Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

Выбор аммиачных компрессоров.

Сжатие аммиака до давления конденсации осуществляется в специальных компрессорах. Аммиачные компрессоры различают по наличию ступеней сжатия (одноступенчатые — для достижения температуры кипения до — 30 ° С, и двухступенчатые — для достижения температуры кипения ниже — 30 ° С), по числу цилиндров (двухцилиндровые, четырехцилиндровые), по положению цилиндров (горизонтальные, вертикальные, Vобразные).

Холодопроизводителельность компрессора — величина переменная и зависит от параметров работы замораживающей установки — температуры кипения и температуры конденсации хладоагента.

В паспортах компрессоров приводят значения двух видов холодопроизводительности компрессора: при нормальных условиях — температура конденсации; температура кипения — при стандартных условиях — температура конденсации; температура кипения .

Поскольку режим работы компрессора бывает отличным от нормальных и стандартных условий, то естественно и фактическая холодопроизводительность компрессора будет отличной от паспортной. Фактическую холодопроизводительность (рабочую) компрессора определяют по формуле.

(22.1).

где V_ч — теоретический объем, описываемый поршнями цилиндров низкого давления компрессора, м³/ч;

q_р — объемная холодопроизводителность 1 м³ аммиака в рабочих условиях, кДж/м³;

l _р — коэффициент подачи компрессора в рабочих условиях.

Для выбора компрессора рекомендуется следующая методика.

1. Определяется количество ступеней сжатия компрессора. Для этого определяется степень сжатия в компрессоре по формуле.

где Р_кон — давление, при котором происходит конденсация аммиака, МПа;

Р_исп — давление, при котором происходит испарение аммиака, Мпа;

Зная температуру охлаждающей воды в конденсаторе t_в, ориентировочно определяют температуру конденсации.

При этой температуре аммиак будет конденсироваться при строго определенном давлении Р_кон.

Зная температуру рассола непосредственно в замораживающей колонке tз, определяем температуру кипения аммиака в испарителе tисп.

При степени сжатия e 8 применяются одноступенчатые компрессоры. При степени сжатия e > 8 применяются двухступенчатые компрессоры.

Суммарный часовой, который должны описывать поршни компрессоров при одноступенчатом сжатии, и суммарный часовой объем, который должны описывать поршни первой ступени при 2-х ступенчатом сжатии, определяются по формуле.

(22.5).

где G_ч — количество аммиака, которое должно циркулировать в системе в течение часа, кг/ч;

l _р— коэффициент подачи;

V^// — объем, занимаемый 1 кг аммиака в газообразном состоянии при t_исп, м³/кг.

(22.6).

где Q_ст — требуемая холодопроизводительноять замораживающей станции, Вт (ккал);

— весовая холодопроизводительность 1 кг аммиака при заданных.

и, кДж/кг.

, (22.7).

где — энтальпия аммиака при t_исп, кДж/кг;

— энтальпия аммиака при t_кон, кДж/кг.

Коэффициент подачи для одноступенчатых компрессоров определяется по формуле.

где с — нерабочая часть объема цилиндра, определяется конструкцией компрессора, в расчетах принимают с=0,03;

Т_исп — абсолютная температура кипения, К;

Т_кон — абсолютная температура конденсации, К.

Коэффициент подачи для 2-х ступенчатых компрессоров, определяется по формуле.

где — давление в промежуточном сосуде, определяется по формуле.

Т_пр — абсолютная температура в промежуточном сосуде, К По определенному расчетному суммарному часовому объему выбираются компрессоры. Затем проверяются рабочие холодопроизводительности.

Выбор конденсаторов, испарителей, регулирующих станций.

В конденсаторе происходит переход хладоагента из газообразного состояния в жидкое при постоянном давлении, в результате отбора водой тепла от сжатого аммиака. Конденсаторы в зависимости от способа охлаждения и конструкции делятся на кожухотрубные, элементные и оросительные.

Расчет конденсатора сводится к определению поверхности охлаждения, обеспечивающей переход аммиака из газообразного в жидкое состояние.

Поверхность охлаждения конденсатора определяется по формуле.

