Временная инструкция по ведению процесса искусственного оттаивания замороженных горных пород при проходке шахтных стволов

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

всесоюзный научно-исследовательский

ИНСТИТУТ ОРГАНИЗАЦИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ШАХТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ

ПО ВЕДЕНИЮ ПРОЦЕССА ИСКУССТВЕННОГО

*

ОТТАИВАНИЯ ЗАМОРОЖЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОХОДКЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ

Харьков 1874

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

УПРАВЛЕНИЕ КАПИТАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Всесоюзный научно-исследовательский институт организации и механизации шахтного строительства

ВНИИОМШС

ВРЕМЕННАЯ ИНСТРУКЦИЯ

по ведению процесса искусственного оттаивания замороженных горных пород при прсходке шахтных стволов

Харьков 1974

колонку надо немедленно перекрыть я произвести ее переобсздку трусами меньшего ди-зметрз.

^й.З. Замер температуры пород производится в тех же контрольных температурных скважинах и теми же средствами* что и при .за-ыоражиБнкки, - главным образом, на участках водоносных горизонтов* представляющих наибольший интерес.

При замораживании у каждого ствола пробуриваются три температурные скважины, из которых одна - на окружности расположения замораживающих скважин, посередине между двумя из них; вторая ка знойней границе ледопородного ограждения проектных размеров; третья - на расстоянии 1 м от второй по проходяцеыу через ось ствола лучу.

В скважины опускаются гирлянды термометров сопротивления. Число их соответствует количеству контролируемых горизонтоь. Обычно термометры предусматриваются иа каждый разобщенный водоносный горизонт.

Термометры сопротивления могут быть заменены термопарами. При выходе их из строя на каком либо участке замер температуры пород в контрольной скважине может быть произведен "заленивланшзГ минимальным спиртовым термометром с интервалом шкалы *50 * -50°С (ГОСТ 9177-59). При этом необходимо дать достаточную выдержку во времени.

4.4.    Радиус оттаивания пород определяется графическим путем в координатах^--* («- расстояние от рабочей до контрольных скважин) по данным замера температур в контрольных скважинах. Пересечение температурной кривой с нулевой изотермой даст отрезок, равный радиусу оттаивания для пород, насыщенных пресными водами. Пересечение этой кривой с изотермой, соответствующей эвтектической температуре естественного раствора солей, даст радиус оттаивания для соленасыщенных пород.

4.5.    В случае осложнений при.проходк-j ствола и необходимости погашения контрольных скважин до начала искусственного оттаивания контроль за отвиванием пород осуществляется через одну или две рабочие колонки, не включенные в рассольную сеть.

4.6.    При наличии одной контрольной скважины радиус оттаивания определяется расчетным путем по формуле:

для пресноводной зоны

. ^    ?    -    ^jc    с

тт, * н •

I *

10.

дли засоленной зоны Сп.ъ(\

Р =. g    1ж ~*с    ,

где U - температура стенки колонки, °С (не 1-2°С кике температуры прямого рассола);

1 - расстояние точки замера (контрольной скважины) от ближайшей колонки, м;

температура породы °С на расстоянии 2 от колонки;

2* - радиус колонки, м;

w - температура замерзания рассола °С.

4.7.    Контрольные температурные скважины (колонки) ничем не заполняются. Монтаж гирлянд термометров сопротивления должен быть осуд(ествлен в сухих скважинах.

4.8.    Наиболее точно радиусы оттаивания пород могут быть определены с помощью ультразвукового прибора УКЛО-1 конструкции ВНИЖДОС; первый замер следует снять перед началом искусственного оттаивания, чтобы иметь представление о действительных размерах дедопородного ограждения. Последующие два замера необходимо произвести в процессе оттаивания пород.

*t,9. В первый период оттаивания имеет место малый перепад температур между прямым и обратным рассолом (0,5«*2°С); затем разность температур постоянно увеличивается и к концу процесса может составить 4*6°C и более. Температура прямого рассола фиксируется термометром, установленным не распределителе в галерее; температура обратного рассола в каждой колонке замеряется в гильзе на ее головке.

