Анализ процесса оттаивания горных пород при проходке шахтных стволов способом искусственного замораживания

Представлены экспериментальные данные, полученные в результате контролирования состояния ледопородных ограждений, строящихся шахтных стволов двух рудников, разрабатывающих Старобинское и Верхнекамское месторождения калийных солей. На основе экспериментальных данных приведен сравнительный анализ динамики температуры рассматриваемых горных пород в различные периоды эволюции ледопородных ограждений стволов. Для оценки теплового баланса участков породного массива выполнен расчет количества теплоты, отобранной и привнесенной в соответствующие периоды замораживания и оттаивания горных пород. Принимая во внимание опыт проходки шахтных стволов способом искусственного замораживания, установлено, что выбор способа размораживания породного массива преимущественно зависит от фактического план-графика строительства отдельного горнодобывающего предприятия. При помощи откалиброванных моделей термодинамических процессов, происходящих в замораживаемых участках породного массива, произведена серия численных расчетов теплораспределения, ориентированных на повышение эффективности и безопасности проходки вертикальных стволов. Результаты многовариантного моделирования позволили определить наиболее целесообразные способы оттаивания горных пород с учетом условий их предварительного замораживания и текущего графика строительства горно-обогатительных комплексов. Установлено, что при использовании способа искусственного оттаивания длительность периода стабилизации температурного поля предварительно замороженного породного массива до состояния, близкого к естественной геотермии породного массива (с отклонением не более чем ± 2 °С), превышает весь срок строительства шахтных стволов.

Ключевые слова: ледопородное ограждение, породный массив, искусственное замораживание, оттаивание горных пород, температурное поле, шахтный ствол, система контроля, экспериментальные данные.
Как процитировать:

Паршаков О. С., Левин Л. Ю., Семин М. А. Анализ процесса оттаивания горных пород при проходке шахтных стволов способом искусственного замораживания // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 8. – С. 51–69. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_8_0_51.

Благодарности:

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 19-77-30008.

Номер: 8
Год: 2021
Номера страниц: 51-69
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.253
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_8_0_51
Дата поступления: 21.10.2020
Дата получения рецензии: 20.11.2020
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.07.2021
Информация об авторах:

Паршаков Олег Сергеевич1 — младший научный сотрудник, e-mail: olegparshakov@gmail.com,
Левин Лев Юрьевич1 — д-р техн. наук, зав. отделом аэрологии и теплофизики, e-mail: aerolog.lev@gmail.com,
Семин Михаил Александрович1 — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: mishkasemin@gmail.com,
1 Горный институт Уральского отделения РАН.

 

Контактное лицо:

Паршаков О.С., e-mail: olegparshakov@gmail.com.

Список литературы:

1. Трупак Н. Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. — М.: Углетехиздат, 1954. — 896 с.

2. Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве горных. — М.: Недра, 1974. — 281 с.

3. Долгов O. A. Методика расчета процесса замораживания горных пород при проходке стволов шахт способом замораживания на большую глубину / Замораживание горных пород при проходке стволов шахт. — М.: изд-во АН СССР, 1961. — С. 9—64.

4. 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, vol. 126, pp. 740—752.

5. Liu Z., Sun Y., Wang B., Li Q. Experimental study of artificial ground freezing by natural cold gas injection // Applied Sciences. 2020, vol. 10, no. 17, article 6055. DOI: 10.3390/ app10176055.

6. СП 103.13330.2012 Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод, утв. приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) 30.06.2012 г. — 68 с.

7. СП 45.13330.2012 Земляные сооружения, основания и фундаменты, утв. приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) 29.12.2011 г. — 140 с.

8. Sopko J. Ground control // Tunnels and tunneling. Technical/Geotechnical Engineering. 2017, October-November, pp. 34—37.

9. Ольховиков Ю. П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. — М.: Недра, 1984. — 238 с.

10. Пугин А. В. Исследование динамики тепловых полей при размораживании ледопородных ограждений строящихся стволов // Стратегия и процессы освоения георесурсов. — 2018. — Т. 16. — С. 272—275. DOI: 10.7242/GDSP.2018.16.73.

11. Tao H., Weihao Y., Zhijiang Y., Chi Z., Dongliang B. Monitoring study of shaft lining concrete strain in freezing water-bearing soft rock during mine shaft construction period in West China // Procedia Engineering. 2011, vol. 26, pp. 992—1000. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.11.2266.

12. Астафьева Т., Иголка Д. Механизированная проходка шахтных стволов: быстро, экономично, безопасно // Глобус. Геология и бизнес. — 2020. — № 4(63). — С. 128—135.

13. Паршаков О. С. Разработка автоматизированной системы термометрического контроля ледопородных ограждений: Дис. … канд. техн. наук. — Пермь, 2019. — 140 с.

14. Левин Л. Ю., Богомягков А. В., Паршаков О. С., Семин М. А. Применение программного комплекса «FrozenWall» для расчета искусственного замораживания пород // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2019. — № 4. — С. 269—281.

15. Шишкин В. В., Грачев И. В., Шелемба И. С. Отечественный опыт производства и применения волоконно-оптических датчиков // Прикладная фотоника. — 2016. — Т. 3. — № 1. — С. 61—75.

16. Hoffmann L., Müller M. S., Krämer S., Giebel M., Schwotzer G., Wieduwilt T. Applications of fibre optic temperature measurement // Estonian Journal of Engineering. 2007, vol. 13, no. 4, pp. 363—378.

17. Левин Л .Ю., Семин М. А., Паршаков О. С. Совершенствование методов прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов с использованием распределенных измерений температуры в контрольных скважинах // Записки Горного института. — 2019. — Т. 237. — С. 268—274.

18. Иудин М. М. Обеспечение безопасности устойчивости ствола при оттаивании ледопородного ограждения // Вестник ЯГУ. — 2009. — Т. 6. — № 1. — С. 46—50.

19. Тарасов В. В., Кошев Г. Я., Загвоздкин И. В., Чагинов А. В., Николаев П. В. О решении проблем безопасности при строительстве вертикальных стволов на калийных месторождениях в период оттаивания ледопородного ограждения // Безопасность труда в промышленности. — 2016. — № 9. — С. 55—59.

20. Alzoubi M. A., Zueter A., Nie-Rouquette A., Sasmito A. P. Freezing on demand. A new concept for mine safety and energy savings in wet underground mines // International Journal of Mining Science and Technology. 2019, vol. 29, no. 4, pp. 621—627.

21. Щербань А. Н., Кремнев О. А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт. Т. 1. — Киев: изд-во АН УССР, 1959. — 430 с.

22. Hu R., Liu Q., Xing Y. Case study of heat transfer during artificial ground freezing with groundwater flow // Water (Switzerland). 2018, vol. 10, no. 10. DOI: 10.3390/w10101322.

23. Vitel M., Rouabhi A., Tijani M., Guérin F. Thermo-hydraulic modeling of artificial ground freezing: Application to an underground mine in fractured sandstone // Computers and Geotechnics. 2016, vol. 75, pp. 80–92. DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.01.024.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.