodology and results of thermotechnical calculation of ice wall for the clay layer as applied to the case of the shafts under construction of a potash mine in the Republic of Belarus are presented. The thermal calculation of the ice wall was carried out numerically in the ANSYS software package using the finite element method. The findings of the numerical multiparameter modeling allowed theoretical analysis of ice wall thickness decrease with shifting to the passive freezing stage with higher brine temperature. The decrease in ice wall thickness was studied both during normal operation of the freezing station and at emergency operation mode caused by the failure of one of the freezing columns. Special attention in the analysis was paid to studying the influence of the duration of the active freezing stage and the distance between the columns on the decrease in the ice wall thickness. When analyzing changes in ice wall thickness at different distances between the freezing columns, it was found that the most common column spacing in the range from 1.1 to 1.3 m requires observing restrictions on the duration of active freezing to prevent a critical decrease in ice wall thickness during the passive freezing stage or decreasing the distance between the freezing columns. In this case, preservation of positive dynamics of ice wall thickness growth is ensured. For the clay layer considered in the study and the distance between the columns from 1.1 to 1.3 m, the minimum time of active freezing is also about 4.3 months. As a result of the analysis, the technological parameters of the freezing system (duration of the active freezing stage and the distance between the freezing columns) were determined, at which the ice wall thickness at the passive freezing stage did not become lower than the minimum permissible values calculated based on the strength and creep conditions.

Искусственное замораживание обеспечивает формирование вокруг строящегося ствола временного ледопородного ограждения (ЛПО), препятствующего проникновению подземных вод в ствол и повышающего прочность горных пород в окрестности незакреплённых стенок ствола до возведения постоянной крепи. Целью исследования является проведение теплотехнического расчета ЛПО с последующим теоретическим анализом изменения толщины ЛПО при переходе на стадию пассивного замораживания. Идея исследования заключается в определении этих технологических параметров исходя из условия поддержания проектной толщины ЛПО на стадии пассивного замораживания. Представлена методика и результаты теплотехнического расчета ЛПО для слоя глины применительно к случаю строившихся стволов одного калийного рудника в республике Беларусь. Теплотехнический расчет ЛПО проводился численно в программном комплексе ANSYS с использованием метода конечных элементов. Результаты численного многопараметрического моделирования позволили провести теоретический анализ уменьшения толщины ЛПО при переходе на стадию пассивного замораживания с более высокой температурой рассола. Исследовалось уменьшение толщины ЛПО как при нормальном режиме работы замораживающей станции, так и в аварийном режиме работы, связанном с выходом из строя одной из замораживающих колонок. Особое внимание при анализе уделялось исследованию влияния длительности стадии активного замораживания и расстояния между колонками на уменьшение толщины ЛПО. При анализе изменения толщины ЛПО при различных расстояниях между замораживающими колонками получено, что для наиболее распространенных расстояний между колонками в интервале от 1,1 до 1,3 м требуется соблюдать ограничения по длительности активного замораживания для предотвращения критического уменьшения толщины ЛПО на стадии пассивного замораживания либо уменьшать расстояние между замораживающими колонками. В этом случае будет обеспечено сохранение положительной динамики роста толщины ЛПО. Для рассмотренного в работе слоя глины и расстояний между колонками от 1,1 до 1,3 м минимальное время активного замораживания также составляет около 4,3 мес. В результате проведенного анализа определены такие технологические параметры системы замораживания (длительность стадии активного замораживания и расстояния между замораживающими колонками), при которых толщина ЛПО на стадии пассивного замораживания не становится ниже минимально-допустимых значений, рассчитанных из условий прочности и ползучести.