*♦.10. На рассольной сети должны быть установлены следующие контрольно-измерительные приборы:

а)    манометры на нагнетательной линии у рассольного насоса, на прямой и обратной линиях рассольных коллекторов (не менее одно-го);

б)    термометры на прямой и обратной линиях рассолопровода и на колонках. При отсутствии необходимого количества термометров

замеры производить периодически имеющимся в наличии термометром ;

б) .Указатель уровня рассола в баке испарителя типа КГУ-2 (ВНИХИ). Указатель должен быть оборудован звуковой сигнализацией, подающей сигнал при изменении уровня рассола в баке;

г) расходомеры типа ДРИ Таллинского завода на обратном рассодопроводе.

Показания контрольно-измерительных приборов ежесменно заносятся в журналы ведения работ.

4.11.    Нарушение циркуляции рассола в колонке вследствие обрыва колонны питающих труб определяется по разности температур прямого и обратного рассола; обратный рассол в данной колонке будет иметь более высокую температуру по сравнению с другими, так как он ие успевает охладиться.

4.12.    Контроль за работой вентиляторных установок и температурой воздуха в стволах следует производить согласно "Руководст-ву по проектированию и организации проветривания строяпихся и реконструируемых шахт⁰ (ВНИИОШИС, Харьков, 1969) с помощью обязательного комплекта контрольно-измерительной аппаратуры, представленной в табл.12 указанного руководства.

4.13.    Для замера расхода воздуха применяются воздухомерные трубки в комплекте с самопишущими дифманометрами различных типов.

4.14.    Контроль за изменением производительности вентилятора осуществляется при помощи измерения скорости воздуха в канале или трубопроводе, подсоединенных к вентилятору, с подсчетом по формуле

(Х₈3 60 * Vep* S, м³/мин,

где V_epk- средняя скорость воздуха, м/сек, измеряемая анемометром в канале или воздухомерной трубкой в трубопроводе.

Производительность вентилятора определяется периодически; полученные результаты записываются в вентиляционный журнал.

4.15. Температура воздуха в стволе должна замеряться раз в смену в трех точках одновременно :    на    выходе,    забое    и    примерно

посредине ствола, для чего требуется не менее трех ртутных палочных термометра на один ствол.

12.

4.16.    Параметры пара определяются с помощи термометров, установленных на входе и выходе пара мз нспарителя-кагревателя а манометров. Расход пера определяется по количеству конденсата«выпускаемого из нспврнтедя в норную емкость за одннщу временя.

4.17.    Состояние тюбинговой колонны в зоне рассола и пресных вод определяется путем ежесменных визуальных наблюдений я непосредственными замерами температуры тюбинговой крепи, а также бетона в породы за тюбингами в щурах, пробуренных через тампонажные отверстия.

*.18. Момент окончания процесса искусственного оттаивания пород определяется по совокупности следующих данных:

а)    наличию положительной температуры на разных глубинах и периметру ствола во всех температурных контрольных скважинах, расположенных в пределах ледопородного цилиндра;

б)    достижению проектных радиусов оттаивания путем аамера температур в скважинах при контрольном бурении через пробки в тюбинговой крепи.

*•19. Замораживающая станция не должна демонтироваться до конца искусотвевного оттаивания, чтобы ее можно было немедленно пустить в ход, если при оттаивании илв после него будут обнаружены серьезные дефекты в крепи.

5. ПОГАШЕНИЕ (ТАМПОНАХ) ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ СКВАЖИН

5.1.    После окончания искусственного оттамвания м проведения гидроизоляционных работ в стволе необходимо произвести погашение (тампонах) замораживающих скважин. Основной его целью является надежное восстановление тампонажными материалами сплоняости и водонепроницаемости защитной толщи в местах нарушения ее скважинами и недопущения воды из верхних обводненных пластов породы

к нижним через замораживающие скважины.