(22.12).

где R_к — удельная нагрузка на 1 м² поверхности охлаждения конденсатора, кДж/м²ч;

Удельная нагрузка зависит от типа конденсаторов:

• — R_к = 16 000−25 000 кДж/м²ч — для элементных конденсаторов;
• — R_к = 14 000−24 000 кДж/м²ч — для кожухотрубных конденсаторов;
• — R_к = 14 000−16 000 кДж/м²ч — для оросительных конденсаторов;

В испарителе хладоагент переходит из жидкого состояния в газообразное и охлаждает рассол. Для замораживания горных пород применяют испарители вертикальнотрубные интенсивного действия и кожухотрубные.

Вертикально трубные испарители собираются из отдельных элементов (батарей). Рассол в баке испарителя непрерывно перемешивается мешалкой (220−400 об/мин). Скорость движения рассола в испарителе 0,5−0,7 м/с. При разности температур прямого рассола и испарения холодильного агрегата 5 ° С, удельная нагрузка охлаждения испарителя достигает 10 000 кДж/м²ч.

В кожухотрубных испарителях хладоагент движется в межтрубном пространстве, а рассол циркулирует в трубах. Удельная нагрузка поверхности охлаждения в них достигает кДж/м²ч.

Эти испарители просты, в них отсутствуют мешалки. Вместе с тем в них возможно замерзание рассола в трубах и их разрывы.

Поверхность охлаждения змеевиков испарителя.

где — холодопроизводительность компрессора в рабочих условиях, кДж/ч;

— удельная нагрузка на 1 м² поверхности охлаждения змеевиков испарителя Для вертикально-трубных испарителей =30 000 кДж/м²ч.

Для кожухотрубных =6000−8000 кДж/м²ч.

Количество конденсаторов и испарителей принимают обычно равным числу компрессоров. Поставка заводами компрессоров ведется с конденсаторами и испарителями.

Регулирующий вентиль (дроссель) предназначен для понижения (дросселирования) давления конденсации до давления, при котором в испарителе происходит кипение хладоагента. Применяемые при замораживании пород регулирующие станции состоят из запорных и регулирующих вентилей и гильз для термометров. Марка регулирующей станции соответствует диаметру условного прохода в миллиметрах.

Водяная система служит для охлаждения паров аммиака в конденсаторе, а также ждя охлаждения аммиачных компрессоров. Для эффективного использования конденсатора следует поддерживать скорость движения воды в пределах 0,5−1 м/с.

Диаметр окружности (м), на которой располагаются устья замораживающих скважин, определяются по формуле :

D_з=D_пр+2* 0,6E+2 (22.1).

где D_пр — диаметр ствола в проходке, м;

— допустимое отклонение скважин на конечной глубине, м.

Допустимое отклонение скважин определяется по формуле.

(22.2).

где Н — глубина скважин, м.

Наружный диаметр (м) ледопородного ограждения определяется по формуле.

D_н=D_з+2R_н (22.3).

где R_н — внешний радиус замораживания вокруг колонки в главной плоскости, м.

Внутренний диаметр (м) ледопородного ограждения определяется по формуле.

D_вн=D_з — 2R_вн (22.4).

где R_вн — внутренний радиус замораживания вокруг колонки в главной плоскости, м.

Внешний радиус (м) замораживания определяется по формуле.

Внутренний радиус (м) замораживания определяется по формуле.

где l — расстояние между центрами устья скважин, м.

Количество замораживающих скважин определяется по формуле.

(22.7).

Замораживающая колонка состоит из замораживающей трубы, заканчивающейся глухим наконечником — башмаком, в которую опущена труба меньшего диаметра — питательная труба. Вверху замораживающая колонка герметически перекрывается головкой, через которую пропущены трубы. По одной рассол подается в питающую трубу, а через другую — рассол отводится из колонки. На каждой замораживающей колонке устанавливаются запорные краны, термометры и расходомеры, с помощью которых регулируется и контролируется работа колонок.

Замораживающие трубы испытывают очень большие термические напряжения, а также значительные нагрузки, возникающие в результате вспучивания пород и расширения льда. Поэтому замораживающие трубы изготавливаются из высокопрочных сталей.

