gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2023-04-105gscience-554Research ArticleMINING ROCK PROPERTIES. ROCK MECHANICS AND GEOPHYSICSСВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД. ГЕОМЕХАНИКА И ГЕОФИЗИКАAbsolute heat sources as a method to check the accuracy of temperature prediction in underground structures within cryolithozoneВлияние способа учета абсолютных источников тепла на точность прогноза температуры в подземных сооружениях криолитозоныhttps://orcid.org/0000-0002-5924-876XГалкинА. Ф.GalkinA. F.

Александр Фёдорович Галкин – доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории геотермии криолитозоны

Якутск

Scopus ID 56559565600

Alexander F. Galkin – Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher of the Laboratory of Geothermal Permafrost

Yakutsk

Scopus ID 56559565600

afgalkin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4933-0265ПанковВ. Ю.PankovV. Yu.

Владимир Юрьевич Панков – кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры автомобильных дорог и аэродромов

Якутск

Scopus ID 57216812632

Vladimir Yu. Pankov – Cand. Sci. (Geol. and Miner.), Associate Professor of the Department of Automobile Roads and Airfields

Yakutsk

Scopus ID 57216812632

pankov1956@inbox.ruИнститут мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАНРоссияP.I. Melnikov Geocryology Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСеверо-Восточный федеральный университет им. М. К. АммосоваРоссияNorth-Eastern Federal University named after M.K. AmmosovRussian Federation20230810202383207214Copyright © Galkin A.F., Pankov V.Y., 20232023Галкин А.Ф., Панков В.Ю.Galkin A.F., Pankov V.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/554

Forecasting the thermal regime of mine workings and the surrounding rock mass is a necessary element of the design of underground structures in cryolithic zone. This is particularly necessary when substantiating and selecting reliable methods and means of rock supporting, in order to ensure safe operation of underground structures during the entire standard service life. Changes in the temperature of discontinuous permafrost rocks in the range of negative values (below the ice point in the rock) can lead to a decrease in their strength characteristics, and consequently to a decrease in the stability of workings. The aim of the research was to compare two ways of considering absolute heat sources (point sources and sources uniformly distributed along the length of a mine working) when forecasting the thermal regime in mine workings of underground structures. The dependencies used to determine temperature differences in various methods of considering absolute heat sources were established. For the sake of generality, the dependencies were produced in dimensionless (criterial) form. The variants were calculated, and the results are presented in the form of graphs. The aim is to visually present the influence of the method of heat sources when considering the accuracy of air temperature prediction in an underground facility. Key qualitative and quantitative features of the formation of thermal regime in workings at different methods of considering absolute heat sources were established. It was shown in particular that during the transition from a negative temperature in a working to a positive one, incorrect consideration of the action of absolute heat sources can lead to an almost 30 % (1.26 times) difference (i.e., error) in the calculated depth of thawing of discontinuous rocks. It was also established that at a positive temperature, when the initial air temperature in a structure is more than 7.5 oC, there is no fundamental difference in engineering calculations results depending on the method of considering of absolute heat sources.

Прогноз теплового режима выработок и окружающего их массива горных пород является необходимым элементом проектирования подземных сооружений криолитозоны, в частности, при обосновании и выборе надежных способов и средств крепления породных обнажений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию подземных сооружений в течение всего нормативного срока. Даже изменение температуры дисперсных мерзлых пород в диапазоне отрицательных значений (ниже температуры плавления льда в породе) приводит к уменьшению их прочностных характеристик, а следовательно, и к снижению устойчивости выработок. Целью исследований было сравнение двух способов учета абсолютных источников тепла (как точечных источников и как равномерно распределенных по длине выработки источников) при прогнозе теплового режима в горных выработках подземных сооружений. Получены расчетные зависимости для определения температурных отклонений при различных способах учета абсолютных источников. Для общности анализа расчётные зависимости получены в безразмерном (критериальном) виде. Проведены вариантные расчеты, результаты которых представлены в виде графиков, позволяющих наглядно оценить влияние способа учета источников тепла на точность прогноза температуры воздуха в подземном сооружении. Установлены основные качественные и количественные особенности формирования теплового режима в выработках при различных способах учета абсолютных источников тепла. В частности, показано, что при переходе от отрицательного теплового режима в выработке к положительному неправильный учет действия абсолютных источников тепла может привести к изменению глубины оттаивания дисперсных пород почти на 30 % (в 1,26 раза). В то же время установлено, что при положительном тепловом режиме для начальной температуры воздуха в сооружении больше 7,5 ºС принципиальной разности для инженерных расчетов в способе учета абсолютных источников тепла нет.

