Исследование влияния неоднородности поля температур на прочность ледопородных ограждений стволов шахт

Проведен количественный анализ влияния пространственной неоднородности распределения прочностных свойств ледопородного ограждения на его результирующую толщину, определяемую по критерию прочности Кулона-Мора. Неоднородность распределения прочностных свойств вызвана неоднородностью поля температур ледопородного ограждения. В расчетах использованы предельно-длительные значения структурного сцепления и угла внутреннего трения, полученные в ходе экспериментальных испытаний образцов керна семи типов горных пород. Образцы керна взяты с промплощадки строящегося калийного рудника в республике Беларусь. В результате проведенных расчетов на одномерной модели получено, что неоднородность поля температур ледопородного ограждения, создающая неоднородность его прочностных свойств, приводит к более высокому значению минимально допустимой (требуемой) толщины ледопородного ограждения, чем в случае однородного поля температур с одинаковым средним значением температуры. Увеличение требуемой толщины ледопородного ограждения по фактору неоднородной температуры в объеме замораживаемых пород (при максимальной вариации температуры 10—12 °С) для семи рассмотренных типов пород лежит в диапазоне от 24 до 50%. Определена функциональная зависимость требуемой толщины ледопородного ограждения от максимальной вариации температур в объеме замораживаемых пород. Для всех рассмотренных типов горных пород получено, что зависимость является степенной с показателем, равным 0,5.

Ключевые слова: ледопородное ограждение, искусственное замораживание пород, статический расчет, прочность, критерий Кулона-Мора, неоднородное поле температур.
Как процитировать:

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: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_79.

 

Благодарности:

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 17-11-01204.

Номер: 9
Год: 2021
Номера страниц: 79-93
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.253.3
DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_79
Дата поступления: 02.04.2021
Дата получения рецензии: 02.07.2021
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.08.2021
Информация об авторах:

Семин Михаил Александрович1 — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: seminma@inbox.ru,
Бровка Геннадий Петрович — д-р техн. наук, доцент, зав. лабораторией, Институт природопользования НАН, Республика Беларусь,
Пугин Алексей Витальевич1 — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник, e-mail: lyosha.p@gmail.com,
Бублик Сергей Анатольевич1 — аспирант, инженер, e-mail: serega-bublik@mail.ru,
Желнин Максим Сергеевич — аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: zhelninmax@gmail.com, Институт механики сплошных сред УрО РАН,
1 Горный институт УрО РАН.

 

Контактное лицо:

Семин М.А., e-mail: seminma@inbox.ru.

Список литературы:

1. Трупак Н. Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. — М.: Недра, 1974.

2. Вакуленко И. С., Николаев П. В. Анализ и перспективы развития способа искусственного замораживания горных пород в подземном строительстве // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 3. — С. 338—346.

3. Шуплик М. Н. Специальные способы строительства подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 1. — С. 595—625.

4. Вялов С. С. Прочность и ползучесть мерзлых грунтов и расчеты ледогрунтовых ограждений. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1962. — 253 с.

5. Левин Л. Ю., Семин М. А., Плехов О. А. Сравнительный анализ существующих методов расчета толщины ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. — 2018. — Т. 9. — № 4. — С. 93—103. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.4.09

6. Kim Y. S., Kang J.-M., Lee J., Hong S.-S., Kim K.-J. Finite element modeling and analysis for artificial ground freezing in egress shafts // KSCE Journal of Civil Engineering. 2012, vol. 16, no. 6, pp. 925–932.

7. Yang W.-H., Du Z.-B., Yang Z.-J., Bo D.-L. Plastic design theory of frozen soil wall based on interaction between frozen soil wall and surrounding rock // Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 2013, vol. 35, no. 10. Pp. 1857–1862.

8. 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.

9. Wang Y. S., Yang Z., Yang W. Viscoelastic analysis of interaction between freezing wall and outer shaft wall in freeze sinking / The 6th International Conference on Mining Science & Technology. 2009, pp. 612—620.

10. Sanger F. J., Sayles F. H. Thermal and rheological computations for artificially frozen ground construction // Engineering Geology. 1979, vol. 13, pp. 311—337. DOI: 10.1016/00137952(79)90040-1.

11. Kostina A., Zhelnin M., Plekhov O., Panteleev I., Levin L., Semin M. An applicability of Vyalov’s equations to ice wall strength estimation // Frattura ed Integrità Strutturale. 2020, vol. 14, no. 53, pp. 394—405.

12. Zhelnin M., Kostina A., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. Numerical analysis of application limits of Vyalov’s formula for an ice-soil thickness // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019, vol. 13, no. 49, pp. 156—166.

13. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов: учебное пособие. — М.: Высшая школа, 1973. — 448 с.

14. Семин М. А., Богомягков А. В., Левин Л. Ю. Теоретический анализ динамики ледопородного ограждения при переходе на пассивный режим замораживания // Записки Горного института. — 2020. — Т. 243. — С. 319—328.

15. Levin L., Golovatyi I., Zaitsev A., Pugin A., Semin M. Thermal monitoring of frozen wall thawing after artificial ground freezing: Case study of Petrikov Potash Mine // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021, vol. 107, article 103685.

16. Mellor M. Mechanical properties of rocks at low temperatures / 2nd International Conference on Permafrost. Yakutsk, International Permafrost Association. 1973, pp. 334—344.

17. Goughnour R. R., Andersland O. B. Mechanical properties of a sand-ice system // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1968, vol. 94, no. 4, pp. 923—950.

18. Sayles F. H., Carbee D. L. Strength of frozen silt as a function of ice content and dry unit weight // Engineering Geology. 1981, vol. 18, no. 1—4, pp. 55—66.

19. Ting J. M., Torrence M. R., Ladd C. C. Mechanisms of strength for frozen sand // Journal of Geotechnical Engineering. 1983, vol. 109, no. 10, pp. 1286—1302.

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

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.