Соединение звеньев труб должны обеспечивать герметичность стыка и прочность не менее прочности самой трубы. При монтаже замораживающих труб каждый стык опрессовывается. Величина давления опрессовки определяется глубиной конечного погружения стыка. При глубине погружения до 100 м давление опрессовки равно 3 МПа; при глубине 100−200 м — 4 МПа; при глубине 300−400 м — 6 Мпа; при глубине более 400 м — 8 МПа.

Нарушение герметичности замораживающей трубы влечет за собой не только выход из строя замораживающей колонки, но также и вытекание в горные породы рассола. Попадая в замороженные породы, рассол понижает их прочность, а иногда приводит к полному их оттаиванию.

Диаметр замораживаемых труб принимается с учетом создания необходимой поверхности охлаждения замораживающей колонки (в пределах 100−150 мм). Питающие трубы принимаются диаметром 25−50 мм. Рассчитываются они на рабочее давление нагнетания рассола. За последнее время для этих целей применяют полиэтиленовые трубы. Для удобства соединения замораживающих колонок с распределителем и коллектором применяют гибкие шланги.

Диаметр труб рассолопроводов, распределителя и коллектора определяется по формуле.

(22.24).

где — количество рассола, циркулирующего в рассольной системе, м³/ч;

— допустимая скорость движения рассола в трубах, м/с.

Количество рассола определяется по формуле.

(22.25).

В случаях, если расчетный диаметр этих труб превышает 200 мм, то укладываются две параллельных магистрали с суммарным сечением, равным расчетному.

Распределитель и коллектор укладывают вокруг ствола в галереях. Размеры галереи должны обеспечить нормальные условия для производства монтажных работ, управление и наблюдения за работой каждой замораживающей колонкой.

Бурение замораживающих скважин может производиться ударным или вращательным способами. В настоящее время применяется вращательное бурение как наиболее производительное и экономичное.

При вращательном бурении используется роторное бурение и турбинное бурение. Роторное бурение дает меньшее искривление скважин и поэтому чаще применяется при скважинах глубиной 150 м и более. Турбинное бурение более производительное, но дает несколько большее искривление скважин. Его применяют при бурении скважин глубиной до 150 м.

В зависимости от глубины скважин применяют следующие буровые установки:

• — при глубине скважин до 50 м — ЗИФ-650;
• — при глубине скважин до 150 м — БУШ-2, УЗТ-2;
• — при глубине скважин до 400 м — УБЗШ-2;
• — при глубине скважин более 400 м — УРБ-4ПМШ.

Буровая колонна комплектуется от принятого способа бурения из следующих частей: вертлюга, бурильной квадратной штанги (при роторном бурении) и долота.

Пробуренные замораживающие скважины должны обеспечить беспрепятственное опускание замораживающих колонок. Поэтому диаметр их должен быть несколько больше внешнего диаметра замораживающих труб в местах их соединения. Скважины должны быть очищены от шлама и обеспечивать погружение колонок на проектную глубину. Искривление скважин должно быть минимальным и не превышать величины.

(22.26).

где l — глубина скважины, м.

Знание истинной величины отклонения скважины от проектного направления необходимо для определения зон возможных разрывов ЛПО и разработки мер, ликвидирующих эти опасности.

Съемку фактического профиля скважин производят с помощью специального оборудования — инклинометра. При съемке определяется зенитный угол (угол между вертикальным и фактическим направлениями скважины) и азимутальный угол (угол, составленный проекцией направления скважины с магнитным меридианом).

Зная зенитные и азимутальные углы каждой скважины и проектный диаметр ледопородного цилиндра вокруг скважины, строят планы ЛПО интересующих сечениях (обычно на контактах водоноснызх пород с водоупорами). По этим планам определяются места, где толщина ЛПО ожидается менее проектной, либо может отсутствовать сплошность ограждения. В этих случаях разрабатываются меры, обеспечивающие создание требуемого ЛПО. Такими мерами могут быть бурение дополнительных скважин, удлинение сроков замораживания на опасных участках.