Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

Рассольная сеть состоит из рассольного насоса, прямого рассолопровода, распределителя, коллектора, обратного рассолопровода и замораживающих колонок с соединительными и отводящими трубами, запорной и контрольно-измерительной аппаратурой. Испаритель, в котором охлаждается хладоноситель, относят к замораживающей станции.

Охлажденный в испарителе рассол нагнетается насосом через прямой рассолопровод в распределитель, а затем по системе параллельно подключенных к распределителю соединительным трубам поступает во все замораживающие колонки. Омыв стенки замораживающих колонок (отняв при этом тепло в окружающих колонки породах), рассол поступает через отводящие трубки в коллектор, а затем по обратному рассолопроводу в испаритель.

Сопоставление учетных данных о выработанном замораживающей станцией количестве холода с расчетным, позволяет косвенно судить о состоянии замораживаемых пород. Для этого систематически следят и регистрируют показания контрольно-измерительных приборов на намораживающей станции. Необходимо иметь в виду, что холодопроизводительность компрессоров будет меняться с изменением температуры охлаждающей воды в конденсаторе. Этот контроль обычно осуществляется дежурным машинистом замораживающей станции.

Большое значение имеет цельность рассольной сети и в особенности замораживающих колонок. Нарушение цельности замораживающих колонок приводит к утечке в породу рассола, что вызывает понижение температуры замерзания воды в породе, а также может вызвать оттаивание уже замерзшей породы.

Об утечках рассола в системе можно узнать по понижению уровня рассола в испарителе. Контроль за замораживающими колонками осуществляется по расходомерам, установленным в галерее на отводящих патрубках замораживающих колонок. Количество рассола, выходящего из каждой замораживающей колонки, должно быть одинаковым.

В случае отсутствия расходомера контроль осуществляют замеряя температуры рассола на выходе из колонок. Об утечках в данной замораживающей колонке судят по отличной от остальных колонок температуре. Часто утечку рассола в колонке можно установить по характеру инея на отводящем шланге. На таком соединительном шланге иней желтый, рыхлый. При отсутствии в колонке утечки иней на соединительном шланге белый, пушистый.

В каждую колонку поступает одинаковое количество рассола.

где — количество рассола, нагнетаемого в распределитель, м³/ч;

N — число подключенных колонок.

Фактическое количество холода, передаваемого породам, можо определить по формуле.

(23.2).

где k — коэффициент потерь холода в рассольной сети, принимают в.

среднем k=1,05−1,1;

• — плотность рассола, кг/м³;
• — удельная теплоемкость рассола, кДж/ (кг * ° С);

— температура входящего (прямого) и выходящего (обратного).

рассола, ° С;

tвремя замораживания, ч.

Контроль за формированием ледопородного ограждения осуществляют с помощью термонаблюдательных и гидронаблюдательных скважин. Термонаблюдательные скважины позволяют осуществлять контроль путем периодического замера температуры в замораживаемых горных породах в течение всего процесса замораживания. Термонаблюдательные скважины бурят по одной линии, причем одну скважину располагают в замковой плоскости между замораживающими скважинами, вторую — на проектируемом внешнем контуре замороженных пород, третью — на внутренней границе ледопородного ограждения.

Обычно в термические скважины опускаются медно-константановые термопары. Устье термической скважины теплоизолируются. Термопары устанавливаются против водоносных горизонтов.

С помощью гидронаблюдательных скважин можно судить о смыкании вокруг ствола ледопородного ограждения. До смыкания ледопородного ограждения уровень воды в скважинах, расположенных внутри ЛПО и за его пределами, одинаковы. При смыкании ЛПО уровни воды в этих скважинах будут различны. Гидронаблюдательные скважины бурятся на каждый водоносный горизонт.

В целях уменьшения числа гидронаблюдательных скважин часто сооружают комбинированные скважины — одна на два и дажэе три водоносных горизонта.

Для определения толщины ЛПО вокруг ствола применяют ультрозвуковой способ контроля. Этот способ основан на законах распространения упругих колебаний в пористых средах. В талых и мерзлых породах ультразвук распространяется с разной скоростью. Для ультразвукового контроля созданы специальные приборы — УКЛЦ-1, МАП.

Зональное замораживание.

При сооружение глубоких стволов в сложных горногеологических условиях часто приходится пересекать несколько разобщенных водоносных горизонтов с резко отличными по своим свойствам и параметрам породами и водами. Иногда эти водоносные горизонты находятся на значительном расстоянии друг от друга. В этих условиях применение обычной схемы замораживания становится не рациональным. В этих случаях применяют зональное замораживание, замораживая только зону обводненных пород.

Зональное замораживание можно производить с поверхности земли, а также из забоя ствола.

При замораживании с поверхности замораживающие скважины бурят через всю толщу породы, перекрывающей водоносный пласт. В скважины опускаятся замораживающие колонки. В замораживающую колонку, кроме обычной питающей трубы, опускают еще одну трубу, конец которой на 3−5 м выше кровли водоносного пласта. Рассол по питающей трубе поступает в замораживающую трубу, поднимается по межтрубному пространству до конца второй трубы, а затем по этой трубе — в коллектор. Таким образом, интенсивное движение рассола происходит только в той части замораживающей колонки, к которой примыкает водоносный пласт, подлежащий замораживанию.

При зональном замораживании из ствола проходку верхней части ствола ведут обычным способом. Не доходя до водоносного горизонта из ствола проходят специальную кольцевую выработку, из которой бурят замораживающие скважины и монтируют замораживающие колонки. Достоинством такой схемы производства работ является сокращение объемов бурения и некоторое уменьшение расхода холода. Недостатками ее являются затраты, связанные с сооружением дополнительной вспомогательной выработки, усложнение работ по бурению и обуриванию замораживающих скважин, необходимость перерыва в работе по непосредственной проходке ствола, а также удлинение сроков сооружения стволов.

Ступенчатое замораживание.

Ступенчатое замораживание получает широкое распространение в связи с увеличением глубины сооружаемых стволов. При этой схеме замораживания скважины бурятся с поверхности на всю глубину. В пробуренные скважины опускаются замораживающие колонки, в которых смонтированы три трубы. При замораживании верхней зоны нижний конец трубы (питающий) устанавливается на 3−5 м ниже подошвы верхней зоны замораживания, а трубы (отводящей) — на 3−5 м выше кровли этой зоны замораживания. После активного замораживания верхней зоны верхний конец трубы подсоединяется к коллектору, и эта труба выполняет роль отводящей трубы. Подача рассола из распределителя в замораживающую колонку ведется по питательной трубе, нижний конец которой на 500 мм выше башмака замораживающей колонки.

В тех случаях, когда между верхней и нижней зонами замораживания большое расстояние, вторую трубу опускают с таким расчетом, чтобы ее нижний конец был на 3−5 м выше кровли нижней зоны замораживания. При такой схеме замораживания сокращается время замораживания верхней зоны, а, следовательно, представляется возможность раньше начать работы по непосредственной проходки ствола в обводненных породах. Кроме того, уменьшается мощность замораживающей станции.

Ступенчатое замораживание пород особенно эффективно в условиях, когда зоны замораживания значительно отличаются по требуемым параметрам замораживания. Например, при сооружении стволов на калийных месторождениях Урала (Березняки, Соликамск) приходится пересекать породы, обводненные пресными водами, замерзающими при 0 ° С, и породы, обводненные рассолами, с температурой замерзания −30…−40 ° С. Замораживание пород в первой зоне можно осуществить, применяя компрессоры с одноступенчатым сжатием, а для замораживания пород во второй зоне необходимо применять компрессоры с двухступенчатым сжатием.