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.
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
Статья, поддержанная грантом грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликована на страницах Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering.