Сущность способа и область его применения

Проведение горных выработок в слабоустойчивых водоносных породах невозможно без специальных мероприятий по их упрочне­нию и понижению водопроницаемости.

При строительстве шахтных стволов около 20% проходки при­ходится на долю таких пород. Одним из наиболее распространенных мероприятий по повышению устойчивости и понижению водопрони­цаемости пород является предварительное их замораживание.

Основная задача замораживания пород при строительстве под­земных выработок заключается в образовании вокруг их будущего контура ледопородного ограждения, воспринимающего на себя давле­ние окружающих незамороженных пород и препятствующего прито­ку воды в выработку при ее проходке.

Для образования ледопород­ного ограждения на некотором рас­стоянии от контура будущей выра­ботки (примерно равном половине толщины ледопородного огражде­ния) в один или в несколько рядов бурят замораживающие скважины (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема расположения замораживающих сква­жин:

1 — проектный контур выработки в свету; 2 — проектный контур выработки в проходке; 2 — за­мораживающие скважи­ны

В замораживающие скважины вставляют заморажива­ющие колонки. Наружная труба ко­лонки по своему внешнему диамет­ру равна диаметру замораживаю­щей скважины. Через заморажива­ющие колонки прокачивают хладоноситель с температурой 233-253 К (-20÷-40°С). В качестве хладоносителя используют растворы (рас­солы) хлористого кальция СаС1₂, у которых температура замерзания при насыщении равна 217,5 К (-55,5°С).

Охлаждение хладоносителя (рассола) осуществляют с помощью хладоагента, в качестве которого в основном применяют аммиак (МН₃) и фреон — хлорфторзамещенные углеводороды на основе ме­тана (СН₄) и этана (С₂Н₆). Температура испарения Т_и аммиака при нормальном давлении Т_и = 239,6 К (-33,4°С). Температура испаре­ния фреона различна и зависит от соотношения в нем атомов хлора, фтора и водорода. У фреона-12 (СС1₂F₂) Т_и = 243,2 К (-29,8°С), у фреона-22 (СНС1F₂) Т_и = 232,2 К (-40,8°С), уфреона-13 (СС1Fз) Т_и = 191 К <-82°С).

Охлаждение хладоносителя (рассола) хладоагентом осуществ­ляют на холодильной станции, схема которой приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема холодильной станции

Компрессором 1 пары хладоагента сжимаются до 0,6-1,2 МПа, при этом его температура повышается до 353÷473 К (80-100 С). Из ком­прессора пары хладоагента, пройдя маслоотделитель 2, поступают в конденсатор 3. В нем хладоагент конденсируется на трубах, по кото­рым циркулирует вода. Температура хладоагента при этом понижа­ется до 288÷298 К (15÷25⁰С). Из конденсатора жидкий хладоагент поступает в испаритель 4, где за счет резкого снижения давления до 0,05-0,15 МПа, происходит испарение хладоагента. температура об­разующихся паров хладоагента понижается до 243÷253 К (минус 30÷20°С). Пары хладоагента поднимаются по змеевику испарителя и снова поступают в компрессор. Змеевик помещается в рассольном баке 5, в котором находится жидкий хладоноситель 6 (рассол). Из рассольного бака с помощью насоса 7 хладоноситель подается к замораживающим колонкам. После возврата хладоносителя к устью замораживающих колонок он снова поступает для охлаждения в рас­сольный бак.

Кроме рассолов для замораживания пород применяют жидкие хладоагенты при их непосредственном испарении. В качестве жидких хладоагентов применяют азот (температура испарения Т_и = 77,2 К (-195,8°С); пропан Т_и = 230,8 К (-42,2°С); фреон-22 Т_и = 233 К (-40°С); аммиак Т_и = 239 К (-34°С).

На рис. 3.3 приведены три схемы цируляции хладоносителя в замораживающей колонке.

Рис. 3.3. Схема циркуляции хладоагента:

1 — внешняя труба; 2 — внут­ренняя; 3 — башмак; 4 — ди­афрагма

На рис. 3.3, а изображена прямая цируляции хладоносителя в замораживающей колонке, когда входящий поток хладоносителя подается по центральной трубе, а исходящий выдается по коаксиальному зазору между внутренней и внешней трубой.

На рис. 3.3,б - обратная, когда входящий поток хладоносителя подается по коаксиальному зазору, а исходящий выдается по цент­ральной трубе.

На рис. 3.3,в - комбинированная, когда во внешней трубе располагают две нитки внутренних труб, одна из которых яв­ляется подающей, а другая — откачивающей. В последнем случае в замораживающей колонке, в ее нижней части монтируют диафраг­му. Применение той или иной схемы зависит от того, в какой части массива (близлежащих от устья скважины или более удаленных уча­стках) необходимо создать более мощное ледопородное ограждение.

Проходка выработок с применением замораживания пород включает:

1) бурение скважин и установку в них замораживающих колонок;

2) образование ледопородных ограждений;

3) проведение и крепление выработки под защитой ледопородного ограждения;

4) оттаивание замороженных пород.

Замораживающие скважины, как правило, бурят диаметром 200-250 мм. Расстояние между скважинами зависит от тепловых свойств пород и водопритока в них. Перебур скважин по отношению к проектной глубине (длине) выработки обычно составляют 3-5 м.

После монтажа замораживающих колонок их подсоединяют к системе питания холодильной станции и начинают процесс форми­рования ледопородного ограждения, закачивая в колонки хладоноситель.

Формирование ледопородного ограждения контролируется че­рез термические и гидрогеологические скважины с применением аку­стических и электромагнитных способов контроля.

Термические скважины бурят вокруг проектного контура буду­щей выработки с различным удалением от ее центра. Гидрогеологи­ческую скважину бурят в центре будущей выработки. Термические скважины служат для установки в них термопарных датчиков для контроля за ходом формирования ледопородного ограждения, гидро­геологическая — для контроля за притоком воды.

Формирование ледопородного ограждения считается закончен­ным, когда отдельные ледопородные цилиндры вокруг заморажива­ющих скважин сомкнутся и толщина ледопородного ограждения между скважинами достигнет проектных значений. Убедившись с помощью контролирующей аппаратуры в надежности ледопородного ограждения, начинают проходку выработки и ее крепление, после чего происходит оттаивание замороженных пород.

Проходка подземных выработок и строительство подземных со­оружений с замораживанием пород широко применяется как у нас в стране, так и за рубежом в горнодобывающей промышленности, в гидротехническом и транспортном строительстве, при сооружении метрополитенов и коммунальных тоннелей, подземных нефте- и га­зохранилищ, фундаментов под промышленные сооружения и в ряде других случаев.