Совершенствование методов прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов с использованием распределенных измерений температуры в контрольных скважинах
- 1 — д-р техн. наук заведующий отделом Горный институт Уральского отделения РАН
- 2 — канд. техн. наук научный сотрудник Горный институт Уральского отделения РАН
- 3 — младший научный сотрудник Горный институт Уральского отделения РАН
Аннотация
Освоение месторождений, залегающих в сложных геологических и гидрогеологических условиях, часто связано с необходимостью применения специальных способов проходки шахтных стволов. Наиболее надежным и универсальным способом проходки стволов является искусственное замораживание горных пород – создание ледопородного ограждения вокруг запроектированной горной выработки. Под защитой искусственно созданного сооружения в дальнейшем ведутся горнопроходческие работы. При этом проходка подземных горных выработок разрешается только после образования замкнутого замороженного контура проектной толщины. Кроме того, за состоянием замораживаемых горных пород должен быть организован систематический контроль. Опыт строительства рудников в сложных гидрогеологических условиях способом искусственного замораживания показывает, что современные технологии точечных и распределенных измерений температуры горных пород в контрольных скважинах не позволяют установить фактические параметры ледопородного ограждения. Современные теоретические модели и методы расчета теплового режима породного массива при его искусственном замораживании также не позволяют получить корректный прогноз параметров ледопородного ограждения в случае высокой погрешности исходных данных модели. В работе предлагается система контроля, которая осуществляет синтез экспериментальных измерений и теоретических расчетов параметров ледопородного ограждения. Такой подход позволяет провести сравнение измеренных в экспериментах и теоретически рассчитанных температур породного массива в контрольных скважинах и вычислить рассогласование между ними. На основании рассогласования температур уточняются параметры математической модели замораживаемого породного массива. Уточнение модельных параметров осуществляется посредством постановки обратной задачи Стефана, ее регуляризации и дальнейшего численного решения.
Финансирование
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта No17-11-01204.
Литература
- Amosov P.V., Lukichev S.V., Nagovitsyn O.V. The Influence of Rock Mass Porosity and Cooling Agent Temperature on the Speed of Solid Frozen Wall Formation. Vestnik Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2016. N 4 (27), p. 43-50 (in Russian).
- Bulychev N.S., Komarov D.S., Lukashin S.B. Calculation of Necessary Frozen Wall Parameters in the Hinge Part. Izvestiya TulGU. Estestvennye nauki. 2012. Iss. 1, Part. 2, p. 54-60 (in Russian).
- Gendler S.G. Complex Safety Provision in the Development of Mineral and Spatial Subsoil Resources. Gornyi zhurnal. 2014. N 5, p. 5-6 (in Russian).
- Levin L.Yu., Semin M.A., Parshakov O.S.Mathematical Method of Frozen Wall Thickness Prediction in Mine Shaft Development. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh. 2017. N 5, p. 154-161 (in Russian).
- Levin L.Yu., Semin M.A., Zaitsev A.V. Solution of the Inverse Stefan Problem in the Analysis of Ground Water Freezing in the Rock Mass. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 2018. Vol. 91. N 3, p. 655-663 (in Russian).
- Levin L.Yu., Semin M.A., Parshakov O.S., Kolesov E.V. Method of Solving the Inverse Stefan Problem to Control Frozen Wall State in the Process of Mine Shaft Construction. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo. 2017. Vol. 16. N 3, p. 255-267 (in Russian).
- Maslak V.A., Bezrodnyi K.P., Lebedev M.O., Gendler S.G. New Engineering Solutions for Subway Tunnels in a Metropolitan City. Gornyi zhurnal. 2014. N 5, p. 57-60 (in Russian).
- Parshakov O.S. Developments of an Approach to Formation and State Monitoring of a Mine Shaft Frozen Wall. Strategiya i protsessy osvoeniya georesursov: Sb. nauch. tr. Perm': GI UrO RAN, 2017. Iss. 15, p. 288-292 (in Russian).
- Tarasov V.V., Pestrikova V.S. Review of Accidents on Verkhnekamsk Potassium Deposit in the Process of Mine Shaft Construction. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' (nauchno-tekhnicheskii zhurnal). 2015. N 5, p. 23-29 (in Russian).
- Trupak N.G. Rock Freezing in Shaft Development. Мoscow: Ugletekhizdat, 1954, p. 896 (in Russian).
- Andersland O.B., Ladanyi B. An introduction to frozen ground engineering; Springer US. 1994, p. 352. ISBN 9781475722925
- Gol'dman N. Inverse Stefan Problems. Springer Science & Business Media. 2012. 412 p.
- Gilyazov S.F., Gol'dman N.L. Regularization of ill-posed problems by iteration methods; Kluwer Academic PublishersGroup. Dordrecht, 2000, p. 350.
- Hu J., Wang X., Jiang B. Numerical Analysis of Temperature Field of Vertical Frozen Soil Wall Reinforcement at Shield Shaft. Advanced Materials Research. 2014. Vol. 918, p. 218-223.
- Kabanikhin S.I., Hasanov A., Penenko A.V. A gradient descent method for solving an inverse coefficient heat conduction problem. Numerical Analysis and Applications. 2011. Vol. 1. Iss. 1, p. 34-45. DOI: 10.1134/S199542390
- Vitel M., Rouabhi A., Tijani M., Guerin F. Modeling heat transfer between a freeze pipe and the surrounding ground during artificial ground freezing activities. Computers and Geotechnics. 2015. N 63, p. 99-111.
- Vyalov S.S., Zaretsky Yu.K., Gorodetsky S.E. Stability of mine workings in frozen soils. Engineering Geology. 1979. Vol. 13, p. 339-351.
- Wang J., Liu X., Chen H. Freezing large shaft design of about one kilometer deep. Journal of Glaciology and Geocryology. 2012. Vol. 34(6), p. 1358-1363.
- 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, p. 10. DOI: 1-10.1155/2018/8513413