Способ определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций и система для осуществления способа Российский патент 2023 года по МПК E21B47/07 G01N33/24 G01K11/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к горному делу, в частности к способам исследования состояния грунтового и породного массивов при их искусственном замораживании, и может быть использовано в процессе формирования ледопородных ограждений при проходке шахтных стволов, в том числе в сложных гидрогеологических условиях.

Изобретение относится к использованию термометрических и механических методов изучения состояния породного массива в условиях его замораживания, методов интерпретации полей температуры по данным термометрических измерений в контрольных скважинах и лабораторных исследований свойств образцов пород.

Уровень техники

Строительство стволов шахт в обводненных грунтах и породах осуществляется с использованием специальных способов, наиболее распространенным из которых является искусственное замораживание пород. Целью искусственного замораживания пород является создание защитного сооружения из замороженной породы (ледопородного ограждения), препятствующего проникновению подземных вод в строящийся ствол шахты, укрепляющего незакрепленные стенки ствола до возведения постоянной крепи. Основной характеристикой ледопородного ограждения (ЛПО) является его толщина, которая должна быть достаточной для того, чтобы выдержать давление, действующее со стороны окружающего породного массива.

В частности, строительство шахтных стволов калийных рудников в России и странах СНГ в подавляющем количестве практических случаев последних десятилетий осуществлялось с использованием способа искусственного замораживания пород.

Действующие в России и многих других странах нормативные документы обязывают осуществлять систематический мониторинг состояния замороженных пород при их искусственном замораживании.

Обычно мониторинг заключается в измерении температуры по глубине нескольких вертикальных контрольных скважин [1]. Исходя из данных о распределении температур делается вывод о том, достигнуты ли требуемые величины толщины ЛПО. Обычно такой анализ делается на основании интерпретации температурного поля во всем замораживаемом массиве посредством обратного анализа [2] или решения обратных задач Стефана [3, 4]. Далее по выбранной изотерме (0°С или ниже) определяется фактическая толщина ЛПО, которая сравнивается с расчетной толщиной, полученной из механического анализа. При проведении механического анализа обычно принимается, что температура ЛПО распределена однородно по объему замороженных пород [5, 6]. При этом такая средняя температура равна заданной отрицательной величине, при которой в ходе лабораторных испытаний определялись прочностные свойства пород, впоследствии использованные при расчете проектных величин толщины ЛПО. Данный подход имеет очевидное достоинство, связанное с оперативностью оценки несущей способности ЛПО, однако в своей основе он содержит ряд упрощений, которые в некоторых практических ситуациях могут оказаться очень грубыми [6]. Так, при данном подходе не учитывается взаимное влияние механической и тепловой задач при расчете параметров ЛПО, что не позволяет при ведении мониторинга состояния замораживаемых пород оперативно оценить влияние таких факторов, как изменение физико-механических и прочностных свойств замороженных пород в зависимости от температуры, тепловое расширение влажных пород при замерзании в них воды, выпирание влаги из области замороженных пород, приводящее к повышению внешней нагрузки на боковую стенку ледопородного цилиндра, влияние морозного пучения и прочее.

Известен, описанный в литературе, альтернативный подход к интерпретации полученных в ходе мониторинга данных о распределении температур в замораживаемых породах, основанный на решении сопряженной термогидромеханической задачи [7, 8]. Такой подход позволяет описывать физические процессы в замораживаемых породах гораздо точнее, но имеет свои недостатки - длительность моделирования и большое количество дополнительных исходных данных для моделирования (реологических и гидравлических параметров замораживаемых пород при различных температурах, параметров морозного пучения и прочих).

