Исследование динамики ледопородного ограждения в условиях повреждения замораживающих колонок при проходке шахтных стволов

Л.Ю. Левин, Е.В. Колесов, М.А. Семин

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЛЕДОПОРОДНОГО ОГРАЖДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ КОЛОНОК ПРИ ПРОХОДКЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ*

Поставлена задача нестационарного диффузионного теплообмена в породном массиве с учетом фазового перехода грунтовых вод для отдельно взятого слоя пород. Проведен численный анализ влияния выхода из строя одной и двух соседних замораживающих колонок на толщину и скорость роста ледопородного ограждения. Теплофи-зические и геометрические параметры, использованные при решении задачи, взяты из исходных данных для проекта проходки шахтных стволов рудника Петриковского участка Старобинского месторождения калийных солей, где в настоящее время осуществляется проходка шахтных стволов № 1 и 2. Показано, что при рассматриваемых параметрах задачи выход из строя одной и двух соседних замораживающих колонок приводит к замедлению скорости роста ледопородного ограждения, но не сокращают его толщину. Ключевые слова: ледопородное ограждение, теплопроводность, задача Стефана, проходка шахтных стволов, повреждение замораживающих колонок, численное моделирование.

Введение

Одним из наиболее универсальных и надежных способов проведения вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях является искусственное замораживание горных пород, когда вокруг проектируемого сечения ствола пробуривается кольцо замораживающих скважин, в которые монтируются замораживающие колонки и подводится хладоноситель. Целью искусственного замораживания является создание вокруг будущей выработки шахтного ствола времен-

* Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации в рамках научного проекта № МД-7047.2015.5.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 257-265. © 2016. Л.Ю. Левин, Е.В. Колесов, М.А. Семин.

УДК 622.253.35

ного защитного ограждения из мерзлой водонасыщенной породы, предохраняющего выработку от поступления грунтовых вод при ее строительстве. Эффективность ледопородного ограждения (ЛПО) в сложных гидрогеологических условиях зависит в конечном счете от герметичности и толщины ЛПО [1, 2].

Основным фактором, приводящим к повреждению замораживающих колонок и нарушению их герметичности, является производство буровзрывных работ при проходке ствола. Повреждение замораживающих колонок при проходке шахтных стволов происходят как правило при резких перепадах температур, в скважинах с большим искривлением, при производстве буровзрывных работ в непосредственной близости от колонок. В работе [3] отмечается, что главными причинами повреждения являются деформации пород и недостаточная прочность труб. В работе [4] описывается механизм деформирования пород и разрушения замораживающих колонок посредством отражения и дифракции ударных волн в зоне замораживающих колонок.

Разрушение одной или нескольких замораживающих колонок может привести к тяжелым аварийным ситуациям, связанным с прорывом подземных вод или рассолов, частичным размораживанием ледопородного ограждения и затоплением ствола. Ликвидация последствий аварийных ситуаций, восстановление поврежденных замораживающих колонок связано с большими затратами средств и времени, а также с остановкой горнопроходческих работ на повторный срок активного замораживания, особенно в районе бурения новых замораживающих колонок [5].

Согласно [5], ранее нормативными документами запрещалось применение взрывной отбойки в замороженных породах крепостью до 3 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, а в отмененном СНиП Ш-11-77 «Подземные горные выработки» вводилось ограничения по допустимому расстоянию от шпура до замораживающей колонки (от 1,1 до 1,4 м в глинах или скальных породах) и по длине шпура. При этом в действующих в настоящее время нормативных документах и «Правилах безопасности при ведении горных работ ...» никаких ограничений по применению БВР при проходке шахтных стволов в условиях искусственного замораживания горных пород нет, что указывает на актуальность исследований степени влияния буровзрывных работ на герметичность замораживающих колонок.