5.2.    В плотных нетрещиноватых породах, в которых обычно углубляются колонки, а также в крепких трещиноватых и устойчивых породах, где возможно наличие пустот вокруг колонок, для надежного их погашения и качественного заполнення эатрубного пространства тампонажным раствором производится перфориация колонок. В не-

13

устойчивых водоносных породах, где колонка может быть обжата ими, погашение колонок производится без перфорации - путем заливки их тампонажным раствором.

5.3. Перед погашением скважин производят следующие подготовительные работы:

а)    демонтаж коллекторного и распределительного кольца в

галерее;

б)    удаление рассола из колонок путем прокачки через них воды, которая подается питающими трубами;

в)    удаление питающих и отводящих труб;

г)    иаблонировааие скваяин (определение уровня забоя для уточнения глубины заделки снаряда).

5Л. Промывку колонки следует прекратить лишь тогда, когда в течение 10-20 минут из колонки будет выходить прозрачная вода с удельным весом, близким к единице (1,02-1,05 гр/см³).

5.5.    Перфорация труб колонок производится перфораторами кумулятивного действия типа ПК-103-20; ПХ-105у; ПК-85-10^;КТР-80у либо пулевыми перфораторами типа ПФ6-3. Перфораторы опускаются в колонки, заполненные водою. За один выстрел колонки перфорируются в 10-12 точках, диаметр отверстия 10-12 мм. Глубина расположения участков перфорации, их количество и протяженность определяются проектом с последующей корректировкой нз основании данных исполнительной геологии (с учетом положений, предусмотренных § 5.2).

Из перфорации исключаются колонки, вошедшие в ствол или приблизившиеся к нему на горизонте прострела менее, чем на 2 м.

При применении пулевых перфораторов минимальное расстояние колонки до крепи ствола может быть принято до 1,5*1 м*

До начала нагнетания раствора перфораторы извлекаются.

5.6.    3 качестве тампонажного раствора для погашения скважин в водонасыщенных породах следует применять смесь цемента и воды в соотношении 1:0,6 с добавкой 2-3% хлористого кальция. Прочность цементного камня на сжатие на седьмые сутки равна 100Kr/ci£ Для погашения скважин в соленосных породах применять смесь сульфа-тостойкого портландцемента и рассола NaCl (удельный вое ^=1,2) в соотношении 1:0,6 с добавкой 2% хлористого кальция к весу цемента. Прочность цементного камня на сжатие на седьмые сутки равна

14.

70 Ki’/cir.

5.7.    Начало схватывания раствора состава цемент-рассол наступает черев 3 часа, а раствора цомвчт-вода через 2 часа 30 икнут. Оря циркуляционном способе нагнетания срокж схватывания рао-твора должны быть :? сколько бодьве времени яввдеченяя труб.

5.8.    Дня нагнетания раствора при погашении скважин следует применять серийно выпускаемый цементировочный агрегат ЦА-320М или вясооа тина ГР ИГР и 9Т.

5.9.    Нагнетание раствора производится зажимным или циркуляционный способом., Знбор способа нагнетания определяется проектом.

При зажммиоы способе на устье колонки монтируется цементи-рово«вая головка, которая при помощи зысоконапорного шланга присоединяется к трубопроводу, подающему цементный раствор. Прм циркуляционном способе нагнетания в замораживавшую колонку опускаются бсзмуфтовые (оСично бурильные) трубы. На устье колонки монтируют цемектировочкую головку и присоединяют ее к трубопроводу, по которому насосом подается тампонажный раствор.

5.10.    Нагнетание тампонажного раствора следует вести до прекрацения поглощения его породами при максимально допустимых давлениях»

5.11.    Давление нагнетании принимается из проекта креплеамя стволов, где для сохранения постоянной крепи определены максимально допустимые давления для последующей цементация пород и закрепи ого пространства.