Известен способ мониторинга температуры породного массива и система для его осуществления (заявка на патент № ЕА 201900352 А1, МПК Е21В 47/07, G01K 11/32, дата публикации заявки 29.01.2021), согласно которым оптоволоконный кабель, расположенный в контрольно-термических скважинах и шпурах шахтного ствола, подключен к волоконно-оптическому регистратору, данные с которого непрерывно обрабатываются и по каналу передачи передаются на сервер, замораживающие колонки, связаны посредством трубопроводов с замораживающей станцией, данные с которой непрерывно обрабатываются и передаются по каналу передачи данных на сервер, на сервере установлена математическая модель термогидродинамических процессов, содержащая данные о геологических и теплофизических свойствах породного массива, параметрах хладоносителя, циркулирующего в замораживающих колонках, а также о параметрах работы замораживающей станции, при этом сервер посредством канала передачи данных связан с автоматизированным рабочим местом специалиста, где при помощи информационно-аналитической системы обработки и визуализации состояния ледопородного ограждения производится расчет распределения температуры во всем замораживаемом обводненном породном массиве. Недостатком данного способа является то, что при мониторинге ледопородного ограждения не учитывается фактическое распределение напряжений и деформаций в неоднородном температурном поле, сформированном системой замораживающих колонок. Полученная информация о состоянии ледопородного ограждения, его толщине, определенная по данным только температурного поля, имеет высокую погрешность из-за принятия допущения об однородном распределении прочностных свойств пород в интервале замораживания. Порой такое допущение является очень грубым, что показали проведенные исследования.

Необходимо отметить, что расчетные величины толщины ЛПО, определенные из упрощенного механического анализа по средней однородной температуре ЛПО, обычно удовлетворительно «работают» на практике на стадии активного замораживания пород. Однако при переходе на стадию пассивного замораживания мощность замораживающей системы снижается. В этом случае зона отрицательных температур обычно продолжает расширяться, но средняя температура ЛПО может существенно увеличиться [9]. Последнее связано с увеличением температуры хладоносителя в замораживающих колонках. В этом случае становится некорректным сравнение фактических величин толщины ЛПО по той же изотерме с расчетными величинами толщины ЛПО, так как имеет место сравнение величин толщины ЛПО для совершенно разных средних температур ЛПО. Несмотря на то, что толщина ЛПО по изотерме фактического замерзания свободной воды продолжает расти, фактическая несущая способность ЛПО может уменьшаться из-за увеличения его средней температуры. Снижение несущей способности ЛПО ниже требуемой несущей способности ЛПО может приводить к возникновению серьезных деформаций стенок ствола, к поступлению подземных вод в ствол. Так, наблюдения при проходке стволов №2 и №3 третьего Березниковского калийного рудника [10] показали, что при переходе с режима активного на режим пассивного замораживания ЛПО, когда температура повысилась до -20°С... -25°С, часто отмечались случаи появления водопритоков. При значительных повышениях температуры замороженных пород в ЛПО могут образовываться «окна», через которые подземные воды будут поступать в ствол шахты.

Возможна и противоположная ситуация, когда мощность замораживающей станции при переходе на пассивный режим замораживания понижают очень медленно. При этом средняя температура ЛПО сохраняет свои проектные значения, но толщина ЛПО продолжает расти, что приводит к перемораживанию породного массива и влечет за собой неэффективное использование холодильной мощности замораживающих станций.

При оптимизации режима работы замораживающих станций при пассивном замораживании на сегодняшний день совершенно не используется информация о прочностных свойствах ЛПО и его несущей способности с учетом фактического распределения температуры около замораживающих скважин. Вместо этого выводы о несущей способности ЛПО чаще всего делаются только исходя из теоретически рассчитанного поля температуры, положений изотерм замерзания поровой воды в свободном состоянии.

Известен способ прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся стволов шахт, когда параметры теоретических моделей теплопереноса в породах настраиваются по данным измерений температуры в контрольных скважинах [11]. Однако при данном способе не исследуется влияние фактического поля температур на распределение прочностных свойств в объеме ЛПО и не анализируется временное изменение несущей способности ЛПО. В качестве критерия для оценки несущей способности ЛПО используется фактическая величина толщины ЛПО, рассчитанная исходя из положения фронтов фазового перехода влаги по данным расчета только поля температур, при этом фактическая толщина ЛПО сравнивается с расчетным значением, полученным из анализа упрощенной механической задачи в предположении однородной температуры в объеме замороженных пород, что является недостатком способа. Данный способ принят в качестве прототипа предлагаемого способа определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций.

