Замораживание горных пород вокруг выработки

Замораживание пород, осуществляемое с земной поверхно­сти или из подземных выработок, эффективно при проходке тоннелей метрополитенов, коллекторов различного назначения, горных выработок на шахтах и рудниках, водонасыщенные пес­ки и плывуны которых плохо поддаются тампонированию.

Замораживающими скважинами с поверхности создают ледогрунтовое ограждение вокруг выработки посредством вер­тикальных или наклонных скважин. Вертикаль­ные скважины применяют в тех случаях, когда бурение возмож­но непосредственно над тоннелем. При расположении над трас­сой на поверхности различных объектов скважинам придают определенные направления с целью обойти препятствия на по­верхности.

Эти способы экономически оправданы при значительной протяженности замораживаемых участков пород и сравнительно небольшой их глубине. На шахтах Мосбасса встречаются ограниченные участки обводненных песков с плывунными свойствами, по которым возведение горизонтальных выработок обычными методами чрезвычайно затруднено.

Технология замораживания пород из забоя при проведении выработки сечением в свету 12 м² и в проходке 14,5 м² разработана ВНИИОМШСом.

При подходе выработки к опасному участку оставляют барьерный целик 2 не менее 4—5 м (рис. 4). Забой перекрывают бетонной перемычкой 1, заглубляемой в бока и почву выработки. При устойчивых породах в забое может устанавливаться деревянная перемычка толщиной 1,5 м с раскреплением ее по периметру выработки. В перемычкy заделывают кондуктора из отрезков труб длиной 2 м и диаметром 89 мм и на них надевают превенторы.

Рис. 4. Схема замораживания пород в горизонтальной выработке:

а — расположение замораживающих скважин по длине участка водонасыщенных пород; б, в — расположение замораживающих скважин в выработке соответственно без обрат­ного и с обратным сводом; 1 — бетонная перемычка; 2 — барьерный целик; 3 — замораживающие скважины

Для глубины 70 м толщина ледопородного ограждения со­ставит 1 м. Исходя из этого расстояние между кондукторами 1 принимают 0,6—0,8 м.

Скважины бурят по всему периметру за пределы проектного контура под углом 4° к направлению выработки. Таким обра­зом, чтобы на конечной глубине замораживания колонки расхо­дились во внешнюю сторону и выходили за пределы попереч­ного сечения (расходящийся веер).

Бурение производят станком НКР-100МВП с бурильной ко­лонкой диаметром 63,5 мм, которая в последующем использу­ется в качестве замораживающей трубы колонки. Пробуренные скважины опрессовывают под давлением 1 МПа и подключают питающие трубы диаметром 26,8 мм.

Фреоновая подземная замораживающая станция для выпол­нения работ по замораживанию, разработанная ВНИИОМШСом, состоит из унифицированного оборудования, разме­щаемого на четырех платформах шахтных вагонеток ВГ-2,5.

Компрессорно-конденсаторный агрегат АК-АУУ190/1 включа­ет компрессор, электродвигатель, конденсатор и приборы авто­матической защиты и контроля.

Испарительно-регулирующий агрегат АИР-180 А состоит из испарителя и теплообменника с автоматической регулирующей станцией.

Насосные агрегаты 3X0-9 производительностью 45 м³/ч име­ют насосы для перекачки фреона-30, применяемого в качестве хладоносителя вместо водного раствора хлористого кальция и электродвигатели во взрывобезопасном исполнении.

В качестве хладагента применяется фреон-22 (хладон-22) — взрывобезопасный и не обладающий токсичными свойствами, позволяющий получить температуру хладоносителя на выходе из испарителя до —35 °С, что обеспечивает сокращение продол­жительности замораживания в 1,5—2 раза.

Применяемый в замораживающей станции фреон-30 обладает низкой температурой замерзания (—96°С), не взаимодейст­вует со льдом и металлом, что обеспечивает безаварийность процесса замораживания, а его низкая вязкость создает турбулент­ный режим движения по трубам и тем самым обусловливает снижение расхода электроэнергии на циркуляцию фреона.

Продолжительность замораживания составляет 30 сут. Тол­щина стенки ледопородного ограждения 1—1,3 м. Ледопород-ное ограждение захватывает приконтурную зону внутри выра­ботки, основная же его часть находится за пределами проект­ного сечения.

Горнопроходческие работы в замороженной зоне ведутся по окончании активного периода замораживания. Во избежание нарушения ледопородного ограждения разрушение породы ве­дут отбойными молотками. Взрывные работы могут применять­ся только в исключительных случаях при ограниченном числе шпуров и зарядов на основе оценки фактической толщины ледопородного ограждения, физико-механических характеристик замороженных пород и параметров буровзрывных работ в ана­логичных условиях. Для исключения прорыва или просачивания плывуна в выработку после оттаивания замороженных пород применяется замкнутая крепь — две рамы на 1 м из СВП — 27 в бетоне М150, причем особое внимание должно быть обраще­но на качество бетонных работ.

Замораживающие колонки в почве выработки в период про­ведения вырезаются, а в кровле — остаются до полного прохож­дения замороженного участка.

Проведение выработки осуществляют в две фазы.

В первую фазу выработку проходят полным сечением с выемкой породы в обратном своде, сразу на длину заморожен­ного участка. Породу погружают машиной ППМ-4Э в вагонет­ки ВГ-2,3, откатку которых производят лебедкой ЛВД-13, уста­новленной в ранее пройденной выработке. Выемку породы производят на величину ухода не более 1 м и устанавлива­ют две арки крепи без обратного свода с затяжкой боков и кровли.

Во вторую фазу сооружают обратный свод и возводят бетонную крепь. Временный путь снимают и укладывают метал­лические сегменты спецпрофиля в обратный свод. Устанавлива­ют опалубку по всему сечению и укладывают бетонную смесь.

Для ускорения процесса твер­дения и снижения температуры замерзания в состав бетонной смеси надо вводить одну из сле­дующих композиций химических добавок:

а) при температуре пород не ниже —5°С —СаС1₂ (хлорид
кальция), Ca(NO₃h (нитрат кальция) или CaCl₂+NaNO2
(хлорид кальция+нитрит нат­рия);

б) при температуре пород до — 15 °С — CaCl₂+NaCl (хлорид
кальция+хлорид натрия) или CaCl2+NaNO₂ (хлорид каль­
ция + нитрит натрия).

Не допускается введе­ние добавки CaCl₂+NaCl и до­бавки СаС1 в количестве более 2% массы цемента для исклю­чения коррозии металлических арок в бетоне.

По окончании бетонирования и снятии опалубки засыпают обратный свод, укладывают ж/б лотки водоотводной канавки и настилают постоянный рельсовый путь.