Целью данной работы является исследование динамики теп-лораспределения в породном массиве в окрестности замораживающих колонок в условиях повреждения одной или двух за-

Рис. 1. Расчетная геометрия: 1 — зона охлаждения, 2 — зона льда, 3 — шахтный ствол, 4 — замораживающие колонки, 5 — фронт фазового перехода

мораживающих колонок при проходке шахтных стволов, а также анализ влияния повреждений замораживающих колонок на толщину ледопородного ограждения.

Математическая постановка задачи.

Принятые параметры

Для анализа теплораспределения в породном массиве в условиях искусственного замораживания горных пород в данной работе решается двумерная нестационарная задача диффузионной теплопроводности в обводненном массиве горных пород с заданным распределением замораживающих скважин с движущейся границей фазового перехода (задача Стефана). Расчетная геометрия задачи представлена на рис. 1.

В соответствии с терминологией [2], зона грунта с отрицательной температурой, в которой вода обращена в лед, называется зоной льда. Остальная зона грунта, охлажденная вследствие действия замораживающих колонок до температур, превышающих температуру кристаллизации воды, называется зоной охлаждения. Математическая постановка задачи имеет следующий вид:

дН

( д2Т ~дт2

X/

1 дТ

--+

г дг

,т < тр1

т > т

2

1 дт

г2 дф2

X

т = трк +

н

Н < 0

0, 0 < н < рЬт

Н - рЬш

Ь = 0: Н =

, Н > рЬш

т < т

РС

РС (т0 - Трк ) ,

РС (т0 - Трк ) + Р^ т - ТР

Ь = 0 : Т = Т0 г еП; : Т = Тт,1 = 1,..,^ г ^ +<х> : Т = Т

дТ а

г = R :— =-

дг РСД

Здесь Н — теплосодержание (энтальпия) единицы объема породного массива, Дж/м; %8 — теплопроводность среды в зоне льда, Вт/(м-К); х1 — теплопроводность среды в зоне охлаждения, Вт/(м-К); с8 — удельная теплоемкость среды в зоне льда, Дж/(кгК); с1 — удельная теплоемкость среды в зоне охлаждения, Дж/(кг-К); су — удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кгК); р — плотность среды, кг/м; — температура фазового перехода, °С; L — удельная теплота плавления льда, Дж/кг; w — влагосодержание породного массива, кг/кг; Т№ — температура стенок замораживающих скважин, °С; Т0 — температура непотревоженного породного массива на удалении, °С; Ц — поверхность /-й замораживающей скважины; N — количество замораживающих скважин, Я — радиус незакрепленной части ствола, м; Та — температура воздуха в шахтном стволе, °С; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м-К).

Обводненный породный массив в зоне льда и зоне охлаждения принимается однородным и изотропным. Распространение теплоты в вертикальном направлении считается пренебрежимо малым.

В процессе моделирования формирования ЛПО учтен теплообмен между рудничным воздухом и слоем горных пород у стенки шахтного ствола. Математически учет произведен путем использования граничного условия третьего рода для конвективного теплообмена (8).

РС5

Для оценки максимального влияния этого фактора на рост ЛПО были приняты следующие допущения:

• теплообмен происходит напрямую между рудничным воздухом и слоем горных пород без учета бетонной крепи и тюбинга, которые оказывают теплоизолирующее воздействие;

• температура воздуха постоянна и равна +25 °С, что соответствует среднемесячной дневной температуре в летний период года в области Старобинского месторождения;

• скорость воздуха принимается постоянной и равной 0,2 м/с, что соответствует минимально допустимой скорости в стволе;

• коэффициент теплоотдачи между рудничным воздухом и горными породами вычисляется по формуле Щербаня [6]

у0,8

а = 3,4 -02 = 0,59 Вт/

где d — диаметр ствола;

• теплообмен с воздухом происходит в течение промежутка времени 90 суток.

Численное моделирование

Для численного решения системы уравнений (1)—(8) приняты следующие геометрические параметры расчетной области: радиус незакрепленной части ствола — 5 м, радиус замораживающих колонок — 0,073 м, расстояние от центра ствола до центра колонок — 8,25 м, расстояние между устьями замораживающих колонок — 1,26 м, радиус расчетной области — 25 м, количество замораживающих колонок — 41.

