Разработка критерия оценки несущей способности ледопородного ограждения по данным температурного мониторинга

Проведен анализ результатов теплотехнического расчета искусственного замораживания пород для строящегося ствола калийного рудника в Республике Беларусь. Использованная при расчетах модель тепловых процессов в замораживаемых породах валидирована по данным натурного мониторинга температур в контрольно-термических скважинах, установленных около контура замораживающих колонок. Выявлена неоднозначность параметра толщины ледопородного ограждения при количественной оценке его несущей способности в различные моменты времени. Достоверная оценка несущей способности ледопородного ограждения требует привлечения дополнительных критериев, например, его средней температуры. Показано, что толщина ЛПО и его средняя температура сильно меняются при переходе от активного замораживания к пассивному, а также при последующем переходе к стадии размораживания пород. Использование двух переменных во времени критериев для анализа состояния ледопородного ограждения оказывается не очень удобным, а потому в настоящей работе предложен новый критерий, идея которого заключается в прямом расчете предельной несущей способности ледопородного ограждения исходя из фактического поля температур в объеме замороженных пород и эмпирических зависимостей прочностных и деформационных свойств замороженных пород от температуры.

Семин М. А., Головатый И. И., Левин Л. Ю., Богомягков А. В. Разработка критерия оценки несущей способности ледопородного ограждения по данным температурного мониторинга // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 11. – С. 111–125. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_11_0_111.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках проекта (рег. номер ЦИТИС: 122030100425-6).

Семин Михаил Александрович¹ — д-р техн. наук, зав. лабораторией, e-mail: seminma@inbox.ru, ORCID ID: 0000-0001-5200-7931,
Головатый Иван Иванович — директор, ОАО «Беларуськалий», Солигорск, Беларусь, e-mail: iwan15@yandex.by, 
Левин Лев Юрьевич¹ — д-р техн. наук, член-корреспондент РАН, зав. отделом, зам. директора по научной работе, e-mail: aerolog_lev@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-0767-9207,
Богомягков Александр Васильевич¹ — младший научный сотрудник, e-mail: bavaerolog@gmail.com,
¹ Горный институт УрО РАН.

Семин М.А., e-mail: seminma@inbox.ru.

1. Fan W., Yang P. Ground temperature characteristics during artificial freezing around a subway cross passage // Transportation Geotechnics. 2019, vol. 20, article 100250. DOI: 10.1016/j. trgeo.2019.100250.

2. Hentrich N., Franz J. About the application of conventional and advanced freeze circle design methods for the Ust-Jaiwa freeze shaft project / Vertical and Decline Shaft Sinking: Good Practices in Technique and Technology. International Mining Forum. Leiden, CRC Press/Balkema. 2015, pp. 89—104.

3. Амосов П. В., Лукичев С. В., Наговицын О. В. Влияние пористости породного массива и температуры хладоносителя на скорость создания сплошного ледопородного ограждения // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2016. — № 4 (27). — С. 43—50.

4. Wu T., Zhou X., Zhang L., Zhang X., He X., Xu Y. Theory and technology of real-time temperature field monitoring of vertical shaft frozen wall under high-velocity groundwater conditions // Cold Regions Science and Technology. 2021, vol. 189, article 103337. DOI: 10.1016/j.coldregions.2021.103337.

5. Волохов Е. М., Мукминова Д. З. Оценка деформаций при строительстве эскалаторных тоннелей метрополитена способом искусственного замораживания грунтов для стадии формирования ледопородного ограждения // Записки Горного института. — 2021. — Т. 252. — С. 826—839. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.5.

6. Pimentel E., Papakonstantinou S., Anagnostou G. Numerical interpretation of temperature distributions from three ground freezing applications in urban tunneling // Tunnelling and Underground Space Technology. 2012, vol. 28, pp. 57—69. DOI: 10.1016/j.tust.2011.09.005.

7. Levin L. Y., Semin M. A., Zaitsev A. V. Solution of an inverse Stefan problem in analyzing the freezing of groundwater in a rock mass // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018, vol. 91, pp. 611—618. DOI: 10.1007/s10891-018-1782-3.

