СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ЗАМОРАЖИВАЕМОМ ПОРОДНОМ МАССИВЕ, РЕАЛИЗОВАННОЙ В ПРОГРАММЕ FROZENWALL

Abstract

Ссылка для цитирования: Богомягков А.В., Пугин А.В. Совершенствование математической модели тепломассопереноса в замораживаемом породном массиве, реализованной в программе FrozenWall // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 2. – С. 164-174. Актуальность исследований по разработке и численной реализации математических моделей тепломассопереноса в замораживаемых грунтах и породах в условиях строительства шахтных стволов обусловлена рядом технологических факторов и особенностей организации данного процесса. Корректный расчет искусственного замораживания пород для конкретных практических случаев оказывается невозможен без учета таких факторов, как переменный режим работы замораживающих колонок, наличие двух контуров замораживания, различная длина питающих труб замораживающих колонок, теплообмен с пространством шахтного ствола переменной глубины, образование каверн в объеме замороженных пород вследствие вывалов породы, тепловыделение от твердеющего цементного раствора, фильтрация поровых вод. Представляет интерес описание и анализ особенностей реализации данных факторов на примере модели тепломассопереноса, исполненной в специализированной программе FrozenWall, предназначенной для теплотехнического расчета замораживания пород и разработанной при участии авторов статьи. Цель работы состоит в описании и анализе внесенных улучшений в модель и алгоритмы программного обеспечения FrozenWall в ходе проведения работ по контролю состояния ледопородного ограждения на строящихся вертикальных стволах калийных рудников. Объектом исследования являются влажные горные породы, подверженные тепловому влиянию системы искусственного замораживания при строительстве вертикальных шахтных стволов. Методы включали экспериментальное измерение температуры в контрольно-термических скважинах, обработку полученных данных, математическое моделирование процесса искусственного замораживания пород, параметризацию модели теплопереноса в породах по данным натурных наблюдений посредством решения обратной задачи Стефана. Результаты. В ходе проведенной модернизации в программе FrozenWall были добавлены алгоритмы, учитывающие такие технологические факторы, как нестабильная работа замораживающих колонок, наличие двух контуров замораживания, различная длина питающих труб замораживающих колонок, теплообмен с пространством шахтного ствола в случае его затопления, образование каверн в объеме замороженных пород вследствие вывалов породы, тепловыделение от твердеющего цементного раствора в строящемся стволе, плоскопараллельная фильтрация поровых вод. Посредством программного учета этих факторов становится возможным разрабатывать новые технические мероприятия, нацеленные на повышение энергоэффективности и безопасности углубки шахтных стволов в обводненных горных породах, снижение вероятности возможных аварийных ситуаций.