5.12.    После окончания нагнетания тампонажного раствора с устья колонки снимается цементировочная головка и немедленно извлекаются питающие трубы (если нагнетание производилось циркуляционным способом).

Насос, магистральный трубопровод, шланги, цементировочная головка н навлекаемые питающие трубы следует немедленно промыть водой.

5.13.    За расходом тампонажного материала, идущего на погашение скважин, должен быть организован контроль. Это необходимо для своевременного определения полноты погашения и принятия мер в случае ухода тампонажного раствора за пределы скважины.

5.14.    Критерием полноты погашения скважин является соот-

15.

С развитием и внедрением способа замораживания глубоких стволов шахт возникла необходимость в искусственном их оттаивании. Правильная организация данного процесса обеспечивает своевременную сдачу в эксплуатацию стволов и вахт. Для повышения эффективности и надежности работ по искусственному оттаиванию пород возникла необходимость в составлении инструкции по ведению этого процесса с учетом изменений в технологии.его ведения на базе новых достижений науки и техники.

В основу разработки настоящей инструкции положен опыт искусственного оттаивания замороженных горных пород, накопленный трестом Оахтспецстрой, на стволах Березниковских калийных комбинатов te 2 и 3 (1966-1972 гг.) и Соликамского калийного комбината tel (1969-1970 гг.).

При составлении инструкции использованы материалы Проектной конторы треста Шахтспецстрой и данные опыта искусственного оттаивания пород в СССР и за рубежом. Инструкция составлена с учетом изменений технологии и средств искусственного оттаивания замороженных горных пород. Учтены также замечания Проектной конторы треста Шахтспецстрой и Березниковского строительного вахтопроходческого управления.

Инструкция предназначена для инженерно-технических работников и об служи вашего персонала вахт, строящихся и реконструируемых с применением способа замораживания.

Инструкцию составили инж. Гулей И.И. и канд.техн. наук Шпарбер П.А.

1* СУЩНОСТЬ СПОСОБА ИСКУССТВЕННОГО ОТТАИВАНИЯ ПОРОД

1*1. Процесс оттамвания искусственно замороженных пород является процессом, обратным замораживание. Интенсивность и характер оттаивания пород зависит от тех же факторов, что и замораживание: способа и технологии искусственного оттаивания, гидрогеологических условий заложение ствола, теплофизических свойств горных пород.

1.2.    Искусственное оттаивание ледопородного ограждения производится для ускорения процесса, а также для проверки герметич -ности крепи до момента сдачи объекта (ствола) в эксплуатацию.

1.3.    Искусственное оттаивание пород рекомендуется производить подогретым рассолом, циркулирующим в замораживающих колонках, с одновременным обогревом крепя ствола теплым воздухом, подаваемым по трубам (вентиляционному рукаву) на глубину замораживания пород.

1Л. Для циркуляции подогретого рассола по колонкам используется та же рассольная сеть, что и при замораживании пород. Нагретый паром в испарителе рассол (рис.1) перекачивается рассольным насосом через прямой рассолопровод 3 и распределительное кольцо 4 в замораживающие колонки 5. По питающей трубе рассол опускается ко дну колонки, а по кольцевому пространству поднимается вверх. После выхода из колонок рассол поступает в коллектор в и со обратному рассолопроводу 7 возвращается в испаритель. Водяной конденсат непрерывно выпускается через маслоспускной вентиль,расположенный на масляном горшке в нижней части испарителя.

В результате передачи тепла колонки замороженным породам сначала оттаивают слои породы, непосредственно прилегающие к ней. Затем процесс оттаивания распространяется дальве по радиусу. Одиночные оттаявшие цилиндры смываются между собой в сплошное кольцо толщиной, равной толщине стенки замороженной породы.

1.3. При наличии в геологическом разрезе ствола однородных водонасыщенных пород оттаивание производят на всю глубину замороженного участка. В этом случае теплоноситель по питающей трубе 2 (рис.2,а) подается в башмаку колонки 3 и затем движется вверх по

3.