подземное сооружениекриолитозонабезопасностьтепловой режимпрогнозисточник тепласпособ учетатемператураunderground structurecryolithozonesafetythermal regimeforecastheat sourcemethod of consideringtemperatureReferencesZhirkov A., Permyakov P., Wen Z., Kirillin A. Influence of rainfall changes on the temperature regime of permafrost in Central Yakutia. Land. 2021;10(11):1230. https://doi.org/10.3390/land10111230Zhirkov A., Permyakov P., Wen Z., Kirillin A. Influence of rainfall changes on the temperature regime of permafrost in Central Yakutia. Land. 2021;10(11):1230. https://doi.org/10.3390/land10111230Станиловская Ю. В., Мерзляков В. П., Сергеев Д. О., Хименков А. Н. Оценка опасности полигонально-жильных льдов для линейных сооружений. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2014;(4):367–378.Stanilovskaya Yu. V., Merzlyakov V. P., Sergeev D. O., Khimenkov A. N. Ice wedge hazard assessment for linear objects. Geoekologiya. Inzheneraya Geologiya, Gidrogeologiya, Geokriologiya. 2014;(4):367–378. (In Russ.)Eppelbaum L. V., Kutasov I. M. Well drilling in permafrost regions: Dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019;38(2):3351. https://doi.org/10.33265/polar.v38.3351Eppelbaum L. V., Kutasov I. M. Well drilling in permafrost regions: Dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019;38(2):3351. https://doi.org/10.33265/polar.v38.3351Gao Q., Wen Z., Feng W. et al. Effect of a ventilated open structure on the stability of bored piles in permafrost regions of the Tibetan plateau. Cold Regions Science and Technology. 2020;178:103–116. https:// doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103116Gao Q., Wen Z., Feng W. et al. Effect of a ventilated open structure on the stability of bored piles in permafrost regions of the Tibetan plateau. Cold Regions Science and Technology. 2020;178:103–116. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103116Zhelezniak M., Kirillin A., Zhirkov A. et al. Permafrost distribution and temperature in the Elkon Horst, Russia. Sciences in Cold and Arid Regions. 2021;13(2):107–122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1226.2021.20027Zhelezniak M., Kirillin A., Zhirkov A. et al. Permafrost distribution and temperature in the Elkon Horst, Russia. Sciences in Cold and Arid Regions. 2021;13(2):107–122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1226.2021.20027Wen Z., Wang D., Ma W. et al. Thermal interaction between a thermokarst lake and a nearby embankment in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2018;155:214–224. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.08.010Wen Z., Wang D., Ma W. et al. Thermal interaction between a thermokarst lake and a nearby embankment in permafrost regions. Cold Regions Science and Technology. 2018;155:214–224. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.08.010Permyakov P. P., Zhirkov A. F., Varlamov S. P. Numerical modeling of railway embankment deformations in permafrost regions, Central Yakutia. In: Petriaev A., Konon A. (eds.) Transportation Soil Engineering in Cold Regions, Volume 2. Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 50. Singapore: Springer; 2020. Pp. 93–103. https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_11Permyakov P. P., Zhirkov A. F., Varlamov S. P. Numerical modeling of railway embankment deformations in permafrost regions, Central Yakutia. In: Petriaev A., Konon A. (eds.) Transportation Soil Engineering in Cold Regions, Volume 2. Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 50. Singapore: Springer; 2020. Pp. 93–103. https://doi.org/10.1007/978-981-15-0454-9_11Жирков А. Ф., Железняк М. Н., Шац М. М., Сивцев М. А. Численное моделирование изменения мерзлотных условий взлётно-посадочной полосы аэропорта Олекминск. Маркшейдерия и недропользование. 