Анализ влияния фильтрационного потока через ледопородное ограждение на температуру рассола в замораживающей колонке

Одним из косвенных признаков достижения требуемой толщины и сплошности ледопородного ограждения (ЛПО) при рассольной схеме замораживания пород и грунтов является получение разности температур 1–2 °С охлаждающей жидкости (рассола) на прямой и обратной линиях рассолопровода. Однако, когда в замораживаемом массиве выражены массообменные процессы, требуемая разница температур может быть никогда не достигнута. Так, например, при достаточно сильном фильтрационном течении подземных вод на определенных глубинных отметках, между соседними замораживающими колонками могут оставаться зоны незамерзшей породы, через которые будет фильтроваться вода, а сплошное ЛПО будет формироваться в течение более длительного промежутка времени, или вовсе не сформируется. Своевременное обнаружение таких локальных нарушений сплошности ЛПО, вызванных незамерзшими фильтрационными каналами между отдельными замораживающими колонками, важно с точки зрения обеспечения безопасности дальнейшей проходки ствола под защитой ЛПО. При этом с помощью используемых сегодня на практике методов мониторинга состояния ЛПО определить локальные нарушения сплошности ЛПО сложно. В настоящей статье проведен теоретический анализ одного из возможных методов косвенного определения нарушений сплошности ЛПО по разности между температурами обратного потока рассола, измеряемыми на выходе из различных замораживающих колонок. Сделана оценка величины теплового потока, который необходимо сообщить замораживающей колонке для того, чтобы температурный «отклик» рассола на выходе из колонки был больше заданной величины чувствительности датчика температур. Данная оценка проводилась для реального строящегося калийного рудника в республике Беларусь.

Ключевые слова: искусственное замораживание пород, ледопородное ограждение, тепломассоперенос, фильтрация грунтовых вод, математическое моделирование.
Как процитировать:

Семин М. А., Богомягков А. В., Пугин А. В. Анализ влияния фильтрационного потока через ледопородное ограждение на температуру рассола в замораживающей колонке // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 3. – С. 60–77. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_60.

Благодарности:

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Пермского края в рамках соглашения № С-26/563.

Номер: 3
Год: 2022
Номера страниц: 60-77
ISBN: 0236-1493
UDK: [69+622.57.0151(083.74)
DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_60
Дата поступления: 30.09.2021
Дата получения рецензии: 09.12.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.02.2022
Информация об авторах:

Семин Михаил Александрович1 — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: seminma@inbox.ru, Scopus ID 56462570900,
Богомягков Александр Васильевич1 — младший научный сотрудник, e-mail: bavaerolog@gmail.com, Scopus ID 57218893401,
Пугин Алексей Витальевич1 — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, e-mail: lyosha.p@gmail.com, Scopus ID 15729767700,
1 Горный институт УрО РАН.

 

Контактное лицо:

Семин М.А., e-mail: seminma@inbox.ru.

Список литературы:

1. Shcherban P., Razumovich S., Eliseev A. Sinking of vertical mine openings in unstable, water-bearing strata using mobile hydraulic complex / Proceedings of 3rd International Conference on Management – Economics – Ethics – Technology (MEET 2017). 2017, pp. 97—106.

2. 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, vol. 9, no. 2, article 025209. DOI:10.1063/1.5085806.

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

4. Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. — М.: Недра, 1974. — 280 с.

5. 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. Poland, 2015, pp. 89—104.

6. Sheng T.-B., Wei S.-Y. Measurement and engineering application of temperature field multiple-ring hole frozen wall in extra-thick clay strata // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2012, vol. 34, no. 8, pp. 1516—1521.

7. Hu J., Liu Y., Li Y., Yao K. Artificial ground freezing in tunnelling through aquifer soil layers: a case study in nanjing metro line 2 // KSCE Journal of Civil Engineering. 2018, vol. 22, pp. 4136—4142. DOI: 10.1007/s12205-018-0049-z.

8. Alzoubi M. A., Sasmito A. P., Madiseh A., Hassani F. P. Intermittent Freezing Concept for Energy Saving in Artificial Ground Freezing Systems // Energy Procedia. 2017, vol. 142, pp. 3920–3925. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.12.297.

9. Rouabhi A., Jahangir E., Tounsi H. Modeling heat and mass transfer during ground freezing taking into account the salinity of the saturating fluid // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018, vol. 120, pp. 523—533. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.065.

10. Vyalov S. S., Zaretsky Yu. K., Gorodetsky S. E. Stability of mine workings in frozen soils // Engineering Geology. 1979, vol. 13 pp. 339—351.

11. Бровка Г. П., Агутин К. А., Мучко М. В., Липницкий Н. А. Расчеты температурного режима и энергетических затрат при формировании ледопородных ограждений для проходки шахтных стволов // Инженерная геология. — 2021. — Т. 16. — № 1. — С. 74—85. DOI: 10.25296/1993-5056-2021-16-1-74-84.

12. 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. — Т. 64. — № 3. — С. 366–377. DOI: 10.29235/1561-8358-2019-643-366-377.

13. 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.

14. 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. — С. 172–184. DOI: 10.15372/FTPRPI20190119.

15. 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.

16. ВСН 189-78. Инструкция по проектированию и производству работ по искусственному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей. — М.: Минтрансстрой, 1978. — 117 с.

17. Семин М. А., Левин Л. Ю., Першаков О. С. Исследование влияния фильтрационного потока грунтовых вод на искусственное замораживание породного массива // Инженерно-физический журнал. — 2021. — № 1. — С. 51—61.

18. Sudisman R. A., Osada M., Yamabe T. Experimental investigation on effects of water flow to freezing sand around vertically buried freezing pipe // Journal of Cold Regions Engineering. 2019, vol. 33, no. 3. DOI: 10.1061/(ASCE)CR.1943-5495.0000187.

19. Huang S., Guo Y., Liu Y., Ke L., Liu G., Chen C. Study on the influence of water flow on temperature around freeze pipes and its distribution optimization during artificial ground freezing // Applied Thermal Engineering. 2018, vol. 135, pp. 435–445. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.02.090.

20. Паршаков О. С. Разработка автоматизированной системы термометрического контроля ледопородных ограждений: дис.… к. т. н. — Пермь, 2020. — 140 с.

21. Хакимов Х. Р. Вопросы теории и практики искусственного замораживания грунтов. — Изд-во Академии наук СССР, 1957. — 191 с.

22. 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.

23. 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. 2021, pp. 1—18. DOI: 10.1007/s11440-021-01221-w.

24. Wang T., Liu Y., Zhou G., Wang D. Effect of uncertain hydrothermal properties and freezing temperature on the thermal process of frozen soil around a single freezing pipe // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2021, vol. 124, article 105267. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105267.

25. Semin M., Golovatyi I., Pugin A. Analysis of temperature anomalies during thermal monitoring of frozen wall formation // Fluids. 2021, vol. 6. DOI: 10.3390/fluids6080297.

26. Gnielinski V. G1 Heat transfer in turbulent flow through pipes / VDI Heat Atlas. Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2010, pp. 696—702.

27. Vitel M., Rouabhi A., Tijani M., Guérin F. Modeling heat transfer between a freeze pipe and the surrounding ground during artificial ground freezing activities // Computers and Geotechnics. 2015, vol. 63, pp. 99—111. DOI: 10.1016/j.compgeo.2014.08.004.

28. Шарфарец Б. П., Курочкин В. Е. К вопросу о подвижности частиц и молекул в пористых средах // Научное приборостроение. — 2015. — Т. 25. — № 4. — С. 43—55.

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.