строительствошахтный стволгорные породыподземные водызамораживаниеледопородное ограждениетеплотехнический расчетмоделированиетехнологические параметрызамораживающая колонкааварийный режимconstructionmine shaftrocksgroundwaterfreezingice wallthermotechnical calculationmodelingprocess parametersfreezing columnemergency modeReferencesСемин М. А., Левин Л. Ю., Пугин А. В. Расчет земных теплопритоков при искусственном замораживании породного массива. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2020;(1):162–171. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20200118Semin M. A., Levin L. Y., Pugin A. V. Analysis of earth’s heat flow in artificial ground freezing. Journal of Mining Science. 2020;56(1): 149–158. https://doi.org/10.1134/S106273912001659XОльховиков Ю. П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра; 1984. 238 с.Olkhovikov Yu. P. Support in permanent workings at potash and salt mines. Мoscow: Nedra Publ.; 1984. 238 p. (In Russ.)Andersland O. B., Ladanyi B. Frozen ground engineering. John Wiley & Sons; 2003.Andersland O. B., Ladanyi B. Frozen ground engineering. John Wiley & Sons; 2003.Насонов И. Д., Ресин В. И., Федюкин В. А., Шуплик М. Н. Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства. М.: Недра, 1992. 351 с.Nasonov I. D., Resin V. I., Fedyukin V. A., Shuplik M. N. Underground structure construction technology. Special methods of construction. Мoscow: Nedra Publ.; 1992. 351 p. (In Russ.)Левин Л. Ю., Семин М. А., Богомягков А. В. Теоретический анализ динамики ледопородного ограждения при переходе на пассивный режим замораживания. Записки Горного института. 2020;(243):319–328. https://doi.org/10.31897/pmi.2020.3.319Semin M. A., Levin L. Y., Bogomyagkov A. V. Theoretical analysis of frozen wall dynamics during transition to ice holding stage. Journal of Mining Institute. 2020;(243):319–328. (In Russ.). https://doi.org/10.31897/pmi.2020.3.319Zhang B., Yang W., Wang B. Plastic design theory of frozen wall thickness in an ultradeep soil layer considering large deformation characteristics. Mathematical Problems in Engineering. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/8513413Zhang B., Yang W., Wang B. Plastic design theory of frozen wall thickness in an ultradeep soil layer considering large deformation characteristics. Mathematical Problems in Engineering. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/8513413Kostina A., Zhelnin M., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. Creep behavior of ice-soil retaining structure during shaft sinking. Procedia Structural Integrity. 2018;13:1273–1278. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.12.260Kostina A., Zhelnin M., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. Creep behavior of ice-soil retaining structure during shaft sinking. Procedia Structural Integrity. 2018; 13:1273–1278. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2018.12.260Вялов С. С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: АН СССР; 1959. 192 с.Vyalov S. S. Rheological properties and bearing capacity of frozen soils. Мoscow: USSR Academy of Sciences Publ.; 1959. 192 p. (In Russ.)Дорман Я. А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. М.: Транспорт, 1981. 302 с.Dorman Ya. А. Special methods of work in subway construction. Мoscow: Transport Publ.; 1981. 302 p. (In Russ.)Левин Л. Ю., Колесов Е. В., Семин М. А. Исследование динамики ледопородного ограждения в условиях повреждения замораживающих колонок при проходке шахтных стволов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016;(11):257–265. URL: https://giab-online.ru/files/Data/2016/11/257_265_11_2016.pdfLevin L. Yu., Kolesov E. V., Semin M. A. Dynamics of ice wall under conditions of damaged freezing pipes when shaft sinking. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2016;(11):257–265. (In Russ.). URL: https://giab-online.ru/files/Data/2016/11/257_265_11_2016.pdfСемин М. А., Зайцев А. В., Паршаков О. С., Желнин М. С. Обоснование технологических параметров термометрического контроля состояния ледопородного ограждения. Известия Томского политех- нического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020;331(9):215–228. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/9/2824Semin M. A., Zaitsev A. V., Parshakov O. S., Zhelnin M. S. Substantiation of technological parameters of thermal control of the frozen wall. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2020;331(9):215–228. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2020/9/2824Alzoubi M. A., Madiseh A., Hassani F. P., Sasmito A. P. Heat transfer analysis in artificial ground freezing under high seepage: Validation and heatlines visualization. International Journal of Thermal Sciences. 2019;139:232–245. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.02.005Alzoubi M. A., Madiseh A., Hassani F. P., Sasmito A. P. Heat transfer analysis in artificial ground freezing under high seepage: Validation and heatlines visualization. International Journal of Thermal Sciences. 2019;139:232–245. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.02.005Marwan A., Zhou M. M., Zaki Abdelrehim M., Meschke G. Optimization of artificial ground freezing in tunneling in the presence of seepage flow. Computers and Geotechnics. 2016;75:112–125. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2016.01.004Marwan A., Zhou M. M., Zaki Abdelrehim M., Meschke G. Optimization of artificial ground freezing in tunneling in the presence of seepage flow. Computers and Geotechnics. 2016;75:112–125. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2016.01.004Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М.: Недра; 1974. 280 с.Trupak N. G. Freezing of soils in underground construction. Мoscow: Nedra Publ.; 1974. 