Комплексное моделирование геофизических, геомеханических и аэрологических процессов в горнотехнических системах

Отчет содержит 84 страниц, 34 рисунка, 13 таблиц, 3 главы, 77 использованных источников. Ключевые слова: калийные рудники, искусственное замораживание, ледопородное ограждение, минерализация, теплофизические свойства грунтов, вентиляция, реверсирование воздушной струи, CFD-моделирование, коэффициент теплоотдачи, напряженно-деформированное состояние, бетонная крепь, температурные деформации, поврежденность бетона. Объект исследований – рудничный воздух, крепь ствола и окружающий породный массив. Цель работы – исследование закономерностей протекания взаимосвязанных аэрологических, теплофизических и геомеханических процессшв в сложных геотехнических системах, направленное на обеспечение безопасности горных работ. Методология проведения работ – комплексный анализ физически процессов, протекающих при разработке месторождений калийных и магниевых солей; математическое моделирование геомеханических, аэрологических и геофизических процессов с использованием современных физических моделей и численных методов; лабораторные исследования и экспериментальный мониторинг геомеханических и теплофизических параметров породного массива, аэрологических параметров воздуха в горных выработках. Результаты работы: 1. Показана значимость эффекта засоленности грунта на процесс его искусственного замораживания посредством серии численных расчетов на базе упрощенной одномерной математической модели теплопереноса в замораживаемом засоленном грунте с учетом теплот кристаллизации воды и соли. 2. Проведены лабораторные исследования влияния содержания соли в подземных водах на замораживание трех типов грунта (глины, мела и песка) совместно с институтом природопользования НАН. Установлены зависимости теплофизических свойств грунта от содержания соли, которые далее использовались для моделирования процесса замораживания при формировании ледопородного ограждения вокруг строящегося шахтного ствола на соляном месторождении. 3. Определена зависимость толщины ограждения от начального содержания соли грунта: у глины она уменьшается с увеличением содержания соли, а у мела и песка может оставаться постоянной при определенных концентрациях соли, но затем начинает уменьшаться при дальнейшем росте содержания соли. 4. Разработан улучшенный метод расчета коэффициента теплоотдачи между крепью вентиляционного ствола и воздушным потоком на основе экспериментальных данных, собранных при плановом реверсировании воздуха. Метод проверена и подтверждена с использованием измерений аэротермодинамических параметров воздушной струи и температуры крепи. Учет данных о температуре крепи позволил разделить влияние теплопереноса в крепи и породном массиве. Определены эффективные коэффициенты теплоотдачи стенок ствола и температуропроводности различных типов крепи. 5. Проведено исследование механического состояния крепи шахтного ствола в условиях реверсирования воздушной струи в холодное время года без предварительного подогрева воздуха. Исследования проводились совместно с Институтом механики сплошных сред Уральского отделения РАН. Использованная модель накопления поврежденности бетона позволила определить локальные зоны, где в наибольшей степени проявляются эффекты разуплотнения бетона в условиях растягивающих напряжений, вызванных высокими температурными градиентами.