МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР УПРАВЛЕНИЕ КАПИТАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВСЕСОЮЗНОМ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЗАЦИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ШАХТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

ВНИИОМШС

ВРЕМЕННОЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПОРОД ДЛЯ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ШАХТ

Харьков 1971

II -

заморозить верхние пласты пород,а нижние пласты будут заморожены либо за время проходки верхнего участка ствола,либо при переходе в дальнейшем на прямую циркуляцию рассола.

Ступенчатое замораживание пород

По этой схеме С рис.2) ледопороднсе ограадение ствола образуется последовательными во времени и нисходящими по глубине интервалами - ступенями с помощью сквагин,пробуренных на всю глубину залегания водоносных и неустойчивых пород.

Для осуществления этой схемы каздую замораживающую колонку оснащают двумя внутренними трубами: питающей и отводящей, которые опускают до соответствующих границ очередной ступе ни.Наибольший отбор тепла от пород каждщраз осуществляется в пределах очередной ступени.

При переходе к замораживанию следующей ступени обычно до ее нижней границы опускают трубу,служившую отводягей при замораживании предыдущей ступени,а бывшую питающую трубу используют в качестве отводящей без наращивания.При этом необходимо соответственно изменять подачу рассола в колонки.

Применяется при:

-    большой мощности всей толщи водоносных и неустойчивы:: пород С свыше 200 м );

-    наличии в толще водоносных пород пластов водоупорных пород,которые могут служить границами ступеней и обеспечит*, невозможность прорыва роды в заосй со стороны ниыней ступени при проходке ствола в пределах верхней.

13

Разновидностью данной схемы является схема зонального замораживания,при которой из всей толщи пород предусматривают активно замораживать отдельные зоны водоносных пород. схему можно применять,когда в геологическом разрезе встречаются толщи водоупорных пород мощностью 30-40 м,которые по ряду причин замораживать нецелесообразноевозрастают расход холода и мощность замораживающей станции,возможны пучение пород и повреждения колонок).

Местное замораживание пород

По этой схеме ( рис.з) ледопородное ограждение вокруг ствола на участках пересечения водоносных пород создают с помощью скважин,пробуре иных непосредственно из забоя ствола.

Применяется при:

-    ограниченной мощности отдельного пласта или пачки пластов водоносных пород - не более 100 и и залегании их кровли на глубине,превитающей в 1,5-2 раза мощность самой водоносной толщи;

-    неожиданном вскрытии при проходке стзола пласта водоносных пород (.как аварийный способ),особенно при наличии на готовом участке ствола такого типа пород,которые при их замораживании могут вспучиваться к создавать опасные нагрузки на крепь ствола.

Для осуществления этой схемы проходку ствола следует прервать,оставив над кровлей водоносной толщи достаточно мощный (по расчету)целик из водоупорных пород,разделать буровую камеру,установить кондукторы скважин и уложить на забое водонепроницаемую бетонную педушку,пробурить скважин:; и смонтировать в них замораживающие колонки с питающими трубами.

При наличии в водоносных породах гидростатического напора следует бурить скважины с применением средств их ге^етизации-сальников,превентеров - или с применением уравнительного трубопровода. 3 первом случае буровые станки можно установить в забое ствола,во вгсрсы - на его нулевой площадке или на полке в стволе выше статического горизонта подземных бод.По окончании моятага кавдой колонки устье скважины следует герметизировать

15

путей цементации или с помощью запорного устройства.

Выбор для конкретных условий той или иной схемы замораживания следует обосновывать технико-экономическими расчетами.

II. К СХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАМОР А£У. БАНК Я ПОРОД

1. кНКЕНЕРНО-ГЕОЛСП.ЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Для проектирования замораживания пород должны быть представлены следующие инженерно-геологические данные:

-    геологический разрез по оси закладываемого ствола, характеристика залегания пород в его районе;

-    минералогический и гранулометрический состав пород;

-    объемный вес, пористость, влажность (весовая или объемная), угол внуиреннего трения пород;

-    предел прочности пород на одноосное сжатие в естественном и в замороженном состоянии (при температурах -5, -10 и -15°С);

-    коэффициенты теплопроводности и теплоемкость пород в естественном и замороженном состоянии, распределение температуры пород по глубине;

-    коэффициенты фильтрации пород, гидравлические уклоны, направления к истинные скорости движения подземных бод, статические напоры по каждому водоносному горизонту к характеристика гидравлической связи между горизонтами;

-    степень и состав минерализации подземных вод, темпе; г.-туры замерзания естественных минеральных растворов;

-    источник', водоснабжения, дебит к температура воды, используемой для замораживающей станции.

Значения некоторых свойств пород приведены в справочки;' таблиизх 7-18. Кх также можно определить по номограммам (рисЛ - !•$>).

2. ШП-НА ЗАМОРАД г АШ л

Глубину замораживания пород соответственно геологи*»-условиям проходки ствола следует принимать:

- при неустойчивых кодонесны* породах вне зависимо, щ

Составители:

Канд. техн. наук П.А. Ш1АРБЕР Инк. В.А. ПАНЬКИН

Инк. А.Л. ШРАЙМАН    ВНИИОМШС

Инж. И.М. ГУЛЕЙ Инк. А.Д. КРУПЕНКО

Канд. техн. наук О.А. ДОЛГОВ МГИ Канд. техн. наук А.З. ЛИТВИН

Канд. техн. наук В.А. ФЕДОСИН    ша_{Хтспвцстрой}

Инж. Б.Б. БЕГРЕР Инж. Л. С. МЕРЗАК

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее временное руководство составлено по заданию треста Шахтспецстрой ВНЖШЮом,МГИ и Проектной конторой треста Шахтспецстрой на основе разработанной в 1969г.первой его редакции.

Руководство является результатом обобщения методических положений,принятых в современной практике проектирования и проверенных в производственных условиях,изучения и обобщения законченных исследований в области замораживания пород для проходки стволов шахт ВНИИ(1ШС&,МГИ,ИГД им.А.А.Ско-чинского,Проектной конторы треста Шахтспецстрой н других организаций, данных специальных наблюдений в производственных условиях на Яковлевском опытном участке ША (1960-1962гг), стволах шахт Запорожского железорудного комбината fc I (1961-1967гг.) и Березниковских калийных комбинатов * 2 и 3 (1966-1969гг.).Изучены по литературным источникам и частично использованы материалы зарубежного опыта замораживания пород в шахтном строительстве.

3 руководстве рассматривается общепринятый в практике шахтного строительства аммиачно-рассольный способ замораживания с использованием в качестве хладагента аммиака и в качестве хладоносителя - водного раствора соли хлористого кальция (рассола),изложена сущность этого способа,даны определения его вариантов и указаны области их применения.

Приведены перечень необходимых для проектирования исходных данных,методы определения основных теплофизпческих величин, справочный материал по их значениям, типам и характеристикам применяющегося оборудования.

Изложена методика расчета нагрузок на ледопородное ограждение ствола,средней температуры и прочности замороженных пород,параметров циркуляции рассола,необходимой холодо-производительносги замораживающей станции и продолжительности заморажизания пород.

Руководство предназначено для пользования при проектировании^ также для проверочных расчетов при осуществлении замораживания пород.

Для соверненствования и дополнения настоящего руководства принимаются к рассмотрению принципиальные замечания,по-желания и новые разработки всех организаций,проводящих исследования,проектирование и осуществление замораживания пород» Редакционная комиссия: А.З.Литвин С председатель),

В. А. $едюкин, В. Г. Николае нко, 0. А» Долгов, Б» Б. Бе ргер, Л .С .Me рзак, П.А.Шпарбер,В.А.Пакькин С ответственный редактор).

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. СУЩНОСТЬ СПОСОБА ЗАМОРШЗАШ ГОРНЫХ ПОРОД

Способ замораживания горных пород применяется для проходки вертикальных стволов шахт и других горных выработок в сложных горногеологических условиях при наличии в геологическом разрезе водоносных неустойчивых пород,а также зодоносных устойчивых пород в тех случаях,когда применить другие специальные способы (водопонижение,тампонаж и т.д.) невозможно или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Способ замораживания пород универсален,он применим в разнообразных сложных горногеологических условиях и отличается высокой надежностью.Среди других специальных способов проходки стволов вахт он наиболее распространен в отечественной практике.

Сущность способа заключается в том,что до вскрытия стволам вахты водоносных перед их предварительно замораживают, благодаря чему вокруг ствола образуется сплошное ледопородное ограждение,которое воспринимает на себя горное и гидростатическое давление и защищает ствол от затопления,создавая условия для его проходки по обычной технологии.