2021;(5):22–32.Zhirkov A., Zheleznyak M., Shats M., Sivtsev M. Numerical simulation change permafrost conditions of the runway airport Olekminsk. Mine Surveying and Subsurface Use. 2021;(5):22–32. (In Russ.)Пермяков П. П., Жирков А. Ф., Железняк М. Н. Учет процесса внутрипочвенной конденсации при моделировании тепловлагообмена в мерзлых грунтах. Инженерно-физический журнал. 2021;94(5):1260–1270. (Перев. вер.: Permyakov P. P., Zhirkov A. F., Zheleznyak M. N. Account for the process of underground condensation in modeling heat and moisture exchange in frozen soils. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021;94(5): 1232–1241. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02404-8)Permyakov P. P., Zhirkov A. F., Zheleznyak M. N. Account for the process of underground condensation in modeling heat and moisture exchange in frozen soils. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021;94(5):1232–1241. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02404-8 (Orig. ver.: Permyakov P. P., Zhirkov A. F., Zheleznyak M. N. Account for the process of underground condensation in modeling heat and moisture exchange in frozen soils. Inzhenerno-Fizicheskiy Zhurnal. 2021;94(5):1260–1270. (In Russ.))Kutasov I. M., Eppelbaum L. V. The effect of thermal properties changing (at ice-water transition) on the radius of permafrost thawing. Cold Regions Science and Technology. 2018;151:156–158.Kutasov I. M., Eppelbaum L. V. The effect of thermal properties changing (at ice-water transition) on the radius of permafrost thawing. Cold Regions Science and Technology. 2018;151:156–158.Железняк М. Н., Шац М. М. Теплофизическая характеристика алмазного месторождения «Айхал» (Якутия). Недропользование XXI век. 2022;(1):98–103. URL: https://nedra21.ru/archive/160/2864/Zheleznyak M. N., Shatz M. M. Teplofizical conditions of diamond deposit of the Aikhal (Yakutia). Nedropol’zovaniye XXI Vek. 2022;(1):98–103. (In Russ.) URL: https://nedra21.ru/archive/160/2864/Николаева М. В., Стручкова Г. П. Прогнозирование теплового взаимодействия участка подземного трубопровода с льдистыми грунтами. Технологии нефти и газа. 2018;(4):56–60.Nikolaeva M. V., Struchkova G. P. Forecasting the thermal interaction of underground pipeline with ice grounds. Tekhnologii Nefti i Gaza. 2018;(4):56–60. (In Russ.)Дядькин Ю. Д. Основы горной теплофизики. М.: Недра; 1968. 256 с.Dyadkin Yu. D. Fundamentals of mining thermal physics. Moscow: Nedra Publ.; 1968. 256 p. (In Russ.)Скуба В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука; 1974. 118 с.Skuba V. N. Study of mine workings stability in permafrost conditions. Novosibirsk: Nauka Publ.; 1974. 118 p. (In Russ.)Шерстов В. А. Повышение устойчивости выработок россыпных шахт Севера. Новосибирск: Наука; 1980. 56 с.Sherstov V. A. Improving stability of mine workings at placer mines in the North. Novosibirsk: Nauka Publ.; 1980. 56 p. (In Russ.)Кузьмин Г. П. Подземные сооружения в криолитозоне. Новосибирск: Наука; 2002.176 с.Kuzmin G. P. Underground structures in cryolithozone. Novosibirsk: Nauka Publ.; 2002. 176 p. (In Russ.)Воропаев А. Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. М.: Недра; 1968. 249 с.Voropaev A. F. Theory of heat exchange of mine air and rocks in deep mines. Moscow: Nedra Publ.; 1968. 249 p. (In Russ.)Вернигор В. М., Морозов К. В., Бобровников В. Н. О подходах к проектированию теплового режима рудников в условиях многолетнемерзлых пород. Записки Горного института. 2013;205:139–140. URL: https://pmi.spmi.ru/index.php/pmi/article/view/5508?setLocale=ru_RUVernigor V. M., Morozov K. V., Bobrovnikov V. N. On approaches to designing of thermal regime at ore mines under permafrost conditions. Journal of Mining Institute. 2013;205:139–140. (In Russ.) URL: https://pmi.spmi.ru/index.php/pmi/article/view/5508?setLocale=en_USZhang S., Teng J., He Z. et al. Canopy effect caused by vapour transfer in covered freezing soils. Géotechnique. 