Новая цифровая модель заморозки защитит строящиеся шахты от затопления и разрушения

Около четверти всех мировых запасов калийных солей находятся в месторождениях на территории России. Залежи этих минералов часто располагаются под слоями рыхлых грунтов, в которых содержится много воды. Строить шахтные стволы для добычи полезных ископаемых в таких условиях сложно, так как эти слои очень нестабильны, что приводит к авариям: стенки шахтной выработки могут обрушиться, а подземные воды способны затопить шахтный ствол. Для искусственной заморозки грунтов по контуру будущих стволов шахт бурят специальные скважины. Через установленные в них трубы, подключенные к специальной замораживающей станции, прогоняют раствор хладоносителя. Циркулирующая жидкость забирает тепло от рыхлого грунта, вследствие чего вода в нем превращается в лед. Замороженный грунт служит временным прочным ограждением при проведении шахтного ствола к месторождению, которое не пропускает внутрь него воду.

«Искусственное замораживание обводненных породных слоев помогает скрепить рыхлые грунты для проходки. Но этот процесс может изменить свойства самих грунтов, их механическое поведение, что приводит к дополнительным сложностям. В нашей работе мы предложили термогидромеханическую модель, которая позволяет предсказать, как определенный тип грунта поведет себя при заморозке и бурении, а также как на него повлияет приток подземных вод», — комментирует руководитель проекта по гранту РНФ Олег Плехов, профессор РАН, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института механики сплошных сред УрО РАН.

Пермские ученые из Института механики сплошных сред и Горного института, относящихся к Уральскому отделению Российской академии наук, создали математическую модель, которая точно предсказывает изменения, происходящие в разных типах грунта при замораживании и проходке шахт. В основе модели лежат уравнения, описывающие пористость, температуру и перемещение породы. Решать их предоставили популярной программе для сложных физических расчетов — Comsol Multiphysics®. Уральские ученые дополнительно учли и то, что вода при замерзании увеличивается в объеме, движется в направлении фронта фазового перехода из жидкого в твердое, а замороженный грунт медленно деформируется под воздействием постоянной нагрузки. Свои предположения они проверили математическим моделированием, основанным на данных с реального рудника по добыче калийных солей в республике Беларусь, а также сравнили результаты расчетов с экспериментальными измерениями.

Предсказанные моделью колебания температуры оказались близки к реальным данным мониторинга при замораживании. Также исследователи вывели несколько закономерностей в зависимости от типа грунта. Так, в песке пористость после заморозки ожидаемо повышается на 9%. А вот в пучинистых глинистых грунтах вода стремится в зону заморозки, и пористость возрастает на 21%. При образовании льда грунт становится практически водонепроницаемым, но из-за дополнительного давления, возникающего при кристаллизации воды, смещение стенки шахтной выработки в песчаных грунтах может увеличиваться на 27%, а в глинистых — на 47%.

«Замораживание влагонасыщенных грунтов позволяет создать прочное водонепроницаемое ограждение вокруг строящегося шахтного ствола. Данную технологию десятки лет используют для проходки шах и тоннелей, стабилизации оснований и фундаментов, добычи руд в прибрежных областях и под водоносными горизонтами. Однако до сих пор применение этого метода осложняется слабым представлением о геомеханических и криогенных процессах, протекающих в породных массивах. Наша математическая модель предскажет успех применения технологии искусственного замораживания в конкретных условиях и поможет расширить ее использование в промышленном и гражданском строительстве. Главная особенность нашей разработки в том, что она может опираться на экспериментальные данные, в том числе полученные в серии стандартных тестов, которые проводятся в ходе инженерно-геологических изысканий», — подчеркнул один из основных исполнителей проекта, доктор технических наук Лев Левин.