Вестник МГТУ. 2020, Т. 23, № 1.

УДК 536:24:622:413 Оценка эффективности пассивной системы тепловой защиты породного массива С. А. Гусак, А. О. Орлов, Ю. Г. Смирнов*, В. В. Бирюков, А. А. Паливода *Горный институт КНЦРАН, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия; e-mail: smirnov@goi.kolasc.net.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6100-2032 Реферат Проблема обеспечения устойчивости массива горных пород приобретает особое значение в условиях теплового взаимодействия горных выработок с многолетнемерзлыми горными породами. В статье представлены результаты изучения эффективности пассивной системы тепловой защиты породного массива криолитозоны. На основе численного моделирования с использованием программного комплекса ANSYS FLUENT выполнены исследования теплового взаимодействия большепролетной камерной выработки с массивом многолетнемерзлых горных пород. На примере гипотетической трехмерной модели горной выработки с различными вариациями материального состава защитной конструкции (обделки) выработки и использованием конвективного теплообмена в технологическом канале (воздушном зазоре) проведены расчетные исследования особенностей температурного режима конструктивных элементов обделки. Выполнена оценка прогнозируемой глубины оттаивания горной породы в зависимости от конструктивного исполнения и материального состава обделки и продолжительности теплового воздействия на породный массив. Изучено влияние термического сопротивления защитной конструкции горной выработки на глубину и динамику оттаивания породного массива, которая определяет условия сохранения его криогенного состояния и требования к горнотехническим системам регулирования теплового режима. Установлены температурные градиенты, формирующиеся в конструктивных элементах обделки, которые могут способствовать возникновению термических напряжений, оказывающих негативное влияние на напряженно- деформированное состояние защитной конструкции выработки. На примере принятых модельных представлений технологического канала (температура поступающего воздуха, ширина канала) показано слабое влияние теплообмена за счет свободной конвекции на интенсивность теплового взаимодействия горной выработки и породного массива. Для снижения теплового воздействия на защитную конструкцию горной выработки и массива многолетнемерзлых пород необходимо повышение интенсивности теплообмена в технологическом канале за счет понижения температуры воздуха, поступающего в канал, или использования вынужденной конвекции на основе организации специальной системы вентиляции. Гусак С. А. и др. Оценка эффективности пассивной системы тепловой защиты породного массива. Вестник МГТУ. 2020. Т. 23, № 1. С. 72-79. DOI: 10.21443/1560-9278-2020-23-1-72-79 Assessment of the efficiency of passive thermal protection system of rock massif Sergey A. Gusak, Alexander O. Orlov, Yury G. Smirnov*, Valery V. Biryukov, Anita A. Palivoda *Mining Institute KSC RAS, Apatity, Murmansk region, Russia; e-mail: smirnov@goi.kolasc.net.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6100-2032 Abstract The problem of ensuring the stability of rock mass is of particular importance in the conditions of thermal interaction of mine workings with permafrost rocks. The paper presents the results of studying the effectiveness of passive thermal protection system of permafrost massif. Based on a numerical modeling by use of ANSYS FLUENT software complex, studies of thermal interaction of a large-span chamber working and permafrost massif have been performed. On the example of a hypothetical three-dimensional model of mine working with different variations in the material composition of the protective structure (lining) of working and the use of convective heat transfer in the technological channel (air gap), it has been performed the calculated study of the features of the temperature regime of the lining structural elements. There has been carried the estimation of the predicted depth of thawing of rock depending on the design and material composition of the lining and the duration of the thermal impact on the rock massif. The influence of the thermal resistance of the mine working protective structure on the depth and dynamics of thawing rock massif has been studied, the structure determines the conditions of preservation of its cryogenic state and requirements for mining systems of regulation of the thermal regime. The temperature gradients formed in the structural elements of the lining, which can contribute to the occurrence of thermal stresses that have a negative impact on the stress-strain state of the protective structure of the mine working have been founded. On the example of the accepted model representations of the technological channel (temperature of the entering air, width of the channel) the weak influence of heat exchange due to free convection on the intensity of thermal interaction of the working and rock massif has been shown. To reduce the thermal impact on the protective structure of the mine working and the permafrost massif it is necessary to increase the intensity of heat exchange in the technological channel by decreasing the temperature of the air entering the channel, or using the forced convection based on the organization of a special ventilation system. Gusak, S. A. et al. 2020. Assessment of the efficiency of passive thermal protection system of rock massif. Vestnik o fMSTU, 23(1), pp. 72-79. (In Russ.) DOI: 10.21443/1560-9278-2020-23-1-72-79 Article info Received 26.12.2018; received in revised 29.01.2019 Key words: mathematical modeling, ANSYS FLUENT software complex, heat transfer, thermal resistance, thermal protection, permafrost rocks, rock massif, chamber mine working For citation Информация о статье Поступила в редакцию 26.12.2018; получена после доработки 29.01.2019 Ключевые слова: математическое моделирование, программный комплекс ANSYS FLUENT, теплообмен, термическое сопротивление, тепловая зашита, многолетнемерзлые горные породы, породный массив, камерная горная выработка Для цитирования