Техническая задача состоит в создании способа определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций, позволяющего оптимизировать режим работы замораживающих станций, что особенно важно на стадии пассивного замораживания, исходя из прочностных свойств ледопородного ограждения и его несущей способности с учетом фактического распределения температур около замораживающих скважин. При этом регулирование параметров работы замораживающих станций при пассивном замораживании должно осуществляться с учетом фактора повышения как параметров ЛПО, так и средней температуры ЛПО. В этом смысле решение оптимизационной задачи связанно с подбором такого режима изменения температуры хладоносителя в замораживающих колонках, при котором несущая способность ЛПО, выраженная, к примеру, в терминах предельной нагрузки на его боковую стенку, будет сохранять постоянное значение, равное внешней боковой нагрузке на ЛПО, взятой с некоторым коэффициентом запаса. Для решения такой оптимизационной задачи необходимо прежде всего определить метод расчета динамически изменяющейся несущей способности ЛПО по данным натурного термометрического мониторинга искусственного замораживания пород. Кроме того, следует создать систему для осуществления способа. Раскрытие сущности изобретения

Под предельной несущей способностью ЛПО понимается максимальная внешняя нагрузка Р (Фиг. 1), которую способно выдержать ЛПО, не разрушаясь и не деформируясь в течение заданного промежутка времени (обычно около суток). Она должна сравниваться с фактической внешней нагрузкой, действующей на ЛПО, которая рассчитывается исходя из горного и гидростатического давлений на рассматриваемой глубине замораживания.

В предлагаемом техническом решении (как способе) в качестве критерия при мониторинге искусственного замораживания пород используется не величина толщины ЛПО, которая сложным и неочевидным образом характеризует несущую способность последнего, а напрямую вычисляется предельная несущая способность (Р) ЛПО в каждый заданный момент времени.

Поставленная задача решается тем, что способ определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций, выполняемый с помощью системы температурного мониторинга, включающий размещение оптоволоконного кабеля в контрольно-термических скважинах и шпурах, обработку и интерпретацию данных о внутримолекулярных колебаниях решетки оптоволокна измерительных кабелей, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер измеренных распределений температур в замораживаемых и охлаждаемых породах, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер информации о температуре и расходе хладоносителя в замораживающих колонках, компьютерную обработку полученных данных и последующее изменение параметров работы замораживающих станций, отличается тем, что используют трехмерную математическую модель термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом породном массиве, содержащую данные о теплофизических и физико-механических свойствах обводненных пород, параметрах хладоносителя, циркулирующего в замораживающих колонках, параметрах работы замораживающих станций; выполняют параметризацию трехмерной математической модели по данным измерений распределений температур в контрольно-термических скважинах и шпурах посредством решения регуляризованной обратной задачи, а также на основе данных лабораторных испытаний образцов обводненных пород, инженерно-геологических изысканий и проектных решений по замораживанию таких пород; выполняют расчет фактического распределения температур в замораживаемых и охлаждаемых породах посредством решения прямой задачи Стефана; затем выполняют расчет предельной несущей способности ледопородного ограждения для каждого слоя пород в интервале замораживания посредством решения термомеханической задачи с учетом фактического распределения температуры, при этом расчет проводят по двум критериям, а именно по предельному напряженному состоянию и по предельным деформациям внутренней стенки ледопородного ограждения; расчет по предельному напряженному состоянию проводят в рамках упруго-пластической постановки с учетом критерия прочности Кулона-Мора или Друкера-Прагера, расчет по предельным деформациям проводят в рамках вязкоупругой постановки с учетом нелинейной связи напряжений и деформаций, последняя характеризуется коэффициентами нелинейности по времени и по деформациям, а также модулем нелинейных деформаций; затем сравнивают предельную несущую способность ледопородного ограждения с фактической нагрузкой на ледопородное ограждение, определенной по данным инженерно-геологических изысканий, по каждому слою пород в интервале замораживания с тем, чтобы сделать выводы о сохранении несущей способности ледопородного ограждения и фактическом запасе прочности ледопородного ограждения; основываясь на вышеуказанных выводах, определяют приращение значений технологических параметров для управления замораживающей станцией, обеспечивающей температуру и расход хладоносителя в каждой замораживающей колонке, при этом исходят из минимальной разницы предельной несущей способности ледопородного ограждения и фактической нагрузки на него для слоя пород в интервале замораживания.

