Определение технологических параметров систем замораживания пород из условия поддержания проектной толщины ледопородного ограждения

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.

1. Семин 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/FTPRPI20200118

2. Ольховиков Ю. П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра; 1984. 238 с.

3. Andersland O. B., Ladanyi B. Frozen ground engineering. John Wiley & Sons; 2003.

4. Насонов И. Д., Ресин В. И., Федюкин В. А., Шуплик М. Н. Технология строительства подземных сооружений. Специальные способы строительства. М.: Недра, 1992. 351 с.

5. 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.2020.3.319

6. Zhang 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/10.1155/2018/8513413

7. Kostina 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.2018.12.260

8. Вялов С. С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов. М.: АН СССР; 1959. 192 с.

9. Дорман Я. А. Специальные способы работ при строительстве метрополитенов. М.: Транспорт, 1981. 302 с.

10. 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.pdf

11. Семин 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/10.18799/24131830/2020/9/2824

12. Alzoubi 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.2019.02.005

13. Marwan 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.2016.01.004

14. Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. М.: Недра; 1974. 280 с.

15. 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/10.1063/1.5085806

16. Voller 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)90317-6

17. Schneider 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-D

18. Alzoubi 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.2018.05.059

19. Del 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.1610020304

20. Паршаков 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.2019.2.21

21. Паланкоев И. М. Анализ причин возникновения аварийных ситуаций при проходке вертикальных стволов способом искусственного замораживания грунтов. Безопасность труда в промышленности. 2014;(2):49–53.

22. 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/FTPRPI20190119

23. Санфиров 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/FTPRPI20200304

24. Hass 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.pdf

25. Паршаков О. С. Разработка автоматизированной системы термометрического контроля ледо- породных ограждений. [Дис.… к. т. н.]. Пермь; 2020. 140 с.