Цивилизация
Ученые из Перми придумали математическую модель для расчетов заморозки обводненных грунтов. Под ними нередко скрываются залежи полезных в промышленности калийных солей, но они же из-за своей рыхлости и большого содержания воды значительно осложняют постройку шахт. Разработка поможет обезопасить добычу этого полезного ископаемого и обеспечит спокойную работу шахтеров на длительное время. Результаты исследования, выполненного при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.
Калийные соли необходимы в самых разных областях промышленности: из них изготавливают удобрения, стекло, мыло, краски; используют их и в металлургии, и в медицине, и во многих других областях. Добывать столь универсальные вещества довольно трудно, и все из-за обводненности и рыхлости скрывающих их грунтов. При строительстве шахтных стволов нередки обвалы и подтопления, однако есть технологии, способные решить эти проблемы. Речь идет об искусственной заморозке: вокруг будущей шахты бурят скважины, в них устанавливают трубы, по которым пропускают хладоноситель. Последний забирает тепло из грунтов, а вода в них превращается в лед.
«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.
Ученые из Института механики сплошных сред (Пермь) и Горного института (Пермь), относящихся к Уральскому отделению Российской академии наук, предложили математическую модель, описывающую изменения в разных породах при их заморозке и строительстве шахт. Уравнения, которые описывают пористость, температуру и перемещение грунта, решала программа для физических расчетов Comsol Multiphysics. Также система учитывала то, что при замерзании вода увеличивается в объеме и движется, а грунты изменяют свою форму из-за постоянного воздействия.
Предсказания модели подтвердились измерениями и расчетами по настоящему руднику в Беларуси. Еще авторы смогли выявить несколько закономерностей в зависимости от типа замораживаемых пород: например, в глинистых почвах пористость грунта выше, чем в песчаных, поскольку вода устремляется в зону заморозки. Также в первом случае почти вдвое выше смещение стенки ствола шахты.
Замораживание грунтов, насыщенных влагой, дает возможность сформировать прочное водонепроницаемое ограждение вокруг строящегося шахтного ствола, поясняет доктор технических наук Лев Левин, один из авторов работы. Эта технология уже не первое десятилетие используется при создании шахт и тоннелей, для стабилизации оснований и фундаментов, при добыче руды в прибрежных областях и под водоносными горизонтами. Но до недавнего времени возникали сложности из-за недостаточного понимания геомеханических и криогенных процессов, 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», — заключает Левин.