Версия для печати
Вернуться к списку

Математическая модель поможет обезопасить работу в шахтах

Калийные соли широко используются в электрометаллургии, фотографии, медицине, пиротехнике, для производства минеральных удобрений, при выделке кожи и изготовлении стекла, мыла и красок. Однако добывать их трудно и небезопасно из-за рыхлых обводненных грунтов, под которыми они находятся, передает официальный портал Года науки и технологий. Статья, поддержанная грантом грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована на страницах Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.

Благодаря новым технологиям такие грунты можно заморозить на долгий срок. Исследователи из Института механики сплошных сред УрО РАН и Горного института УрО РАН создали математическую модель, которая точно предсказывает изменения, происходящие в разных типах грунта при замораживании и проходке шахт.

«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», — рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Олег Плехов, профессор РАН, доктор физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института механики сплошных сред УрО РАН.

В основе модели лежат уравнения, описывающие пористость, температуру и перемещение породы. Их решает специальная программа — Comsol Multiphysics.

Ученые также 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.