2016;66(11):927–940. https://doi.org/10.1680/jgeot.16.P.016Zhang S., Teng J., He Z. et al. Canopy effect caused by vapour transfer in covered freezing soils. Géotechnique. 2016;66(11):927–940. https://doi.org/10.1680/jgeot.16.P.016Teng J., Shan F., He Z. et al. Experimental study of ice accumulation in unsaturated clean sand. Géotechnique. 2019;69(3):251–259. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208Teng J., Shan F., He Z. et al. Experimental study of ice accumulation in unsaturated clean sand. Géotechnique. 2019;69(3):251–259. https://doi.org/10.1680/jgeot.17.P.208Xu G., Qi J., Wu W. Temperature Effect on the compressive strength of frozen soils: a review. recent advances in geotechnical research. In: Wu, W. (eds.) Recent Advances in Geotechnical Research. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Springer, Cham.; 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89671-7_19Xu G., Qi J., Wu W. Temperature Effect on the compressive strength of frozen soils: a review. recent advances in geotechnical research. In: Wu, W. (eds.) Recent Advances in Geotechnical Research. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Springer, Cham; 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89671-7_19Niu F., Li A., Luo J. et al. Soil moisture, ground temperatures, and deformation of a high-speed railway embankment in Northeast China. Cold Regions Science and Technology. 2017;133:7–14. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.007Niu F., Li A., Luo J. et al. Soil moisture, ground temperatures, and deformation of a high-speed railway embankment in Northeast China. Cold Regions Science and Technology. 2017;133:7–14. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.007Хименков А. Н., Гагарин В. Е. Подходы к изучению деформаций в многолетнемёрзлых грунтах. Арктика и Антарктика. 2022;(2):36–65. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229Khimenkov A. N., Gagarin V. E. Approaches to the study of deformations in permafrost soils. Arctic and Antarctica. 2022;(2):36–65. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229Вахрин И. С., Кузьмин Г. П., Спектр В. В. Деформационные характеристики оттаивающих грунтов естественного сложения. Успехи современного естествознания. 2020;(8):37–42. https://doi.org/10.17513/use.37455Vakhrin I. S., Kuzmin G. P., Spektr V. V. Haw deformation characteristics of undisturbed soils. Advances in Current Natural Sciences. 2020;(8):37–42. (In Russ.) https://doi.org/10.17513/use.37455Галкин А. Ф. Повышение устойчивости горных выработок в криолитозоне. Записки Горного института. 2014;207:99–102. URL: https://pmi.spmi.ru/index.php/pmi/article/view/5392Galkin A. F. Increase of stability of mine workings in the permafrost zone. Journal of Mining Institute. 2014;207:99–102. (In Russ.) URL: https://pmi.spmi.ru/index.php/pmi/article/view/5392Galkin A. F., Pankov V. Yu. Formation of thermal regime in a permafrost area mine. In: Beskopylny A., Shamtsyan M. (eds) XIV International Scientific Conference “INTERAGROMASH 2021”. Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 247. Springer, Cham; 2022. Pp. 205–213. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80946-1_21Galkin A. F., Pankov V. Yu. Formation of thermal regime in a permafrost area mine. In: Beskopylny A., Shamtsyan M. (eds) XIV International Scientific Conference “INTERAGROMASH 2021”. Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 247. Springer, Cham; 2022. Pp. 205–213. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80946-1_21Щербань А. Н., Кремнев О. А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. Киев: АН УССР; 1959. 430 с.Shcherban A. N., Kremnev O. A. Scientific basis for calculating and regulating thermal regime of deep mines. Kyiv: Academy of Sciences of the Ukrainian SSR; 1959. 430 p. (In Russ.)