Принимались следующие теплофизические параметры: плотность пород р = 1860 кг/м, влагосодержание м> = 0,29 кг/кг, удельная теплоемкость среды в зоне охлаждения с1 = 1489 Дж/(кгК), удельная теплоемкость среды в зоне льда с8 = 1051 Дж/(кгК), теплопроводность среды в зоне охлаждения х1 = 1,79 Вт/(м-К), теплопроводность среды в зоне льда %8 = 3,10 Вт/(м-К), температура непотревоженного породного массива Т0 = + 6,4 °С, температура фазового перехода ТрЬ = — 0,12 °С, удельная теплота плавления льда L = 333,73 кДж/кг.

Теплофизические и геометрические параметры, использованные при решении задачи, взяты из исходных данных для проекта проходки шахтных стволов рудника Петриковского участка Ста-робинского месторождения калийных солей. Это обусловлено направленностью данного исследования на контроль теплового режима породного массива при проходке шахтных стволов № 1

г.ми

Рис. 2. Распределение температуры в момент времени 210 суток с начала замораживания для случая выхода из строя одной замораживающей колонки

и 2 строящегося рудника Петриковского горно-обогатительного комбината [7].

В исследуемой модели формирование ЛПО происходило следующим образом. В течение 120 суток от начала замораживания

г

иг -г 1

I

.мс ;-'"

Рис. 3. Распределение температуры в момент времени 210 суток с начала замораживания для случая выхода из строя двух соседних замораживающих колонок

Рис. 4. Зависимость толщины ЛПО от времени с учетом выхода из строя одной

пород вследствие теплообмена между массивом горных пород и замораживающими скважинами происходил рост ЛПО. После этого моделировался выход из строя одной или двух соседних замораживающих колонок и исследовалось нестационарное распределение температур в последующее время (90 суток).

На рис. 2 и рис. 3 представлены распределения температуры в расчетной области в момент времени 210 суток с начала замораживания.

Анализ полученных результатов показал, что при выходе из строя 1 и 2 колонок происходит снижение скорости роста толщины. При этом остановка роста или уменьшение толщины ЛПО не наблюдается. На рис. 4 представлены графики зависимости толщины ЛПО от времени с учетом и без учета влияния выхода из строя замораживающих колонок.

Таким образом, для исследуемых параметров задачи выход из строя одной и двух соседних колонок не является критичным.

В дальнейшем в исследовании планируется учесть влияние твердения бетона при возведении монолитной бетонной крепи ствола.

Заключение

В настоящей работе поставлена задача нестационарного диффузионного теплообмена в породном массиве с учетом фа-

зового перехода грунтовых вод для отдельно взятого слоя пород. Проведен численный анализ влияния выхода из строя одной и двух соседних замораживающих колонок на толщину и скорость роста ледопородного ограждения. Теплофизические и геометрические параметры, использованные при решении задачи, взяты из исходных данных для проекта проходки шахтных стволов рудника Петриковского участка Старобинского месторождения калийных солей, где в настоящее время осуществляется проходка шахтных стволов № 1 и 2. Показано, что при рассматриваемых параметрах задачи выход из строя одной и двух замораживающих колонок приводит к замедлению скорость роста ледопородного ограждения, но не сокращают его толщину.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Роменский А. А. Обоснование параметров проходнического цикла и ледопородного ограждения при строительстве вертикальных стволов, дисс ... канд. техн. наук. — М., 1983. — 227 с.

2. Трупак Н. Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. — М.: Углетехиздат, 1954. — 895 с.

3. Федюкин В. А. Проходка стволов шахт способом замораживания. — М.: Недра, 1968. - 350 с.

4. Кузина А. В. Влияние буровзрывных работ на герметичность замораживающих колонок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 5. - С. 283-290.