ее ыежтруснопу пространству. Рабочий участок колонки равен полной ее длине.

При наличии в геологической разрезе ствола разнородных по солевом'у составу пород, когда верхние пласты водонасыщены (зона I), а низине насыщены растворами солей (зона II) с температурой замерзания их ниже +0°С (-21* -23°С) и между ними имеется водоупорный пласт, следует применять зональное оттаивание.

Сущность способе заключается в подаче нагретого теплоносителя сначала по питащей трубе 4 (рис.2,6) и его циркуляции в меж-трубном пространстве коленки кнхней зоны и возврате по отводящей труое 9. При этом запорные вентили 5 и 8 открыты, вентиль 6 эакра После оттаивания нижней зоны подогретый рассол подаете:: по труба 9, проходит межтрубное пространство колонки в верхней зона, и, пройдя через обратную трубу 7, возвращается в испаритель-подогреватель, При этом вентили 8,6 открыты, вентиль 5 закрыт. Рабочий участок колонки и соответственно длина питающей и отводящей труб принимаются в зависимости от протяженности зон.

Во избежание больших температурных напряжений рекомендуется сначала для "высвобождения" колонок некоторое время осуществлять обратную циркуляцию подогретого рассола на полную глубину. При этом подача рассола производится в мехтрубыое пространство колонки, а выход его осуществляется через обратную трубу,

2. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ

2.1.    Искусственное оттаивание замороженных горных пород должно производиться только при наличии проекта. Работы могут быть начаты лииь при наличии всего оборудования, необходимого для гедония процесса.

2.2.    К искусственному оттаиванию замороженных пород приступают после того, как будет пройден и закреплен на участке замороженных пород ствол, а также сооружены водонепроницаемые венцы (кейлькранцы). При проходке стволов на угольных и рудвых шахтах сроки начала искусственного оттаивания устанавливаются проектным графиком производства работ.

2.3.    Перед началом работ должна быть подготовлена специаль-

6.

ная бригада рабочих для выполнения работ по искусственному оттаиванию, перфорации и погашению замораживающих нрлонок.

2 А, В программу обучения этих рабочих додано входить изучение устройства оборудования, для работ по искусственном:/ оттаиванию, его эксплуатации и технологических процессов всего комплекса работ.

?.т5. До начала искусственного оттаквання необходимо тщательно проверить состояние крепи и устранить залеченные дефекты.

3. ВЕДЕНИЕ ПРОЦЕССА ИСКУССТВЕННОГО ОТТАИВАНИЯ

З.Х. Подогрев рассола производить в испарителях, в рас-ссльаых баках, снвбженных паровыми секциями, либо в кожухотрубяых конденсаторах типа КТГ.

3.2.    Пар из котельной через распределительный коллектор подается в каждый из нагревателей. Система паропроводов должна быть тщательно теплоизолирована.

3.3.    Подключение паропровода к испарителю (кожухотрубному, вертикальнотрубному) производить через паровой штуцер на сухопарнике, выпуск конденсата через запорный вентиль в нижней части испарителя, предназначенный для спуска несла. Данный вентиль должен быть все время открыт.

3А. Перед подключением паропровода к испарителю последний необходимо предварительно освободить от аммиака, отсосав его на вакуум, соблюдая при этом "Правила техники безопасности на аммиачных холодильных установках" (ВДОХИ, М.,1969).

3.5.    Для отсоса аммиака из испарителя нзобходимо перекрыть и опломбировать в закрытом положении расположенный перед ним регулирующий вентиль.

3.6.    При отсосе испарителя на вакуум остальные испарители, присоединенные к аммиачному компрессору, которым производится отсос, должны быть отключены. Перед отсосом аммиака из испарителя из него следует выпустить масло.

3.7.    Отсос на вакуум контролируется с помощью аммиачного мановакууметра, установленного на испарителе, Мановаяуумметры должны иметь непросроченные пломбы и быть исправными. Когда мано-

7.

метр снят с рабочего места, стрелка должна находиться на делении "О" ати.

