ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПРИ РАЗМОРАЖИВАНИИ ЛЕДОПОРОДНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ СТРОЯЩИХСЯ СТВОЛОВ

  • А.В. ПУГИН Горный институт УрО РАН

Аннотация

Строительство стволов в неустойчивых водонасыщенных грунтах обычно про- изводится под защитой искусственно созданного ледопородного ограждения (ЛПО). Искусственное замораживание грунта достигается посредством циркуляции хладоно- сителя в кольцевом контуре замораживающих скважин (колонок), окружающих про- странство будущего ствола. Хладоноситель, забирая тепло из массива, понижает тем- пературу породы, продуцируя превращение имеющейся в ней воды в лед, цементи- рующий частицы минерального скелета. При определенной отрицательной температуре ледопородное ограждение считается прочным и водонепроницаемым. Основной контроль за состоянием этой временной защитной оболочки осущест- вляется посредством измерений температуры в контрольно-термических скважинах. По данным измерений в результате численного моделирования восстанавливается поле температур в области формирования ледопородного ограждения [1, 2]. После проходки ствола в интервале ЛПО на этапе возведения тюбинговой ко- лонны в целях экономии затрат замораживающие станции обычно отключают. Грамот- ный инженерный расчет и непрерывный контроль состояния ледопородного огражде- ния минимизируют риск возникновения аварийной ситуации при раннем отключении холодильного оборудования. Существует одна проблема, требующая разрешения. При проходке ствола раз- мещение контрольно-термических скважин возможно только снаружи контура замора- живающих колонок. Однако исследование столь деликатного процесса, как таяние по- роды, требует получения информации о температурах внутренней части, поскольку именно со стороны ствола оказывают влияние различные технологические процессы, способствующие неравномерному оттаиванию ЛПО. Производство тампонажных работ по завершении строительства тюбинговой колонны также требует информации о раз- мораживании породы на определенное расстояние за передовым бетоном. Инъекция тампонажного раствора на границу талой породы с передовым бето- ном осуществляется через шпуры, пробуренные сквозь технологические отверстия в тюбингах. Традиционно строители используют периодические замеры термометром, погружая его в шпуры, как источник информации о температурном состоянии внутрен- ней части ледопородного ограждения. Очевидно, что использовать данный способ в качестве средства непрерывного контроля ЛПО не представляется возможным. В качестве одной из научных предпосылок, послужившей толчком для монтажа внутристволовой ветви датчиков и столь пристального изучения ледопородного ограж- дения необходимо привести следующий факт. При предварительном моделировании процессов размораживания после выключения замораживающего комплекса ледопо- родное ограждение испытывало быстрое повышение температур вплоть до температу- ры начала фазового перехода льда в воду с последующим крайне медленным снижени- ем толщины ЛПО и температуры. Ситуация требовала устранения дефицита данных для корректного изучения проблемы. Решение данной проблемы представлялось в виде модернизации системы тер- мометрического контроля. В настоящее время для контроля состояния ЛПО во время проходки стволов применяются распределенные DTS-системы, в которых в качестве 272 ----------------------- Page 273----------------------- датчика, измеряющего температуры в контрольно-термических скважинах, применяет- ся оптическое волокно [3]. Модернизация системы заключалась в размещении разрабо- танных институтом оптоволоконных датчиков в шпурах, пробуренных в бетонной кре- пи, а в последующем - через технологические отверстия в тюбингах. Схема модерни- зированной системы термометрического контроля показана на рисунке 1. Рис. 1. Схема модернизированной системы термометрического контроля Замораживание различных слоев массива происходит с разными скоростями вследствие разных теплофизических свойств горных пород. Глубины размещения дат- чиков определялись по результатам анализа геологии, физических свойств слоев и тер- мограмм, отражающих динамику замораживания. 273 ----------------------- Page 274----------------------- Модернизация системы термометрического контроля позволила изучить ледопо- родное ограждение изнутри и снаружи контура замораживающих скважин в процессе его оттаивания. Данные с внутристволовой ветви датчиков объединялись с показаниями внешних контрольно-термических скважин и сведениями о температуре и расходе хладо- носителя, циркулирующего в замораживающих колонках. Циркуляция хладоносителя в замораживающих колонках в режиме пассивного размораживания ЛПО (без подогрева хладоносителя) часто сохраняется для того, чтобы оттаивание породы на контакте с ко- лонками происходило более равномерно, по наименее стрессовому сценарию. Объединенные данные позволили составить адекватную математическую модель термодинамических процессов [1, 2], протекающих внутри ЛПО и изучить поведение теп- лового поля на стадии размораживания породы. Так, например, сохранение циркуляции хладоносителя в замораживающих колонках приводит к разрезанию ледопородного огра- ждения на два кольца: внутреннее и внешнее, и если таяние внешнего кольца целиком за- висит от теплопритоков извне, то внутреннего - во многом определяется влиянием тех- нологических факторов, действующих как источники тепла внутри ствола. Данные фактических измерений подтвердили результаты предварительного чис- ленного моделирования. После отключения замораживающих станций температуры внутри ледопородного ограждения действительно испытывают быстрое повышение до температуры плавления льда, а затем изменяются крайне медленно (рис.2). Фазовый переход основной массы льда в воду осуществляется в малом интервале температур (порядка 0,3-0,5 ⁰С). В это время происходит постепенное увеличение количества талой воды и уменьшение льдистости в породе. Ледопородного ограждения медленно уменьшается в размерах с внешней и внутренней стороны. Рис. 2. Графики модельных температур через ледопородное ограждение по радиальному профилю от центра ствола на различные моменты времени после отключения замораживающей станции 274 ----------------------- Page 275----------------------- При известных теплофизических характеристиках чугунных тюбингов и бетоной крепи стало возможным выполнить оценку влияния теплообмена внутренней части ле- допородного ограждения с теплым воздухом, нагнетаемым в ствол для обогрева в зим- нее время. При длительном (несколько недель) постоянном обогреве крепи теплым воздухом отмечалось небольшое повышение скорости размораживания ледопородного ограждения со стороны ствола. Остается еще много нерешенных вопросов, связанных с поведением тепловых полей при искусственном замораживании и размораживании грунтов в их естественном залегании. Но уже на многие из них в скором времени будут найдены ответы благодаря разработанной институтом и внедренной на производстве системе интеллектуального мониторинга ледопородных ограждений и последующему системному анализу полу- ченных данных.

Литература

  1. Левин Л.Ю. Математическое прогнозирование толщины ледопородного ограждения при проходке стволов / Л.Ю. Левин, М.А. Сёмин, О.С. Паршаков // Физико- технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 5. - С. 154-161
  2. Левин Л.Ю. Решение обратной задачи Стефана при анализе замораживания грунтовых вод в породном массиве / Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. // Инженерно-физический журнал. - 2018. - Т. 91, № 3. - С. 655-663.
  3. Левин Л.Ю. Контроль и прогноз формирования ледопородного ограждения с использованием оптоволоконных технологий / Л.Ю. Левин, М.А. Семин, А.В. Зайцев // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. Вып. 14 / ГИ УрО РАН. - Пермь, 2016. - С. 236-238.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи