Особенности проходки зоны температурного градиента при строительстве вертикальных стволов с использованием метода искусственного замораживания пород

Изучены причины прорыва рассолов в зоне температурного градиента при строительстве вертикальных шахтных стволов с применением метода искусственного замораживания пород. С целью предотвращения попадания рассолов в ствол предложено проведение тампонажа горных пород в этой зоне как обязательного мероприятия, а также обоснована необходимость совершенствования способов его проведения. Проблема аварийных водопроявлений характерна, в основном, при строительстве рудников для добычи калийных и соляных руд, что связано с растворимостью галитовых, сильвинитовых и карналлитовых отложений, слагающих соляную толщу. Главной опасностью при разработке данных типов месторождений является необратимость затопления рудника и невосстановимые потери полезного ископаемого. Приток грунтовых вод может до такой степени повлиять на способ разработки, что вместо сухой добычи будет возможна только добыча с подземным растворением солей. По этой причине технологии строительства рудников для добычи соли очень требовательны к вопросам защиты от водопритоков и безопасной организации работ. Аварии, связанные с прорывами вод, происходили на разных этапах освоения месторождений, в том числе и при проходке вскрывающих выработок. Наиболее распространенным способом охраны выработок при вертикальной проходке через водоносные горизонты при вскрытии соляных месторождений является замораживание вмещающих пород. Из истории применения метода искусственного замораживания пород известно, что наиболее часто аварийные ситуации возникали на границе между замороженными и незамороженными породами, из чего следует, что технологии ведения работ на данном участке требуют особого анализа и прогноза.

Апарин А. Г., Санковский А. А. Особенности проходки зоны температурного градиента при строительстве вертикальных стволов с использованием метода искусственного замораживания пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 2. – С. 51–61. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_2_0_51.

Апарин Алексей Геннадьевич¹ — аспирант,
Санковский Александр Андреевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: alekseyap@icloud.com,
¹ Санкт-Петербургский горный университет.

Апарин А.Г., e-mail: alekseyap@icloud.com.

1. Cocker M. D. Orris G. D. World potash developments / Proceedings of the 48th Annual Forum on the Geology of Industrial Minerals. Phoenix, 2012, pp. 1—16.

2. Зубов В. П., Смычник А. Д. Снижение рисков затопления калийных рудников при прорывах в горные выработки подземных вод // Записки Горного Института. — 2015. — Т. 215. — С. 29—37.

3. Лаптев Б. В. Аварийные ситуации на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей // Безопасность труда в промышленности. — 2009. — № 8. — С. 28—31.

4. Whyatt J. K., Varley F. D. Catastrophic failures of underground evaporite // Proceedings of the 27th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, 2008, pp. 113—122.

5. Томас А., Ральф Ш. Буровые работы для проходимых способом замораживания стволов в России — Усть-Яйвинский рудник // Mining Report 149. 2013, no. 2, Отдельный выпуск, pp. 80–87. DOI: 10.1002/mire.201300010.

6. Vitel M., Rouabhi A., Tijani M., Guérin F. Modeling heat and mass transfer during ground freezing subjected to high seepage velocities // Computers and Geotechnics. 2016, vol. 73, pp. 1—15.

7. Marwan A., Meng-Meng Zhou, Zaki M., Meschke G. Optimization of artificial ground freezing in tunneling in the presence of seepage flow // Computers and Geotechnics. 2016, no. 75, pp. 112—125.

8. Alzoubi M., Ghoreishi-Madiseh S., Hassani F., Sasmito A. P. Heat transfer analysis in artificial ground freezing under high seepage: Validation and heatlines visualization // International Journal of Thermal Sciences. 2019, no. 139, pp. 1—45.

9. Alzoubi M., 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, no. 29, pp. 1—25.

10. Pingsheng Wang, Guoqing Zhou Frost-heaving pressure in geotechnical engineering materials during freezing process // International Journal of Mining Science and Technology. 2018, vol. 28, no. 2, pp. 287—296.

11. Паланков И. М. Анализ причин возникновения аварийных ситуаций при проходке вертикальных стволов способом искусственного замораживания грунтов // Безопасность труда в промышленности. — 2014. — № 2. — С. 49—53.

12. Головатый И. И., Левин Л. Ю., Паршаков О. С., Диулин Д. А. Оптимизация процессов формирования ледопородного ограждения при сооружении шахтных стволов // Горный журнал. — 2018. — № 8. — С. 48—53.

13. Паньков И. Л. Изучение влияния температурного фактора на прочностные и деформационные показатели пород надсолевой толщи при объемном нагружении // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сборник научных трудов. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2014. — С. 105—107.

14. Красноштейн А. Е., Барях А. А., Санфиров И. А. Горнотехнические аварии: затопление Первого Березниковского калийного рудника // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. — 2013. — № 2. — С. 40—49.

15. Васильчук М. П., Иофис М. А. Анализ геомеханических процессов и причин аварий на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей // Маркшейдерский вестник. — 2007. — № 1(59). — С. 30—32.

16. Домрачев А. Н., Говорухин Ю. М., Криволапов В. Г., Палеев Д. Ю. Анализ и прогноз динамики аварий и инцидентов на предприятиях горной промышленности и подземного строительства Российской Федерации // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. — 2019. — № 5. — С. 448—450.

17. Куликова А. А., Овчинникова Т. И. К вопросу снижения геоэкологических рисков на горнодобывающих предприятиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 2-1. — С. 251–262. DOI: 10.25018/0236-1493-2021-21-0-251-262.

18. Рудковский Р. Р., Трофимов В. Л., Хазиев Ф. Ф. Блуждающие рассолы соляных толщ и мероприятия по защите горных выработок от их затопления // Разведка и охрана недр. — 2011. — № 1. — С. 66—73.

19. Барях А. А., Евсеев А. В. Ликвидация калийных рудников и соляных шахт: обзор и анализ проблемы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 9. — С. 5—25. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-09-0-5-29.

20. Пономаренко Т. В. Экологические, экономические и социальные последствия аварийных ситуаций на калийных рудниках // Management Systems in Production Engineering. — 2012. — № 2(6). — С. 28—31.

21. Батурин Е. Н., Меньшикова Е. А., Блинов С. М., Наумов Д. Ю., Белкин П. А. Проблемы освоения крупнейших калийных месторождений мира // Современные проблемы науки и образования. — 2012. — № 6. — С. 613.

22. Паланкоев И. М. Оценка степени риска возникновения аварийных ситуаций при строительстве вертикальных шахтных стволов способом искусственного замораживания // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 6. — С. 44—51.

23. 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. — С. 257—265.

24. Ударцев А. А. Параметры ползучести пород надсолевой толщи новосоликамского участка ВКМКС в условиях отрицательных температур // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сборник научных трудов. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2016. — С. 126—128.

25. Ван Хайден T., Бьерн В. Современная технология замораживания пород на примере двух объектов, находящихся на стадии строительства, состоящих из пяти вертикальных шахтных стволов // Горный журнал. — 2014. — № 9. — С. 65—67.

26. Тарасов В. В., Кошев Г. Я., Загвоздкин И. В. Решение проблем безопасности при строительстве вертикальных стволов на калийных месторождениях // Безопасность труда в промышленности. — 2015. — № 8. — С. 64—67.

27. Greinacher J., Oellers T., Ahlbrecht T. The importance of mines for ultimate storage at Deilmann-Haniel Shaft Sinking. Der Stellenwert des Endlagerbergbaus bei der Deilmann-Haniel Shaft Sinking. Germany, 2011.

28. Прохоров А. Е., Плехов О. А. Разработка системы мониторинга нестационарных температур и деформаций во влагонасыщенном грунте в условиях фазового перехода на базе оптоволоконных датчиков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. — 2019. — № 1. — С. 131—139.

29. Витязь П. А., Головатый И. И., Прушак В. Я., Диулин Д. А. Технология устройства ледопородного ограждения при проходке шахтных стволов на примере объектов петриковского ГОКа // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. — 2019. — T. 64. — № 3. — С. 366–377.

30. Иудин М. М. Обеспечение безопасности устойчивости ствола при оттаивании ледопородного ограждения // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. — 2009. — T. 6. — № 1. — 46—50.

31. Карасев М. А. Влияние температуры на напряженно-деформированное состояние системы «крепь-массив» // Записки Горного института. — 2004. — Т. 159. — С. 80—82.

32. Сулейманов Р. Н., Чекалкин А. А. Математическое моделирование температурных полей ледопородных массивов с учетом фазовых переходов в процессе проходки шахтных стволов // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. — 2020. — № 2. — С. 6—16.

33. Попов М. Г., Синегубов В. Ю. Использование экспериментально-численного метода прогноза смещений вокруг выработки в рудном массиве // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. — 2011. — № 6. — С. 70—73.

34. Федосеев С. М., Ларионов В. Р. О возможности применения молекулярных соединений для изоляции горных выработок криолитозоны от притока пластовых вод // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. — 2013. — № 69. — С. 24—27.

35. Demenkov P. A., Karasev M. A., Petrov D. N. Predicting land-surface deformations during the construction of underground facilities of complex spatial configuration // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2017, vol. 8, no. 11, pp. 1161—1171.

36. Плешко М. С., Армейсков В. Н., Петренко Л. А., Сулименко Р. И. О проблеме применения технологии струйной цементации при строительстве глубоких подземных сооружений // Инженерный вестник Дона. — 2016. — № 1 (40). — С. 47.

37. Трушко В. Л., Шоков А. Н. Влияние качества тампонажа закрепного пространства на напряженно-деформированное состояние пород призабойной зоны в протерозойских глинах // Записки Горного института. — 2012. — Т. 196. — С. 101—104.

38. Асанов В. А. Параметрическое обеспечение проектирования проходки стволов на новых участках ВКМКС // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сборник научных трудов. — Пермь: ГИ УрО РАН, 2014. — С. 102—104.

39. Шиповский К. А., Цивинский Д. Н. Оптимизация процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на основе мониторинга технико-технологических и геолого-геофизических параметров // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2012. — № 11. — С. 9—15.