Математическое моделирование температурных полей ледопородных массивов с учетом фазовых переходов в процессе проходки шахтных стволов

Авторы

  • Р.Н. Сулейманов Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • А.А. Чекалкин Пермский национальный исследовательский политехнический университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.2.1

Ключевые слова:

ледопородный массив, теплопроводность, теплоемкость, скважина, шахтный ствол, математическое моделирование, нестационарная теплопроводность

Аннотация

Объектом исследования является образование ледопородного массива при проходке шахтного ствола. Цель работы - построение математической модели пространственных полей температур в породном массиве в процессе работы замораживающих скважин при проходке шахтного ствола. Данная работа проводилась на базе Пермского национального исследовательского политехнического университета. Для предварительного определения времени образования ледопородного массива были использованы проектировочные расчеты, предоставленные заказчиком, и аналитическое решение уравнения нестационарной теплопроводности. Для моделирования динамики температурного поля вокруг шахтного ствола в процессе заморозки был использован прикладной пакет «ANSYS», с помощью которого можно также определить время ледообразования в горном массиве. Исходная геометрическая и теплофизическая информация была подготовлена в геоинформационной системе «ArcGIS». Получены зависимости толщины ледопородного массива от времени и начальной температуры среды. Определены приблизительные сроки образования ледопродного массива требуемой толщины, необходимого для проходки шахтного ствола, а также момент его смыкания.

Поддерживающие организации
Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-41-590375р-а «Структурно-неоднородные модели тепло-массопереноса, деформирования и разрушения компонентов структуры искусственных геокомпозитов и пространственно неоднородных ледопородных массивов с учетом фазовых переходов».

Биографии авторов

  • Р.Н. Сулейманов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)
  • А.А. Чекалкин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
    доктор физико-математических наук, профессор, ПНИПУ

Библиографические ссылки

  1. Аверин Б.В. Общая схема решений краевой задачи нестационарной теплопроводности с внутренними источниками теплоты для многослойных конструкций // Вестник Самарского технического университета. Серия: Физ.-Мат. Науки. - 2009. - № 2(19). - С. 274-277.
  2. Агишева Д.К., Шаповалов В.М. Инженерный анализ нестационарной теплопроводности многослойной пластины // Известия ТГТУ. - 2002. - Т.8. - С. 612-617.
  3. Венгеров И.Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели. Том 1. Анализ парадигмы. - Донецк: Норд-Пресс, 2008. - 632 с.
  4. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учеб. пособ. / В.А. Бруяка, В.Г. Фокин, Е.А. Солдусова [и др.]. - Самара: СамГТУ, 2010. - 271 с.
  5. Капустин С.А. Метод взвешенных невязок решения задача механики деформируемых тел и теплопроводности: Учеб. пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. - 60 с.
  6. Карташов Э.М. Интегральные соотношения для аналитических решений обобщенного уравнения нестационарной теплопроводности // Вестник МИТХТ. - 2011. - Т. 6 - №3. - С. 106-110.
  7. Конечно-элементное моделирование задач геомеханики и геофизики / Власов А.Н., ВолковБогородский Д.Б., Заментский В.В. [и др.] // Вестник МГСУ. - 2012. - №2. - С. 52-65.
  8. Коновалов В.И., Пахомов А.Н., Гатапова Н.Ц., Колиух А.Н. Методы решения задач тепломассопереноса. Теплопроводность и диффузия в неподвижной среде: Учеб. пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. техн. Ун-та, 2005. - 80 с.
  9. Константинова С.А., Хронусов В.В. К оценке региональных напряжений в верхней части земной коры Урала и Волго-Камского геоблока в рамках модели блочного массива // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1998. - №5. - С. 60-70.
  10. Константинова С.А., Хронусов В.В. Проявление горного давления вокруг подземных выработок в калийных рудниках в случае негидростатического начального напряженного состояния // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1999. - №2. - С. 25-34.
  11. Кузнецов Г.В., Шермет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: Учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 172 с.
  12. Марданов Р.Ф. Численные методы решения плоской задачи теплопроводности: Учебнометодическое пособие. - Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2007. - 23 с.
  13. Матяшов Д.М., Губеладзе О.А. Определение температурного поля в двухслойном толстостенном цилиндре конечных размеров при действии источника тепла простойной мощности // Известия ЮФУ. Технических науки. Тематический выпуск «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении». -2008. - № 11 (88). - С. 25-29.
  14. Миляев. А.С. Альтернативная методика расчета промерзания слоистых оснований сезонных зимних лесовозных дорог // resour. Technol. - 2010. - № 8. - С. 83-87.
  15. Немировский Ю.В., Янковский А.П. Численное интегрирование двумерных краевых задач с большими градиентами решения // Вычислительные технологии. - 2000. - Т. 5. - №4.- С. 82-96.
  16. Румянцев А.В. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности: Учеб. пособ. - Калининград: Калинингр. ун-т, 1995. - 170 с.
  17. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики: Учеб. пособие. 6-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - 798 с.
  18. Усманов С.Ф. Современное программное обеспечение для решения задач геомеханики // Вестник КРСУ. - 2008. - Т. 8. - № 1. - С. 81-84.
  19. Федюкин В.А. Проходка стволов шахт способом замораживания. - М.: Недра, 1968. - 350 с.
  20. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В. Основы технической теплофизики: Монография. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 172 с.
  21. Цаплин А.И. Теплофизика в металлургии: учеб. пособие. - Пермь: Изд-вл Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 230 с.
  22. Чупров И.Ф., Канева Е.А. Уравнения параболического типа и некоторые методы их решения: Учеб. пособ. - Ухта: УГТУ, 2012. - 103 с.
  23. Шестаков В.Н., Шестаков А.Н. Методы теории теплопроводности в транспортном строительстве: учеб. пособ. - Омск: СибАДИ, 2011. - 72 с.

Загрузки

Опубликован

2020-07-22

Выпуск

№ 2 (2020)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Сулейманов, Р., & Чекалкин, А. (2020). Математическое моделирование температурных полей ледопородных массивов с учетом фазовых переходов в процессе проходки шахтных стволов. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 2, 6-16. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.2.1