При этом система температурного мониторинга состояния ледопородного ограждения, подключенная к системе искусственного замораживания пород, включает оптоволоконные измерительные кабели, волоконно-оптический регистратор, сервер, монитор, компьютер, отличается тем, что компьютер содержит машиночитаемый носитель с записанными на него инструкциями и трехмерной математической моделью термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом породном массиве, а также по меньшей мере один процессор, обеспечивающий работу этих инструкций для осуществления описанного выше способа.

Технический результат заявляемого технического решения состоит в повышении надежности и точности определения фактических распределений напряжений во всем объеме участка породного массива в процессе его искусственного замораживания, повышении достоверности оценки несущей способности ЛПО строящегося ствола шахты, что позволяет оптимизировать режим работы замораживающей станции таким образом, чтобы не допустить существенного перемораживания породного массива около ствола или его недостаточного замораживания. Как следствие, повышается безопасность и энергоэффективность способа искусственного замораживания пород при строительстве стволов шахт в обводненных грунтах и породах.

Описание фигур

Фиг. 1 иллюстрирует схематичное изображение поперечного разреза ледопородного ограждения: а - замороженный грунт, ледопородное ограждение; б - незамороженный грунт; в - воздушное пространство шахтного ствола.

Фиг. 2 иллюстрирует схематичное представление системы температурного мониторинга, подключенной к системе искусственного замораживания пород, где: 1 - ледопородное ограждение (ЛПО); 2 - замораживающая станция; 3 - замораживающие колонки; 4 - контрольно-термические скважины; 5 - оптоволоконный кабель; 6 - волоконно-оптический регистратор (интеррогатор); 7 - сервер; 8 - монитор; 9 - компьютер.

Фиг. 3 иллюстрирует примеры распределения температур по глубине контрольно-термической скважины в разные моменты времени (на начальный момент; через 1 месяц; через 2 месяца; через 3 месяца).

Фиг. 4 иллюстрирует примеры графиков изменения расхода (а) и температуры (б) хладоносителя в замораживающих колонках (средние значения по всем замораживающим колонкам; значения для отдельной колонки с наименьшим расходом рассола).

Фиг. 5 иллюстрирует примеры зависимости прочностных свойств пород (песок; алеврит; мергель; супесь; мел; глина; глина аргиллитоподобная) от температуры, полученных в ходе лабораторных испытаний: структурное сцепление (а) и угол внутреннего трения (б).

Фиг. 6 иллюстрирует пример рассчитанного трехмерного распределения температур в отдельно взятом сегменте замораживаемого породного массива.

Осуществление изобретения

Пример осуществления изобретения

При монтировании системы искусственного замораживания породного массива около строящегося ствола шахты монтируется также система температурного мониторинга (Фиг. 2): в контрольно-термических скважинах по всей их глубине размещается оптоволоконный кабель. Оптоволоконные кабели со всех скважин подключаются к устройству генерации входных сигналов и регистратору возвращающихся с кабеля сигналов (интеррогатору). Принцип работы системы оптоволоконных распределенных измерений температуры на основе эффекта рамановского обратного рассеяния здесь подробно не комментируется.

После интерпретации данных измерений полученные распределения температур (Фиг. 3) по глубине каждой контрольно-термической скважины с заданной периодичностью во времени и разрешающей способностью по пространству отправляются на хранение в базу данных на сервер. На сервер в базу данных также поступает информация о фактических показателях температуры и расхода хладоносителя в замораживающих колонках с заданной периодичностью во времени (Фиг. 4). С учетом того, что показатели температуры и расхода хладоносителя в различных замораживающих колонках могут различаться, в базу данных записываются показатели указанных параметров хладоносителя на входе в каждую колонку.

На сервере в базе данных хранятся также результаты предварительно проведенных инженерно-геологических изысканий, экспериментальных (лабораторных) исследований образцов пород - геологический разрез на участке проходки шахтного ствола, теплофизические, физико-механические и прочностные свойства пород при различных температурах (Фиг. 5).