Казаков Б. П., Шалимов А. В., Зайцев А. В. Влияние закладочных работ на формирование теплового режима в горных выработках в условиях рудников ОАО «Норильский никель». Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2012;(2):110–114.Kazakov B., Zaytsev A., Shalimov A. Influence of backfill operations on the formation of thermal conditions of mine workings in OJSC MMC “Norilsk Nickel”. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Geology. Oil and Gas and Mining. 2012;(2):110–114. (In Russ.)Курилко А. С., Хохолов Ю. А., Соловьев Д. Е. Особенности формирования теплового режима россыпных шахт криолитозоны при ведении добычных работ с применением самоходной техники. Горный журнал. 2015;(4):29–32. https://doi.org/10.17580/gzh.2015.04.06Kurilko A. S., Khokholov Yu. A., Soloviev D. E. Features of formation of temperature conditions in placer mines equipped with self-propelled machines in permafrost zone. Gornyi Zhurnal. 2015;(4):29–32. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2015.04.06Казаков Б. П., Зайцев А. В. Исследование процессов формирования теплового режима глубоких шахт и рудников. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014;(10):91–97.Kazakov B. P., Zaitsev A. V. Study of the formation of thermal regimes in deep mines. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Geology. Oil and Gas and Mining. 2014;(10):91–97. (In Russ.)Галкин А. Ф., Дормидонтов А. В., Курта И. В., Короткова К. Б. Влияние дизельных машин на температурный режим горных выработок. Естественные и технические науки. 2018;(5):84–86.Galkin A. F., Dormidontov A. V., Kurta I. V., Korotkova K. B. Influence of diesel vehicles on the temperature regime of mine workings. Estestvennye i Tekhnicheskie Nauki. 2018;(5):84–86. (In Russ.)Галкин А. Ф., Панков В. Ю., Фёдоров Я. В. Изменение температуры в камерах подземных сооружений при работе дизельных установок. Вопросы безопасности. 2022;(4):27–33. https://doi.org/10.25136/2409-7543.2022.4.38938Galkin A., Pankov V. Y., Fedorov Y. V. Temperature Change in the Chambers of Underground Structures when operating Diesel Units. Security Issues. 2022;(4):27–33. https://doi.org/10.25136/2409-7543.2022.4.38938Черняк В. П., Щербань А. Н. Методы прогноза теплового режима глубоких шахт. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1977;(2):88–92.Chernyak V. P., Shcherban A. N. Methods for predicting thermal regime of deep mines. Fiziko- Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 1977;(2):88–92 (In Russ.)Щербань А. Н., Черняк В. П., Брайчева Н. А. Решение системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами для расчета температуры рудничного воздуха. Доклады Академии наук Украинской ССР. Серия А: Физико-математические и технические науки. 1975;(9):843–847.Shcherban A. N., Chernyak V. P., Braicheva N. A. Solution of a system of differential equations with variable coefficients to calculate the temperature of mine air. Doklady Akademii nauk Ukrainskoy SSR. Seriya A: Fiziko-Matematicheskie i Tekhnicheskie Nauki. 1975;(9):843–847 (In Russ.)Добрянский Ю. П. Расчеты на ЭВМ тепловлажностных режимов подземных выработок. Киев: Наукова думка; 1991. 122 с.Dobryansky Yu. P. Computations of heat and humidity regimes of underground workings. Kyiv: Naukova Dumka Publ.; 1991. 122 p. (In Russ.)Galkin A. F., Pankov V. Yu. Forecasting of thermal regime in an oil mine. In: Mottaeva A. (eds.) Technological Advancements in Construction. Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 180. Springer, Cham; 2022. Pp. 39–46. https://doi.org/10.1007/978-3-030-83917-8_4Galkin A. F., Pankov V. Yu. Forecasting of thermal regime in an oil mine. In: Mottaeva A. (eds.) Technological Advancements in Construction. Lecture Notes in Civil Engineering, Vol. 180. Springer, Cham; 2022. Pp. 39–46. https://doi.org/10.1007/978-3-030-83917-8_4

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