8. Semin M., Golovatyi I., Levin L., Pugin A. Enhancing efficiency in the control of artificial ground freezing for shaft construction. A case study of the Darasinsky potash mine // Cleaner Engineering and Technology. 2024, vol. 18, article 100710. DOI: 10.1016/j.clet.2023.100710.

9. 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, vol. 2018, article 8513413. DOI: 10.1155/2018/8513413.

10. Семин М. А., Бровка Г. П., Пугин А. В., Бублик С. А., Желнин М. С. Исследование влияния неоднородности поля температур на прочность ледопородных ограждений стволов шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 9. — С. 79—93. DOI: 10.250 18/0236_1493_2021_9_0_79.

11. Nikolaev P., Jivkov A. P., Margetts L., Sedighi M. Modelling artificial ground freezing subjected to high velocity seepage // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024, vol. 221, article 125084. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125084.

12. Tounsi H., Rouabhi A., Tijani M., Guérin F. Thermo-hydro-mechanical modeling of artificial ground freezing: application in mining engineering // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019, vol. 52, no. 10, pp. 3889—3907.

13. Liu Y., Li K. Q., Li D. Q., Tang X. S., Gu S. X. Coupled thermal—hydraulic modeling of artificial ground freezing with uncertainties in pipe inclination and thermal conductivity // Acta Geotechnica. 2022, vol. 17, no. 1, pp. 257—274.

14. Yang Y., Lei D., Chen Y., Cai C., Hou S. Coupled thermal-hydro-mechanical model of deep artificial freezing clay // Cold Regions Science and Technology. 2022, vol. 198, article 103534.

15. Levin L., Semin M., Golovatyi I. Analysis of the structural integrity of a frozen wall during a mine shaft excavation using temperature monitoring data // Frattura ed Integrità Strutturale. 2023, vol. 17, no. 63, pp. 1—12.

16. Vyalov S. S., Zaretsky Y. K., Gorodetsky S. E. Stability of mine workings in frozen soils // Engineering Geology. 1979, vol. 13, no. 1-4, pp. 339—351.

17. He H., Dyck M. F., Horton R., Li M., Jin H., Si B. Distributed temperature sensing for soil physical measurements and its similarity to heat pulse method // Advances in Agronomy. 2018, vol. 148, pp. 173—230.

18. Stutsel B. M., Callow J. N., Flower K. C., Biddulph T. B., Issa N. A. Application of distributed temperature sensing using optical fibre to understand temperature dynamics in wheat (triticum aestivum) during frost // European Journal of Agronomy. 2020, vol. 115, article 126038.

19. Kong B., He S., Xia T., Ding Z. Research on microstructure of soft clay under various artificial ground freezing conditions based on NMR // Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 4, article 1810.

20. Hou S., Yang Y., Cai C., Chen Y., Li F., Lei D. Modeling heat and mass transfer during artificial ground freezing considering the influence of water seepage // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022, vol. 194, article 123053.

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

22. Liu J., Yang P., Yang Z. J. Electrical properties of frozen saline clay and their relationship with unfrozen water content // Cold Regions Science and Technology. 2020, vol. 178, article 103127.

23. Богомягков А. В., Пугин А. В. Совершенствование математической модели тепломассопереноса в замораживаемом породном массиве, реализованной в программе FrozenWall // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2023. — Т. 334. — № 2. — С. 164—174.

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

25. Han T., Xue Y., Luo T., Zhang T. Prediction and analysis of formation and development characteristics of frozen soil wall: A case study on the chengjiao east ventilation shaft repair // Applied Sciences. 2023, vol. 13, no. 5, article 3209. DOI: 10.3390/app13053209.

26. Ma B., Teng J., Li H., Zhang S., Cai G., Sheng D. A new strength criterion for frozen soil considering pore ice content // International Journal of Geomechanics. 2022, vol. 22, no. 7, article 04022107.

27. Wang R., Yang C., Ni L., Yao Y. Experimental study on heat transfer of soil with different moisture contents and seepage for ground source heat pump // Indoor and Built Environment. 2020, vol. 29, no. 9, pp. 1238—1248.