Вся эта информация используется для теоретической обработки данных экспериментального мониторинга температуры в контрольно-термических скважинах, получения распределения температуры и прочностных свойств во всем охлаждаемом и замораживаемом объеме пород. Теоретическая обработка осуществляется с использованием трехмерной математической модели термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом многослоевом породном массиве (Фиг. 6).

В трехмерной математической модели учитываются следующие существенные факторы: диффузионный теплоперенос в массиве пород, конвективный перенос теплоты при наличии течения поровых вод, выделение теплоты фазового перехода, теплопередача на границе породного массива с замораживающими скважинами, изменение физико-механических и прочностных свойств пород при изменении температуры, температурные деформации, нелинейная зависимость напряжений от деформаций (при расчете несущей способности по критерию предельных деформаций), либо же идеальное упругопластическое деформирование (при расчете несущей способности по критерию предельного напряженного состояния). Математическая модель калибруется по данным измерений температуры в контрольно-термических скважинах. Суть калибровки заключается в корректировке исходных теплофизических свойств пород (теплопроводностей в зонах льда и охлаждения, влажности пород, компонент вектора скорости фильтрации Дарси) таким образом, чтобы обеспечить минимум рассогласования измеренных и рассчитанных температур по глубине контрольно-термических скважин. Математически это выражается в минимизации следующего функционала:

Здесь Δt - промежуток времени моделирования, T_э(t) - экспериментально измеренная температура в рассматриваемой контрольно-термической скважине, T_p(t) - рассчитанная температура в рассматриваемой контрольно-термической скважине.

Далее на откалиброванной модели рассчитываются распределения температур, напряжений и прочностных свойств в породном массиве. Рассчитанные поля напряжений и прочностных свойств используются для определения предельной несущей способности сформированного ледопородного ограждения в каждый момент времени. Предельная несущая способность ледопородного ограждения считается отдельно для каждого слоя пород, выделенного в математической модели замораживания многослоевого породного массива.

Расчет предельной несущей способности осуществляется по двум критериям: Предельная несущая способность по критерию предельного напряженного состояния (предельных напряжений) рассчитывается по формуле:

Здесь с - предельно-длительное сцепление замороженной породы, являющееся функцией температуры, ϕ - предельно-длительный угол внутреннего трения, являющийся функцией температуры либо константой, r - радиальная координата вдоль замковой плоскости ледопородного ограждения, а - радиус внутренней границы ледопородного ограждения, b - радиус внешней границы ледопородного ограждения. Величины а и b выбираются по некоторой изотерме (например, изотерме замерзания большей части влаги в породном массиве). По своему физическому смыслу данный критерий позволяет найти такой момент, когда во всей зоне замороженных пород впервые нарушится условие прочности, то есть будет достигнуто предельное равновесное состояние конструкции из замороженных пород.

Предельная несущая способность по критерию предельных деформаций рассчитывается по формуле:

Здесь h - высота заходки, ξ - коэффициент Вялова, характеризующий тип защемления ледопородного цилиндра на торцах, а - радиус внутренней границы ледопородного ограждения, b - радиус внешней границы ледопородного ограждения, А - модуль нелинейной деформации, m - показатель нелинейности зависимости напряжений σ от деформаций ε:

σ=A(t)ε^m, Па

Величина u_a представляет собой предельно-допустимое перемещение внутренней стенки ледопородного ограждения под действием внешней нагрузки. Обычно принимается равной 5-15 см. По своему физическому смыслу данное условие указывает на то, что чрезмерные деформации внутренней стенки ледопородного ограждения недопустимы, так как могут привести к образованию вывалов породы в ствол, деформации и разрушению замораживающих колонок, расположенных в замороженных породах.

В итоге минимальная несущая способность для каждого слоя пород определяется так:

P_min=min(P_1, P₂), Па

Минимальная несущая способность P_min сравнивается с фактической нагрузкой на ледопородное ограждение Р и в зависимости от того, что больше, принимается решение об изменении режима работы замораживающей станции, например, задается приращение температуры хладоносителя:

Параметры а и b подбираются эмпирически, параметр k - коэффициент запаса, который может быть принят в диапазоне 1,05-1,2.