3.8.    Полное освобождение сосуда от остатков аммиака достигается неоднократным включением компрессора для отсоса на вакуум. Такой отсос следует производить примерно через каждые 2-3 часа, пока давление в аппарате не перестанет повышаться. При отсосе аммиака из испарителя не допускается нагрев последнего каким бы то ни было способом.

3.9.    Для проверки отсутствия аммиака в испарителе следует медленно открыть маслоспускной вентиль и убедиться, что через об-раэовавшуюся неплотность внутрь испарителя засасывается воздух • Проверку необходимо производить в противогазе.

ЗЛО. Для полной надежности отключения испарителя от всей холодильной системы между фланцами трубопровода и запорным вентилем, сиотированным перед регулирующим, а также на всасывающей стороне (со стороны компрессора) ставятся заглужки, которые должны иметь рукоятки (хвостовики) для быотрого определения места их установки.

3.11.    Подогрев воздуха для оттаивания пород ■ одновременной вентиляции ствола осуществляется в калориферах типа КФСнКФБ, монтируемых в одном блоке с вентиляционной установкой.

3.12.    Подача подогретого воздуха должна производиться вплоть до окончания процесса искусственного оттаивания пород. Обогрев крепи воздухом до температуры 10-Х5°С способствует созданию нормальных условий для схватывания цементного раствора аа крепью вахтного отвода при водоподавлении.

3*13. Максимально допустимая температура вентиляционного воздуха на забое ствола при присутствии людей в забое ствола согласно Правилам безопасности не должна цревьвать 26°С.

3.14. Для предотвращения замерзания рассола в случае остановки раосодьного насоса, особенно в начале процесса,при искусственном оттаивании следует пользоваться такой же концентрацией раствора хлористого кальция, как м при замораживании.

3.13.    Искусственное оттаивание замороженных пород сжедует начинать с циркуляции неподогретого рассола. Нагрев его оледует производить спустя 1-2 часа после начала циркуляции; аа это время проверять систему циркуляции и устранять возможные неполад-

8.

ки. Нагревать рассол постепенно, на 2-3°С в сутки, исходя из оценки прочности колонок, а также во избежание повреждений соединений труб от возникающих температурных напряжений вплоть до нарушения сцепления между колонками и породой. Последнее определяется выходом из колонок рассола с положительной температурой (+1* +2°С). В дальнейшем нагрев рассола следует вести более интенсивно на б-8°С в сутки за счет увеличения подачи пара.

3.16.    Максимальную температуру рассола следует иринимать на 30-50°С выше естественной температуры горных пород.

3.17.    В процессе искусственного оттаивания нельзя допускать нагревания тюбинговой крепи выше, естественной температуры пород во избежание раскрытия швов тюбингов при их охлаждении.

3.18.    Независимо от вида пород искусственное оттаивание следует вести до момента полного размораживания ледопородного ограждения. Перед началом оттаивания пород необходимо определить конечный радиус замороженных пород при помощи прибора УКЛО-1. По мере оттаивания пород в стВсле следует произвести гидроизоляционные работы в соответствии с указаниями проекта.

4. КОНТРОЛЬ ЗА ПРОЦЕССОМ ИСКУССТВЕННОГО ОТТАИВАНИЯ

4.1.    Процесс искусственного оттаивания пород должен производиться тщательно под непрерывным наблюдением технического надзора.

4.2.    Контроль за процессом искусственного оттаивания пород осуществляется:

а)    по наблюдениям за изменением температуры пород в контрольных температурных скважинах;

б)    по разности температур между прямым и обратным рассолом в устьях колонок (согласно § 4.12);

в)    по наблюдению за работой колонок и уровнем рассола в баке испарителя.

Изменение уровня рассола в баке испарителя свидетельствует об утечке рассола из системы. При этом необходимо проверить всю рассольную систему, в том числе и колонки на утечку. В случае утечки рассола из колонки, что свидетельствует о ее повреждении.

9.