Влияние способа учета абсолютных источников тепла на точность прогноза температуры в подземных сооружениях криолитозоны

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.

1. Zhirkov 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/land10111230

2. Станиловская 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.

3. 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.v38.3351

4. Gao 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.2020.103116

5. Zhelezniak 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.1226.2021.20027

6. Wen 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.2018.08.010

7. Permyakov 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_11

8. Жирков 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.

9. 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)

10. 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.

11. 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/

12. Николаева М. В., Стручкова Г. П. Прогнозирование теплового взаимодействия участка подземного трубопровода с льдистыми грунтами. Технологии нефти и газа. 2018;(4):56–60.

13. Дядькин Ю. Д. Основы горной теплофизики. М.: Недра; 1968. 256 с.

14. Скуба В. Н. Исследование устойчивости горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука; 1974. 118 с.

15. Шерстов В. А. Повышение устойчивости выработок россыпных шахт Севера. Новосибирск: Наука; 1980. 56 с.

16. Кузьмин Г. П. Подземные сооружения в криолитозоне. Новосибирск: Наука; 2002.176 с.

17. Воропаев А. Ф. Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород в глубоких шахтах. М.: Недра; 1968. 249 с.

18. 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_RU

19. Zhang 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.016

20. Teng 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.208

21. Xu 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_19

22. Niu 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.2016.10.007

23. Хименков А. Н., Гагарин В. Е. Подходы к изучению деформаций в многолетнемёрзлых грунтах. Арктика и Антарктика. 2022;(2):36–65. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229

24. Вахрин 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.37455

25. Галкин 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/5392

26. Galkin 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_21

27. Щербань А. Н., Кремнев О. А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. Киев: АН УССР; 1959. 430 с.

28. 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.

29. 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.2015.04.06

30. Казаков 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.

31. 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.

32. 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/10.25136/2409-7543.2022.4.38938

33. Черняк В. П., Щербань А. Н. Методы прогноза теплового режима глубоких шахт. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1977;(2):88–92.

34. 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.

35. Добрянский Ю. П. Расчеты на ЭВМ тепловлажностных режимов подземных выработок. Киев: Наукова думка; 1991. 122 с.

36. 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_4