Величина ΔT определяется для каждого слоя пород, а потому итоговое приращение температур ΔT_r следует принять равным

Операция минимизации в этой формуле позволяет рассчитать минимальное приращение по всем замораживаемым слоям (по модулю оно может быть не минимальным). Это делается для того, чтобы не допустить чрезмерное снижение несущей способности ледопородного ограждения в самом неблагоприятном слое.

Также целесообразно ограничивать максимальное возможное изменение температуры хладоносителя в течение суток некоторой величиной ΔT_max≈1…3°С.

Описанный выше метод определения несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт также может использоваться для прогнозирования состояния ЛПО.

Источники информации:

1. Wu, Т., Zhou, X., Zhang, L., Zhang, X., He, X., & Xu, Y. (2021). Theory and technology of real-time temperature field monitoring of vertical shaft frozen wall under high-velocity groundwater conditions. Cold Regions Science and Technology, 189, 103337.

2. Pimentel, E., Papakonstantinou, S., & Anagnostou, G. (2012). Numerical interpretation of temperature distributions from three ground freezing applications in urban tunnelling. Tunnelling and Underground Space Technology, 28, 57-69.

3. Levin, L.Y., Semin, M.A., & Zaitsev, A.V. (2018). Solution of an inverse Stefan problem in analyzing the freezing of groundwater in a rock mass. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 91(3), 611-618.

4. Zhelnin, M.S., Plekhov, O.A., Semin, M.A., & Levin, L.Y. (2017). Numerical solution for an inverse problem about determination of volumetric heat capacity of rock mass during artificial freezing. PNRPU Mechanics Bulletin, (4), 56-75.

5. Zhang, В., Yang, W., & Wang, B. (2018). Plastic design theory of frozen wall thickness in an ultradeep soil layer considering large deformation characteristics. Mathematical Problems in Engineering, 2018.

6. Семин, M.A., Бровка, Г.П., Пугин, A.B., Бублик, С.А., Желнин, М.С.(2021). Исследование влияния неоднородности поля температур на прочность ледопородных ограждений стволов шахт. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2021, 2021(9), 79-93.

7. Tounsi, Н., Rouabhi, A., Tijani, М., & Guérin, F. (2019). Thermo-hydro-mechanical modeling of artificial ground freezing: application in mining engineering. Rock Mechanics and Rock Engineering, 52(10), 3889-3907.

8. Liu, Y., Li, K.Q., Li, D.Q., Tang, X.S., & Gu, S.X. (2022). Coupled thermal-hydraulic modeling of artificial ground freezing with uncertainties in pipe inclination and thermal conductivity. Acta Geotechnica, 17(1), 257-274.

9. Семин, М.А., Богомягков, А.В., & Левин, Л.Ю. (2020). Теоретический анализ динамики ледопородного ограждения при переходе на пассивный режим замораживания. Записки Горного института, 243, 319-328.

10. Olkhovikov, Yu.P. (1984). Support of permanent openings of potash and salt mines. Publisher: Nedra, Moscow, Russia, 238 p.

11. Левин, Л.Ю., Семин, М.А., Паршаков, О.С. (2019) Совершенствование методов прогнозирования состояния ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов с использованием распределенных измерений температуры в контрольных скважинах. Записки Горного института, 2019, 237, 268-274.

