Research of Reliability Criteria of Frozen Wall in Monitoring and Control of Artificial Ground Freezing

Three thermodynamic criteria of frozen wall reliability are investigated, which determine and combine its thickness and temperature in different ways. Boundary isotherms for different criteria are determined based on 1) the freezing temperature of porous water; 2) the temperature for which the frozen wall thicknesses were calculated based on strength and creep conditions, and 3) a floating temperature value determined as a supremum of a zone with a given average temperature inside the frozen wall. The considered criteria are used in the process of thermal monitoring of the frozen wall statement when assessing its bearing capacity. Each criterion was described in detail, the sufficient conditions for the reliability of the frozen wall associated with it were presented, and the problem of optimal control of the coolant temperature increasing, which could be solved with its use, was presented. A comparative analysis of the criteria was carried out from the standpoint of optimal control of the artificial freezing regime, ensuring the minimum possible energy costs for the frozen wall holding during its life cycle while maintaining the required safety of mining operations. The "optimal" graph for the coolant temperature increasing within each criterion was determined by a series of numerical calculations of the thermophysical problem in the specialized software product "FrozenWall". Based on the results of the study, the third, most flexible criterion with a floating temperature value determining the boundary isotherms of the frozen wall as a supremum of a zone with a given average temperature was recommended for practical application. For the other two criteria, the temperatures of the frozen wall boundaries are rigidly fixed, which significantly limits the upper limit of the increase in the temperature of the coolant in the brine network and leads to lower energy efficiency of the freezing system as a whole. The results of the work will be useful to specialists in the field of thermal monitoring in the construction of mine workings using the method of artificial ground freezing.

Исследование критериев надежности ледопородного ограждения при контроле и управлении искусственным замораживанием горных пород

Исследуются три термодинамических критерия надежности ледопородного ограждения (ЛПО), различным образом определяющие и сочетающие его толщину и температуру. Граничные изотермы для различных критериев определяются, исходя из 1) температуры замерзания поровой воды; 2) температуры, для которой рассчитывались толщины ЛПО по условиям прочности и ползучести, а также 3) плавающего значения температуры, определяемого исходя из обеспечения заданной средней температуры в объеме ЛПО. Рассматриваемые критерии используются в процессе термометрического мониторинга состояния ледопородного ограждения при оценке его несущей способности. Каждый из критериев детально описан, приведены связанные с ним достаточные условия надежности ледопородного ограждения и задача оптимального регулирования режима повышения температуры хладоносителя, которую возможно решить с его применением. Проведен сравнительный анализ критериев с позиций оптимального управления режимом искусственного замораживания, обеспечивающим минимально возможные энергетические затраты на поддержание ЛПО в течение его жизненного цикла при сохранении требуемой безопасности ведения горных работ. Определение «оптимального» режима работы замораживающей станции в рамках каждого критерия осуществлялось посредством серии численных расчетов теплофизической задачи в специализированном программном продукте FrozenWall. По результатам исследования к практическому применению рекомендован третий, наиболее гибкий критерий с плавающим значением температуры, определяющей граничные изотермы ЛПО из условия постоянства средней температуры в объеме замороженных пород. Для двух других критериев температуры границ ЛПО жестко фиксированы, что существенно ограничивает верхний предел повышения температуры хладоносителя в рассольной сети и приводит к меньшей энергоэффективности системы замораживания в целом. Результаты работы будут полезны специалистам в области термометрического контроля при строительстве горных выработок с применением способа искусственного замораживания горных пород.