280 p. (In Russ.)Yao Z., Cai H., Xue W., Wang X., Wang Z. Numerical simulation and measurement analysis of the temperature field of artificial freezing shaft sinking in Cretaceous strata. AIP Advances. 2019;9(2):025209. https://doi.org/10.1063/1.5085806Yao Z., Cai H., Xue W., Wang X., Wang Z. Numerical simulation and measurement analysis of the temperature field of artificial freezing shaft sinking in Cretaceous strata. AIP Advances. 2019;9(2):025209. https://doi.org/10.1063/1.5085806Voller V. R., Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1987;30(8):1709–1719. https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90317-6Voller V. R., Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology for convection-diffusion mushy region phase-change problems. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1987;30(8):1709–1719. https://doi.org/10.1016/0017-9310(87)90317-6Schneider M. C., Beckermann C. A numerical study of the combined effects of microsegregation, mushy zone permeability and fllow, caused by volume contraction and thermosolutal convection, on macrosegregation and eutectic formation in binary alloy solidification. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1995;38(18):3455–3473. https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00054-DSchneider M. C., Beckermann C. A numerical study of the combined effects of microsegregation, mushy zone permeability and fllow, caused by volume contraction and thermosolutal convection, on macrosegregation and eutectic formation in binary alloy solidification. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1995;38(18):3455–3473. https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00054-DAlzoubi M. A., Nie-Rouquette A., Sasmito A. P. Conjugate heat transfer in artificial ground freezing using enthalpy-porosity method: experiments and model validation. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;126:740–752. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.059Alzoubi M. A., Nie-Rouquette A., Sasmito A. P. Conjugate heat transfer in artificial ground freezing using enthalpy-porosity method: experiments and model validation. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;126:740–752. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.059Del Giudice S., Comini G., Lewis R. W. Finite element simulation of freezing processes in soils. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 1978;2(3):223–235. https://doi.org/10.1002/nag.1610020304Del Giudice S., Comini G., Lewis R. W. Finite element simulation of freezing processes in soils. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 1978;2(3):223–235. https://doi.org/10.1002/nag.1610020304Паршаков О. С. Обзор аварийных ситуаций при строительстве шахтных стволов специальным способом искусственного замораживания горных пород. Горное эхо. 2019;(2):89–92. https://doi.org/10.7242/echo.2019.2.21Parshakov O. S. Review of emergency situations during construction of mine shafts by a special method of artificial freezing of rocks. Gornoe ekho. 2019;(2):89–92. (In Russ.). https://doi.org/10.7242/echo.2019.2.21Паланкоев И. М. Анализ причин возникновения аварийных ситуаций при проходке вертикальных стволов способом искусственного замораживания грунтов. Безопасность труда в промышленности. 2014;(2):49–53.Palankoev I. М. Analysis of the causes of emergencies when sinking vertical shafts using artificial ground freezing. Bezopasnost’ truda v promyshlennosti. 2014;(2):49–53. (In Russ.).Левин Л. Ю., Семин М. А., Зайцев А. В. Калибровка теплофизических свойств породного массива при моделировании формирования ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов. Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых. 2019;(1):172–184. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20190119Levin L. Y., Semin M. A., Zaitsev A. V. Adjustment of thermophysical rock mass properties in modeling frozen wall formation in mine shafts under construction. Journal of Mining Science. 2019;55(1):157–168. https://doi.org/10.1134/S1062739119015419Санфиров И. А., Ярославцев А. Г., Чугаев А. В., Бабкин А. И., Байбакова Т.В. Контроль формирования ледопородного ограждения шахтного ствола комплексом наземных и скважинных сейсмо- разведочных методов. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2020;(3):34–46. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20200304Sanfirov I. A., Yaroslavtsev A. G., Chugaev A. V., Babkin A. I., Baibakova T. V. Frozen wall construction control in mine shafts using land and borehole seismology techniques. Journal of Mining Science. 2020;56(3):3597–369. https://doi.org/10.1134/S1062739120036641Hass H., Schaefers P. Chapter 54. Application of ground freezing for underground construction in soft ground. In: Kwast E. A., Bakker K. J., Broere W., Bezuijen A. (eds.) Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proceedings of the 5th International Symposium TC28. Amsterdam, the Netherlands, 15–17 June 2005. Pp. 405–412. URL: https://www.issmge.org/uploads/publications/6/11/2005_054.pdfHass H., Schaefers P. Chapter 54. Application of ground freezing for underground construction in soft ground. In: Kwast E. A., Bakker K. J., Broere W., Bezuijen A. (eds.) Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground: Proceedings of the 5th International Symposium TC28. Amsterdam, the Netherlands, 15–17 June 2005. Pp. 405–412. URL: https://www.issmge.org/uploads/publications/6/11/2005_054.pdfПаршаков О. С. Разработка автоматизированной системы термометрического контроля ледо- породных ограждений. [Дис.… к. т. н.]. Пермь; 2020. 140 с.Parshakov O. S. Development of an automated system for thermometric control of ice walls. [Ph.D. thesis in Engineering Science]. Perm; 2020. 140 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.