Группа изобретений относится к горному делу. Раскрыт способ определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций, выполняемый с помощью системы температурного мониторинга, включающий размещение оптоволоконного кабеля в контрольно-термических скважинах и шпурах, обработку и интерпретацию данных о внутримолекулярных колебаниях решетки оптоволокна измерительных кабелей, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер измеренных распределений температур в замораживаемых и охлаждаемых породах, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер информации о температуре и расходе хладоносителя в замораживающих колонках, компьютерную обработку полученных данных и последующее изменение параметров работы замораживающих станций, при этом используют трехмерную математическую модель термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом породном массиве; выполняют параметризацию трехмерной математической модели по данным измерений распределений температур в контрольно-термических скважинах и шпурах; выполняют расчет фактического распределения температур в замораживаемых и охлаждаемых породах посредством решения прямой задачи Стефана; выполняют расчет предельной несущей способности ледопородного ограждения для каждого слоя пород в интервале замораживания; сравнивают предельную несущую способность ледопородного ограждения с фактической нагрузкой на ледопородное ограждение, основываясь на вышеуказанных выводах, определяют приращение значений технологических параметров для управления замораживающей станцией. Также раскрыта система для осуществления указанного способа. Группа изобретений обеспечивает повышение надежности и точности определения распределений напряжений во всем объеме ледопородного ограждения, повышение достоверности оценки несущей способности последнего, оптимизацию режима работы замораживающей станции, повышение безопасности и энергоэффективности искусственного замораживания пород при строительстве стволов шахт в обводненных грунтах и породах. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

1. Способ определения и контроля несущей способности ледопородных ограждений строящихся стволов шахт для регулирования параметров работы замораживающих станций, выполняемый с помощью системы температурного мониторинга, включающий размещение оптоволоконного кабеля в контрольно-термических скважинах и шпурах, обработку и интерпретацию данных о внутримолекулярных колебаниях решетки оптоволокна измерительных кабелей, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер измеренных распределений температур в замораживаемых и охлаждаемых породах, передачу с заданной периодичностью во времени на сервер информации о температуре и расходе хладоносителя в замораживающих колонках, компьютерную обработку полученных данных и последующее изменение параметров работы замораживающих станций,

отличающийся тем, что

используют трехмерную математическую модель термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом породном массиве, содержащую данные о теплофизических и физико-механических свойствах обводненных пород, параметрах хладоносителя, циркулирующего в замораживающих колонках, параметрах работы замораживающих станций;

выполняют параметризацию трехмерной математической модели по данным измерений распределений температур в контрольно-термических скважинах и шпурах посредством решения регуляризованной обратной задачи, а также на основе данных лабораторных испытаний образцов обводненных пород, инженерно-геологических изысканий и проектных решений по замораживанию таких пород;

выполняют расчет фактического распределения температур в замораживаемых и охлаждаемых породах посредством решения прямой задачи Стефана;

затем выполняют расчет предельной несущей способности ледопородного ограждения для каждого слоя пород в интервале замораживания посредством решения термомеханической задачи с учетом фактического распределения температуры, при этом расчет проводят по двум критериям, а именно по предельному напряженному состоянию и по предельным деформациям внутренней стенки ледопородного ограждения; расчет по предельному напряженному состоянию проводят в рамках упруго-пластической постановки с учетом критерия прочности Кулона-Мора или Друкера-Прагера, расчет по предельным деформациям проводят в рамках вязкоупругой постановки с учетом нелинейной связи напряжений и деформаций, последняя характеризуется коэффициентами нелинейности по времени и по деформациям, а также модулем нелинейных деформаций;

затем сравнивают предельную несущую способность ледопородного ограждения с фактической нагрузкой на ледопородное ограждение, определенной по данным инженерно-геологических изысканий, по каждому слою пород в интервале замораживания с тем, чтобы сделать выводы о сохранении несущей способности ледопородного ограждения и фактическом запасе прочности ледопородного ограждения;

основываясь на вышеуказанных выводах, определяют приращение значений технологических параметров для управления замораживающей станцией, обеспечивающей температуру и расход хладоносителя в каждой замораживающей колонке, при этом исходят из минимальной разницы предельной несущей способности ледопородного ограждения и фактической нагрузки на него для слоя пород в интервале замораживания.

2. Система температурного мониторинга состояния ледопородного ограждения, подключенная к системе искусственного замораживания пород, включающая оптоволоконные измерительные кабели, волоконно-оптический регистратор, сервер, монитор, компьютер, отличающаяся тем, что компьютер содержит машиночитаемый носитель с записанными на него инструкциями и трехмерной математической моделью термомеханических процессов, протекающих в замораживаемом породном массиве, а также по меньшей мере один процессор, обеспечивающий работу этих инструкций для осуществления способа по п. 1.