При необходимости ледопороднэе ограждение можно создать на всем протяжении ствола шахты либо на отдельном его участке.

Для образования ледопородного ограждения вокруг будущего ствола через толщу водоносных пород бурят скважины,в которые опускают замораживающие колонки.Затем в колонках осуществляют циркуляцию холодоносителя-рассола (табл.1 J, охлаждаемого до требуемой отрицательной температуры на замораживающей станции. Колонки герметически закрывают снизу башмаками,а сверху - головками с входным и выходным патрубками.Для обеспечения циркуляции рассола в колонках внутрь их опускают питающие и отводящие трубы,которые соединяют соответственно с входным и выходным патрубками головок.Патрубки снаружи подсоединяют к распределителю и коллектору,к которым подведены магистральные рассолопроводы от замораживающей станции.

Полезную работу - интенсивный отбор тепла от окружающих колонку пород - рассол совершает при движении по рабочем}’ участку колоккк,границы которого соответствуют положениям

6

нижних концов питающей и отводящей труб.По направлению движения на рабочем участке колонки различают прямую и обратную цир^гляцию рассола.

В результате отбора рассолом тепла от пород вокруг каждой из колонок образуются ледопородные цилиндры,которые с течением времэни увеличиваются в диаметре и наконец смыкаются в сплошное ледопородное ограждение вокруг ствола шахты.Задвг-чей замораживания является создание ледопородного ограждения требуемой по горнотехническим условиям толщины,прочности и устойчивости для обеспечения проходки ствола в водоносных породах.

Производство холода на замораживающей станции основано на принципе изменения агрегатного состояния хлад агента-аммиака (табл.2,3).При относительно низксм давлении и подводе тепла жидкий аммиак испаряется и переходит в газообразное состояние (в испарителях)«Затем аммиак засасывается аммиачными компрессорами и сжимается .Сжатый аммиак с высокой температурой поступает в конденсаторы,где отдает тепло воде и переходит в жидкое состояние.По пути из конденсаторов в испарители жидкий аммиак дросселируется на регулирующей станции с давления нагнетания до давления испарения.

Таким образсм,процесс замораживания пород включает в себя три теплообменных цикла:

1цикл - отбор тепла от пород рассоломСзамораживание пород);

2    цикл - отбор тепла от рассола аммиаком па замораживающей станции;

3    цикл - отбор тепла от аммиака вод ой, подаваемой на конденсаторы замораживающей станции.

2. РЕШИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ПОРОД

Режим замораживания пород характеризуется значениями основных параметров первого теплообменного цикла: температуры замерзания пород, температуры и расхода рассола в колонках и др.Главным параметром является температура внешней поверхности замораживающей колонки на ее рабочем участке,которая должна быть достигнута в процессе замораживания для образования ледопородного ограждения нужной толщины и прочности.Достигав-

7

мым конечным значениям этой температуры, в свою очередь, соответствуют определенные значения температуры подаваемого в колонки рассола (температуры замораживания;, по которым различают два режима замораживания пород: обычный и низкотемпературный. При обычном режиме достигается конечное значение температуры подаваемого в колонки рассола до минус 20°С, при низкотемпературном - до минус 40°С.

Низкотемпературный режим замораживания следует применять для пород с засоленностью подземных вод более 3°Ве, при естественной температуре подземных вод выше 20°С или при наличии потоков подземных вод со скоростью движения более 2 м/сутки.

При наличии в породах насыщенных естественных рассолов конечное значение температуры замораживания следует принимать на основании данных лабораторных исследований температуры замерзания и прочности рассолосодержащих пород. Б настоящем Руководстве приведены ориентировочные значения температур замерзания некоторых рассолов (табл.4,5).

При проектировании в каждом случае температуру замораяива-ния следует окончательно принимать на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов с учетом конкретных условий замораживания пород.

3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЗАЫ0РА1КВАЩЕЙ СТАНЦИИ

Каждому режиму замораживания пород соответствует определенный режим работы замораживающей станции, который характеризуется, главным образом, параметрами замкнутого цикла циркуляции аммиака в аммиачной системе. По значениям этих параметров различают два режима работы станции: одноступенчатый и двухступенчатый.

Одноступенчатый режим

При работе по этому режиму компрессоры замораживающей станции осуществляют цикл одноступенчатого сжатия аммиака.

Станцию требуемой хододопроизводительности обычно компонуют из однотипных холодильных агрегатов. В состав каждого из них входят: аммиачный компрессор одноступенчатого сжатия, конденсатор, регулирующая станция, испаритель, вспомогательное оборудование (маслоотделитель, ыаслособиратедь, ресивер с от-

8

делителем воздуха), запорная арматура, контрольно-измерительная аппаратура и приборы средств сигнализации и автоматизации. Для подачи воды на охлаждение компрессоров и конденсаторов всех агрегатов и для осуществления циркуляции рассола монтируют соответствующие насосные установки.

Диапазон рабочих давлений одноступенчатого цикла сжатия аммиака ограничен определенными технологическими условиями. Давление всасывания- целесообразно поддерживать выше атмосферного на 0,3 - 0,5 ати во избежание подсоса воздуха в систему через сальники компрессоров. Выпускающиеся одноступенчатые аммиачные компрессоры рассчитаны на работу преимущественно при отношении давления нагнетания к давлению всасывания до 8. По этим условиям можно получить наиболее низкую температуру испарения аммиака при одноступенчатом цикле сжатия до минус 25°С, а температуру рассола - до минус 20°С.

Двухступенчатый режим

Работая по этому режиму, компрессоры замораживающей станции осуществляют цикл двухступенчатого сжатия аммиака.

В цикле двухступенчатого сжатия газообразный аммиак после первой ступени сжатия поступает в промежуточный сосуд. Затем пары аммиака в охлажденном состоянии проходят вторую ступень сжатия и нагнетаются в конденсатор, где охлаждаются водой и конденсируются.

Г; я конденсатора болыая часть жидкого аммиака проходит через змеевик в промежуточном сосуде, охлаждаясь при этом, далее дросселируется в регулирующем вентиле и поступает в испаритель ; меньиая часть его через поплавковый регулирующий вентиль поступает непосредственно в промежуточный сосуд, заполняет его до определенного уровня и испаряется, охлаждая аммиак в змеевике и газообразный аммиак, направляющийся во вторую ступень.

Двухступенчатый режим работы станции осуществляют по окончании замораживания пород с одноступенчатым режимом, т.е. по достижении температуры испарения аммиака минус 25°С, переводя отдельные компрессоры станции на работу в качестве второй ступени либо включая в работу вместо одноступенчатых двухступенчатые компрессоры, у которых часть цилиндров работает на пер-

- 9

вой ступени, а часть - на второЯ ступени сжатия аммиака.

Компоновка станции из разнотипных одно— и двухступенчатых компрессоров допускается ливь в отдельных случаях:

-    на общих для нескольких объектов замораживающих станциях при поочередном замораживании пород на этих объектах и отсутствии необходимого парка однотипных компрессоров;

-    при выявленно! в процессе обычного замораживания пород необходимости низкотемпературного замораживания,поставки и монтажа для этой цели дополнительных компрессоров,а также при отсутствии свободного парка компрессоров,однотипных с используемыми на данном объекте.

С ХЕШ ЗШОРАХИВАШ ПОРОД Замораживание пород на всю глубину

Эта схема (рис.1) является наиболее простой и распространив иной. Для осуществления этой схемы каждую замораживающую колонку снабжают одной внутренней трубой - питающей или отводящей^ этом случав движущийся в межтрубном пространстве колонки рассол активно отбирает тепло от пород по всей глубине.

Применяется при:

-    залегании кровли водоносных и неустойчивых пород на небольшой глуСине от поверхности - до 50-70 м;

-    преобладании в геологическом разрезе пластов пород, подлежащих замораживанию;

-    отсутствии в толще водоносных пород разделяющих пластов водоупорных пород;

-    отсутствии готового участка ствола, пройде иного в породах, склонных к пучению при замораживании.

Прямую циркуляцию рассола - с подачек его в питающую трубу -следует применять,когда основную трудность представляет замораживание нижних пластов пород в геологи<еском разрезе,и необходимо наиболее длительное замораживание их до возможно более зизкой температуры.Обратную циркуляцию - с подачей рассола в межтрубное пространство колонки - следует применять, когда для начала проходки ствола необходимо в первую очередь