5. Паланкоев И. М. Обоснование параметров технологии проходки шахтных стволов в искусственно замороженных породах: дисс. . канд. техн. наук. - М., 2015. - 192 с.

6. Щербань А. Н., Кремнев А. А. Научные основы расчета и регулирования теплового режима глубоких шахт: в 2-х томах. - Киев: Изд-во АН УССР, 1959. - 430 с.

7. Левин Л. Ю., Зайцев А. В., Семин М. А. Контроль теплового режима породного массива на основе применения оптоволоконных технологий мониторинга температур в скважинах // Горное эхо. - 2016. -№ 1. - С. 35-37. [¡223

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Левин Лев Юрьевич1 — доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, e-mail: Aerologlev@mail.ru,

Колесов Евгений Викторович1 — инженер, магистр физики, e-mail: kolesovev@gmail.com,

Семин Михаил Александрович1 — инженер, магистр механики, e-mail: mishkasemin@gmail.com, 1 Горный институт Уральского отделения РАН.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 257-265.

L.Yu. Levin, E.V. Kolesov, M.A. Semin DYNAMICS OF ICE WALL UNDER CONDITIONS OF DAMAGED FREEZING PIPES WHEN SHAFT SINKING

nsteady heat conduction problem in rock mass is presented. Phase transition of groundwater for a single layer of rock mass is also considered. The numerical modeling of one and two adjacent freezing pipes damage and its influence on the ice wall thickness and growth rate is described. The thermal and geometric parameters used in solving the problem, are taken from the source data for the sinking shafts project of the Petrikov mine of Starobin potash salt deposit. It is shown that the adjacent freezing pipes damage problem leads to a slowing of ice wall growth rate and does not reduce its thickness in case of considered geometry and thermophysical properties.

Key words: ice wall, heat conductivity, Stefan problem, shaft sinking, freezing pipes damage, numerical simulation.

AUTHORS

Levin L.Yu}, Doctor of Technical Sciences,

Deputy Director on Scientific Work, e-mail: Aerologlev@mail.ru,

Kolesov E.V.1, Engineer, Master of Science in Physics,

e-mail: kolesovev@gmail.com,

Semin M.A}, Engineer, Master of Science in Mechanics, e-mail: mishkasemin@gmaiil.com,

1 Mining Institute of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 614007, Perm, Russia.

ACKNOWLEDGEMENTS

This study has been supported by the President of the Russian Federation, Grant No. MD7047.2015.5.

REFERENCES

1. Romenskiy A. A. Obosnovanie parametrov prokhodnicheskogo tsikla i ledoporodnogo ograzhdeniya pri stroitel'stve vertikal'nykh stvolov (Evaluation of design of heading cycle and ice walling in vertical shafting), Candidate's thesis, Moscow, 1983, 227 p.

2. Trupak N. G. Zamorazhivanie gornykh porodpri prokhodke stvolov (Rock freezing in shafting), Moscow, Ugletekhizdat, 1954, 895 p.

3. Fedyukin V. A. Prokhodka stvolov shakht sposobom zamorazhivaniya (Shafting with freezing), Moscow, Nedra, 1968, 350 p.

4. Kuzina A. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2004, no 5, pp. 283—290.

5. Palankoev I. M. Obosnovanie parametrov tekhnologii prokhodki shakhtnykh stvolov v iskusstvenno zamorozhennykh porodakh (Evaluation of shafting technology parameters for artificially frozen rocks), Candidate's thesis, Moscow, 2015, 192 p.

6. Shcherban' A. N., Kremnev A. A. Nauchnye osnovy rascheta i regulirovaniya teplo-vogo rezhima glubokikh shakht: v 2-kh tomakh (Scientific basis for design and control of thermal conditions in deep mines: in 2 vols.), Kiev, Izd-vo AN USSR, 1959, 430 p.

7. Levin L. Yu., Zaytsev A. V., Semin M. A. Gornoe ekho. 2016, no 1, pp. 35—37.

UDC 622.253.35

In this paper u